煤巷底板防沖鉆孔釋能解危原理及參數(shù)優(yōu)化

陳 濤

（國家開發(fā)銀行河南省分行, 河南 鄭州 450002）

0 引 言

沖擊地壓是煤礦開采過程中煤巖體受采動(dòng)影響發(fā)生突然破壞，釋放大量能量，并對(duì)附近采場(chǎng)和巷道造成嚴(yán)重破壞的強(qiáng)烈動(dòng)力災(zāi)害[1-3]。

沖擊地壓類型可根據(jù)誘發(fā)沖擊的主控因素分為頂?shù)装逍?、煤柱型、斷層型與褶曲型[4]。其中，我國煤礦發(fā)生底板沖擊地壓的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，為煤礦安全生產(chǎn)帶來巨大威脅。特別是在我國華亭礦區(qū)、彬長(zhǎng)礦區(qū)的底板沖擊危險(xiǎn)尤為突出，且隨著開采規(guī)模與開采深度不斷增加，底板沖擊現(xiàn)象將愈發(fā)嚴(yán)重，因此，科學(xué)高效的底板型沖擊地壓防治理論與方法亟待研究。

底板型沖擊地壓是在礦井開采或掘進(jìn)擾動(dòng)下誘發(fā)底板煤巖體變形能瞬時(shí)釋放，同時(shí)底板煤巖體瞬間向上突出，并引起采掘空間圍巖失穩(wěn)及設(shè)備破壞的動(dòng)力災(zāi)害。大量特厚煤體條件下底板沖擊地壓事故研究結(jié)果表明[5-7]，底板沖擊顯現(xiàn)多發(fā)生于特厚煤層開采上分層或厚煤層開采的巷道，巷道沿頂板布置，導(dǎo)致巷道底板留有底煤，且未采取有效的底板防沖措施和合理支護(hù)，進(jìn)而誘發(fā)底板沖擊顯現(xiàn)，其顯現(xiàn)特征以底鼓為主。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)底板型沖擊地壓機(jī)理進(jìn)行了研究，取得了一定的成果，其中張晨陽[8]研究結(jié)果表明巷道掘進(jìn)時(shí)，底板巖層是主要的沖擊動(dòng)力能貯存體，而底煤是主要的動(dòng)力釋放顯現(xiàn)體；龔少坤[9]根據(jù)尖點(diǎn)突變理論建立了巷道底板的突變模型，得到了巷道底板沖擊的尖點(diǎn)突變判別準(zhǔn)則，并分析了突變模型中巷道底板水平應(yīng)力和位移參量對(duì)突變狀態(tài)的影響規(guī)律；蘆慶和等[10]理論分析了巷道底板失穩(wěn)破壞機(jī)理，認(rèn)為水平應(yīng)力集中系數(shù)越高，底板越容易產(chǎn)生滑移變形鼓起；曹安業(yè)等[11]提出底板卸壓防沖原理，認(rèn)為可通過改變巷道底板的抗彎強(qiáng)度以降低巷道底板沖擊誘發(fā)條件；徐學(xué)鋒[12]在分析巷道底板沖擊地壓特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立底板沖擊地壓發(fā)生條件與影響因素的力學(xué)模型；MU 等[13]提出巷道寬度和水平應(yīng)力是底板動(dòng)態(tài)斷裂的主要控制因素，兩者與底板動(dòng)態(tài)斷裂危險(xiǎn)性呈正相關(guān)；LIU 等[14]采用薄板模型研究底板動(dòng)態(tài)破壞的條件，并認(rèn)為高水平應(yīng)力和動(dòng)態(tài)擾動(dòng)導(dǎo)致底板彎曲，彈性能快速大量釋放，從而引起動(dòng)態(tài)破壞；CHENG 等[15]提出通過改變底板能量積聚時(shí)的應(yīng)力環(huán)境，并減少強(qiáng)動(dòng)壓對(duì)巷道底板的沖擊，從而消除沖擊地壓的危險(xiǎn)。由于發(fā)生巷道底板型沖擊地壓的礦井圍巖力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和煤巖地質(zhì)情況復(fù)雜，因此，對(duì)底板型沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理并未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

此外，為提出切實(shí)高效防治底板型沖擊地壓的防治理論與方法，國內(nèi)外學(xué)者開展了巷道底鼓及沖擊危險(xiǎn)防范解危技術(shù)研究，其中李寶富等[16]研究結(jié)果指出增強(qiáng)巷道底板支護(hù)強(qiáng)度是控制地板巖層產(chǎn)生動(dòng)態(tài)破裂和強(qiáng)烈底鼓的有效措施；徐學(xué)鋒[12]提出開挖卸壓槽卸壓，以破壞底板煤巖層的完整性，形成高應(yīng)力釋放空間；秦子晗[17]從煤體應(yīng)力、能量和沖擊傾向等角度出發(fā)，分析了大直徑鉆孔的卸壓原理；孟憲義等[18]通過建立卸壓鉆孔參數(shù)與圍巖膨脹變形的表達(dá)式分析了鉆孔直徑、長(zhǎng)度等因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的作用規(guī)律；XIAO 等[19]基于巷道圍巖變形破壞特點(diǎn)，提出了一種超挖錨注充填方法，該方法能有效地控制巷道底板變形和沖擊地壓，用以保證巷道底板的穩(wěn)定性；ZHANG 等[20]根據(jù)陽城煤礦實(shí)際地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力變化特點(diǎn)，確定了卸壓鉆孔的最佳布置方案，結(jié)果表明，鉆孔密度越大，鉆孔周圍巖石裂隙發(fā)育程度越大，卸荷效果越明顯。

目前對(duì)于底板防沖解危原理的系統(tǒng)研究尚未完善，巷道底板沖擊危險(xiǎn)防范解危參數(shù)的相關(guān)研究較為欠缺，底板沖擊地壓的防治難以達(dá)到理想效果，因此，筆者以煤層底板鉆孔釋能解危原理、卸壓參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究以及煤層底板鉆孔解危防治實(shí)踐為主要研究?jī)?nèi)容，為防治底板型沖擊地壓提供科學(xué)依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)，保障礦井安全高效生產(chǎn)。

1 底板鉆孔釋能解危原理

1.1 巷道底板誘沖機(jī)理

底板型沖擊地壓一般發(fā)生在煤層厚而堅(jiān)硬的礦井。厚煤層通常采用放頂煤或分層綜放開采，巷道底板一般存在較厚底煤，且通常積聚較高彈性能，極易達(dá)到誘發(fā)沖擊地壓的臨界值。

大量研究成果表明水平應(yīng)力對(duì)底板型沖擊地壓有顯著的促進(jìn)作用，掌握巷道底板煤層的水平應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)研究巷道底板誘沖機(jī)理至關(guān)重要。

選取巷道底板內(nèi)厚度為d的底板單元體進(jìn)行分析，其剖面圖如圖1 所示，該圖表示巷道底板傾向剖面受力情況，分析其受力失穩(wěn)情況。

圖1 煤層底板計(jì)算力學(xué)模型Fig.1 Mechanical calculation model of coal seam floor

基于彈性力學(xué)理論，彎矩計(jì)算公式M=-Nxω，結(jié)合彎矩的表達(dá)式，得出撓度的微分方程為

設(shè)巷道的寬度為B1，引入k2=-Nx/EI，同時(shí)根據(jù)邊界條件x=0和x=B1時(shí)ω=0，可得k=πB1。

可得底板兩端承受水平作用力Nx的表達(dá)式：

巷道底板失穩(wěn)主要由水平作用力決定[21]，最大水平主應(yīng)力等于自重應(yīng)力水平分量和構(gòu)造應(yīng)力之和：

式中：γ為最大水平主應(yīng)力引起巷道失穩(wěn)時(shí)與垂直應(yīng)力的比值；σG為水平構(gòu)造應(yīng)力；K1為覆巖支承壓力影響系數(shù)；K2為水平構(gòu)造應(yīng)力影響系數(shù)；B為煤柱壓力承載范圍，m；h為巷道高度，m；H為巷道頂板距離地表的高度，m；γr為巷道上覆巖層的平均視密度，N/m3；μ為巖石的泊松比；γm為煤層的視密度，N/m3。

當(dāng)巷道底板最大水平主應(yīng)力大于底板承受水平壓力時(shí)，巷道底板發(fā)生破壞變形，則巷道底板的變形破壞條件為

引入底板沖擊危險(xiǎn)性系數(shù)Kdp，整理得：

由式（2）可見，減小底板寬度B1可有效增大Nx，提高底板破壞條件。由式（5）可見，當(dāng)Kdp≥1時(shí)，底板存在沖擊危險(xiǎn)，Kdp與巷道的寬度B1、煤層埋深H、覆巖支承壓力影響系數(shù)K1和水平構(gòu)造應(yīng)力影響系數(shù)K2成正比，與底板厚度d的平方及底板巖層的彈性模量E成反比。因此，降低水平構(gòu)造應(yīng)力影響系數(shù)K2、減小B1可以有效地降低Kdp的值，進(jìn)而降低巷道底板的沖擊危險(xiǎn)性。

1.2 巷道底板鉆孔釋能解危防沖原理

底板鉆孔解危的防沖機(jī)理是，在不改變巷道斷面尺寸條件下，對(duì)具有沖擊危險(xiǎn)的巷道底板實(shí)施解危鉆孔，從而在巷道底板形成“梯形”結(jié)構(gòu)（如圖2 所示，其中 σh為原巖應(yīng)力），可有效改善巷道底板煤巖體中的水平應(yīng)力集中情況，并能夠使底板中的水平應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，阻斷來自巷道底板兩側(cè)的應(yīng)力向存在自由面的底板傳遞。

圖2 巷道底板鉆孔卸壓原理Fig.2 Schematic of drillhole of pressure relife in floor of roadway

當(dāng)在高應(yīng)力的煤體內(nèi)施工一系列鉆孔時(shí)，由于受高應(yīng)力的作用，鉆孔周圍的煤體會(huì)產(chǎn)生裂縫并發(fā)生破裂，進(jìn)而引起遠(yuǎn)離鉆孔的煤體破裂和松動(dòng)，所以煤體中形成一個(gè)比起始鉆孔孔徑大很多的破碎區(qū)和塑性區(qū)。如果實(shí)施多個(gè)大直徑鉆孔，鉆孔周圍煤體的破碎區(qū)或塑性區(qū)互相連通，煤體內(nèi)則會(huì)形成范圍更大的卸壓區(qū)，在應(yīng)力峰值減小的同時(shí)應(yīng)力集中區(qū)會(huì)向煤體深處轉(zhuǎn)移，起到防沖解危的作用。

此外，鉆孔周圍松散的煤體能對(duì)礦震產(chǎn)生的震動(dòng)波起到衰減作用，使到達(dá)巷道的震動(dòng)波能量迅速衰減，即使巷道深部有沖擊發(fā)生，巷道周圍松散煤體也會(huì)起到保護(hù)巷道的作用。

2 底板鉆孔參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬

底板鉆孔解危效果受鉆孔布置參數(shù)影響，其中主要包括鉆孔實(shí)施角度、鉆孔間距、排距以及鉆孔直徑等。本節(jié)以前述釋能解危原理為基礎(chǔ)，研究主要鉆孔參數(shù)對(duì)煤層巷道底板解危效果的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對(duì)不同的鉆孔布置參數(shù)進(jìn)行解危模擬分析。

2.1 數(shù)值模型建立與模擬參數(shù)選取

以彬長(zhǎng)礦區(qū)某礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立底板型沖擊地壓的巷道及頂?shù)装鍞?shù)值模擬計(jì)算模型，研究的鉆孔參數(shù)如圖3 所示。筆者采用正交實(shí)驗(yàn)法研究不同鉆孔參數(shù)對(duì)底板解危效果的影響程度。

圖3 底板鉆孔參數(shù)示意Fig.3 Schematic of bottom plate drilling parameters

本數(shù)值模擬建立在開采深度550 m、側(cè)壓系數(shù) λ為1.5 的條件下，模型尺寸為24 m×8 m×20 m（X×Y×Z），開挖巷道斷面尺寸5 m×4 m（X×Z），沿煤層頂板布置，底板留有厚3 m 底煤，力學(xué)模型采用Mohr-Coulomb 模型。巷道開挖后圍巖水平應(yīng)力分布情況如圖4 所示。

圖4 開挖巷道后圍巖水平應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of surrounding rock after tunnel excavation

在未采取鉆孔卸壓措施時(shí)，巷道底板中線位置周圍區(qū)域存在水平應(yīng)力峰值區(qū)（圖4），位于底板下方垂直距離1.25～1.75 m，水平范圍約3.0 m，應(yīng)力為30.15 MPa。

2.2 鉆孔傾角對(duì)底板解危效果的影響

結(jié)合煤礦井下鉆孔施工與設(shè)備條件，數(shù)值模擬鉆孔直徑取為100 mm；為保證鉆孔之間實(shí)現(xiàn)一定程度卸壓效果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，將鉆孔間距設(shè)置為3 m，沿巷道走向排距為1 m，深度為3 m；沿巷道中心線兩側(cè)對(duì)稱布置時(shí)，鉆孔傾角分別選取為30°、45°、60°、75°。不同傾角鉆孔開挖后底板水平應(yīng)力分布如圖5a—圖5d 所示。

圖5 不同傾角鉆孔水平應(yīng)力分布Fig.5 Horizontal stress distribution at different inclined boreholes

在底板開挖直徑100 mm，不同傾角的鉆孔后，在距底板中心線兩側(cè)各8.0 m 范圍，深度1.5 m 處的底板水平應(yīng)力隨鉆孔傾角變化曲線如圖6 所示。

圖6 底板水平應(yīng)力隨鉆孔傾角變化曲線Fig.6 Variation of horizontal stress with the inclination angle of borehole in roadway floor

隨著鉆孔傾角的增加，巷道底板水平應(yīng)力降低程度不斷升高，從5.1%（鉆孔傾角30°）逐步升高至15.1%（鉆孔傾角75°），且應(yīng)力集中范圍逐步縮??；底板鉆孔同時(shí)對(duì)巷道頂板的水平應(yīng)力分布也有一定影響，隨著鉆孔傾角的增大，頂板的水平應(yīng)力集中程度有所降低，并呈現(xiàn)向上部和遠(yuǎn)離巷道頂板轉(zhuǎn)移，并能在一定程度上減小應(yīng)力峰值區(qū)的范圍。

以上數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)鉆孔傾角為30°和45°時(shí)，僅對(duì)峰值應(yīng)力在一定程度上有較小幅度的降低，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)的范圍影響不大，解危效果不夠理想；當(dāng)鉆孔傾角達(dá)到60°和75°時(shí)，峰值水平應(yīng)力明顯降低，應(yīng)力集中區(qū)的范圍縮小，并能使水平應(yīng)力在一定程度上向底板深部轉(zhuǎn)移。

因此，在施工現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，實(shí)施底板卸壓鉆孔傾角最好控制在60°～75°以上，可以取得較好的底板卸壓解危效果。

2.3 鉆孔間距對(duì)底板解危效果的影響

解危鉆孔間距是影響底板卸壓效果的一個(gè)重要因素。鉆孔間距過小可能會(huì)導(dǎo)致鉆孔施工量過大，雖然降低了底板水平應(yīng)力集中程度，但同樣限制了鉆孔解危范圍；鉆孔間距過大則無法有效降低底板水平應(yīng)力的集中程度。

為此本節(jié)模擬采用的鉆孔間距分別為5、4、3、2、1 m，比較鉆孔傾角為60°、直徑為100 mm、排距為1 m 時(shí)卸壓效果最為理想的鉆孔間距。圖7a—圖7e分別為不同鉆孔間距時(shí)的水平應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果，圖8 為距底板中心線兩側(cè)各8.0 m 范圍，深度1.5 m處的巷道底板水平應(yīng)力隨鉆孔間距的變化曲線。

圖7 不同間距鉆孔底板水平應(yīng)力分布Fig.7 Horizontal stress distribution at different drilling distance in roadway floor

圖8 底板水平應(yīng)力隨鉆孔間距變化曲線Fig.8 Variation of horizontal stress with distance between boreholes in roadway floor

鉆孔間距為5 m 和4 m 時(shí)，水平應(yīng)力降低程度分別為4.7%和8.0%，水平應(yīng)力集中范圍有所減小，但不明顯；鉆孔間距為3 m 和2 m 時(shí)，水平應(yīng)力降低程度分別為11.4%和15.6%，并對(duì)水平應(yīng)力集中區(qū)的范圍均有明顯消減作用，同時(shí)由圖7c、7d 可知底板巖層中未出現(xiàn)新的水平應(yīng)力集中區(qū)，說明在此2 個(gè)間距時(shí)，鉆孔形成的自由空間能夠較好地使水平應(yīng)力釋放；鉆孔間距為1 m 時(shí)，水平應(yīng)力降低程度為18.3%，但此時(shí)由于兩鉆孔相聚較小，形成的卸壓范圍寬度也隨之減小，兩底角的應(yīng)力集中程度和深度也繼續(xù)加大，并且在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)造成巷道底板中部煤體過于破碎。

以上數(shù)值模擬結(jié)果表明，鉆孔直徑100 mm，傾角60°，排距1 m 條件下的底板水平應(yīng)力降低程度隨著鉆孔間距升高而降低，并且當(dāng)間距小于2 m 時(shí)底板中央的水平應(yīng)力集中區(qū)基本消失，可以兼顧整個(gè)巷道范圍寬度的卸壓效果；當(dāng)間距大于2 m 時(shí)，峰值水平應(yīng)力有一定減小，但應(yīng)力集中區(qū)依然存在，在外界條件干擾下極有可能產(chǎn)生水平應(yīng)力再次回升，使底鼓繼續(xù)發(fā)展甚至沖擊；當(dāng)間距小于2 m 時(shí)，雖然水平應(yīng)力降低程度進(jìn)一步提高，但此時(shí)巷道底角的應(yīng)力集中情況持續(xù)加大，并且隨著兩鉆孔間距的減小，對(duì)底板的卸壓作用范圍也隨之減小。

綜合考慮底板的卸壓效果和解危范圍，在實(shí)施解危鉆孔直徑為100 mm，傾角60°時(shí)，選取鉆孔間距為2 m 左右時(shí)較為合理，可使巷道寬度范圍內(nèi)底煤中的水平應(yīng)力集中區(qū)明顯減小，并且不至于導(dǎo)致底角的水平應(yīng)力上升到較高水平，對(duì)于整個(gè)底板的沖擊地壓防控可以起到理想效果。

2.4 鉆孔直徑對(duì)底板解危效果的影響

影響底板鉆孔解危效果的另一重要因素為鉆孔直徑，本節(jié)在鉆孔傾角60°、間距2 m、排距1 m 條件下，鉆孔直徑在100 ～200 mm 選取，分別進(jìn)行模擬，得到圖9 鉆孔傾角巷道圍巖水平應(yīng)力模擬結(jié)果，并繪制出距底板中心線兩側(cè)各8.0 m 范圍，底板深度1.5 m 處的水平應(yīng)力分布曲線，如圖10 所示。

圖9 不同直徑鉆孔底板水平應(yīng)力Fig.9 Horizontal stress distribution at different borehole diameters

圖10 底板水平應(yīng)力隨鉆孔直徑變化應(yīng)力曲線Fig.10 The variation of horizontal stress with the borehole diameters

如圖9、圖10 所示，在所取鉆孔間距、傾角和排距條件下，直徑在100～200 mm 變化時(shí)，巷道頂板中的水平應(yīng)力分布范圍與形態(tài)基本保持不變，表明底板鉆孔直徑的改變對(duì)頂板巖層的水平應(yīng)力分布情況影響相對(duì)較弱，巷道兩底角仍然存在水平應(yīng)力集中區(qū)。鉆孔直徑的改變對(duì)降低底煤中的水平應(yīng)力集中程度有一定的效果。

當(dāng)鉆孔直徑為100 mm 時(shí)，底板水平應(yīng)力降低程度約為15.6%，并且鉆孔周邊應(yīng)力集中程度較高。當(dāng)鉆孔直徑為120、140、160 mm 時(shí)，底板水平應(yīng)力降低程度分別約為18%、18.7%與19.4%，三者呈等差分布，但彼此之間相差不大。當(dāng)鉆孔直徑為180、200 mm 時(shí)，底板水平應(yīng)力降低程度分別約為22.3%和24.5%，與 100～160 mm 直徑鉆孔相比，水平應(yīng)力降低程度明顯升高。

以上數(shù)值模擬結(jié)果表明，在煤層巷道底板實(shí)施解危鉆孔的間距為2 m，排距為1 m，傾角60°時(shí)，直徑選為140 ～200 mm 較為合理，也可避免在鉆孔直徑過大時(shí)，形成的自由空間導(dǎo)致底板積聚的彈性能在鉆孔實(shí)施過程中突然釋放，誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)。

2.5 鉆孔排距對(duì)底板解危效果的影響

基于以上對(duì)底板鉆孔傾角、間距及直徑的數(shù)值模擬研究，可以得出這些鉆孔參數(shù)對(duì)煤層巷道底板的橫向解危效果的影響，本節(jié)選取鉆孔間距2 m，傾角60°，直徑200 mm，鉆孔深度為鉆至底板巖層，為研究鉆孔布置參數(shù)對(duì)巷道走向解危效果的影響，本節(jié)分別選取鉆孔排距為0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8、2 m，沿巷道底板中線對(duì)稱布置兩排鉆孔，從巷道走向提取其中一側(cè)相鄰兩鉆孔之間區(qū)域，底板1.5深度范圍的水平應(yīng)力，研究實(shí)施解危鉆孔前后巷道底板走向的水平應(yīng)力變化情況。圖11 為不同排距的鉆孔在X-Y剖面的水平應(yīng)力分布云圖，圖12 為巷道走向相鄰兩鉆孔之間應(yīng)力曲線。

圖11 不同鉆孔排距巷道底板水平應(yīng)力分布Fig.11 Horizontal stress distribution at different borehole row spacing

圖12 底板走向水平應(yīng)力隨鉆孔排距變化曲線Fig.12 Variation of horizontal stress with the borehole row spacing

由于煤層的強(qiáng)度要小于底板巖層的強(qiáng)度，實(shí)施解危鉆孔后，形成的自由空間一般情況下作為底板圍巖中水平應(yīng)力及能量釋放和向下轉(zhuǎn)移的通道，再根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，在開挖鉆孔后底板煤巖體重新達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)基本分布在巷道底煤垂直方向的中部區(qū)域。

當(dāng)鉆孔排距為0.6 m 時(shí)，此時(shí)水平應(yīng)力高于初始水平應(yīng)力；排距為0.8 m 時(shí)，兩排鉆孔間最低水平應(yīng)力較原巖水平應(yīng)力降低了約1.3%，卸壓效果不明顯，并且鉆孔周邊均出現(xiàn)高于初始水平應(yīng)力的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

當(dāng)鉆孔排距為1 m 時(shí)，兩排鉆孔間最低水平應(yīng)力較原巖水平應(yīng)力降低了約4%，底板中的水平應(yīng)力開始向外側(cè)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移；當(dāng)鉆孔排距為1.2 m 時(shí)，兩排鉆孔間最低水平應(yīng)力較原巖水平應(yīng)力降低了約6%。

當(dāng)鉆孔排距為1.4 m 和1.6 m 時(shí)，兩鉆孔間的水平應(yīng)力繼續(xù)減小，并且最低水平應(yīng)力較初始水平應(yīng)力降低了12.9%；排距在1.6～2.0 m 時(shí)兩鉆孔間的水平應(yīng)力開始回升。

以上數(shù)值模擬結(jié)果表明，鉆孔周邊的水平應(yīng)力集中是影響鉆孔排距選擇的一個(gè)重要因素，并且底板鉆孔在平行于巷道走向和平行于橫向的水平應(yīng)力是不同的。分布由于鉆孔間的相互影響，在鉆孔直徑為200 mm 時(shí)，合理的鉆孔排距選擇應(yīng)在1.6 m 左右，并且最小不得小于1 m，最大不超過2 m。

3 煤層底板鉆孔解危防沖實(shí)踐

選取底板沖擊頻發(fā)的彬長(zhǎng)礦區(qū)某礦，以其401105工作面為研究對(duì)象，針對(duì)礦井所采煤層賦存狀況以及地質(zhì)條件，對(duì)不同等級(jí)的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域制定相應(yīng)底板鉆孔解危方案。在工作面回采過程中實(shí)施底板解危鉆孔，比較分析解危前后巷道底板應(yīng)力顯現(xiàn)的變化以及回采工作面變形能積聚情況，驗(yàn)證所取鉆孔參數(shù)的合理性，為進(jìn)一步優(yōu)化提供參考依據(jù)。

3.1 工作面概況與底板鉆孔解危防沖方案

礦井401105 工作面北側(cè)為預(yù)留401104 綜采工作面，南側(cè)為預(yù)留401106 綜采工作面，西側(cè)為401盤區(qū)三條盤區(qū)大巷保護(hù)煤柱，東側(cè)為401 采區(qū)與邊界煤柱。401105 工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 730 m，傾向長(zhǎng)度180 m，開采煤層為4 煤，開采深度500～730 m，4煤鑒定具有強(qiáng)沖擊傾向性。

基于不同沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，結(jié)合底板鉆孔參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬結(jié)果，制定相應(yīng)底板鉆孔卸壓方案，以減弱回采期間巷道沖擊危險(xiǎn)性，降低底板沖擊地壓顯現(xiàn)及底鼓的危害程度。不同等級(jí)沖擊危險(xiǎn)區(qū)設(shè)計(jì)的鉆孔參數(shù)見表1，布置方式如圖13 所示。

圖13 底板卸壓鉆孔布置示意Fig.13 Schematic of pressure relief borehole in floor

3.2 底板鉆孔解危效果評(píng)價(jià)

401105 工作面回采期間的煤體能量積聚情況可通過沖擊變形能指標(biāo)來反映，沖擊變形能指數(shù)越大，表明單位面積、單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變能量總和越大，沖擊危險(xiǎn)程度越高。在實(shí)施底板鉆孔解危前計(jì)算了沖擊變形能集聚情況，結(jié)果如圖14a 所示。

圖14 沖擊變形能積聚云圖Fig.14 Accumulation chart of impact deformation energy

對(duì)兩巷道變形能積聚及超前150 m 的區(qū)域?qū)嵤┑装邈@孔解危措施，一個(gè)月后的沖擊變形能積聚速率演化結(jié)果如圖14b 所示。結(jié)果表明，兩巷原沖擊危險(xiǎn)區(qū)的變形能積聚速率明顯降低，影響范圍大幅縮小，據(jù)此可說明當(dāng)前設(shè)計(jì)的底板鉆孔解危措施對(duì)降低巷道底板沖擊危險(xiǎn)強(qiáng)度有較好的效果。

圖15 為實(shí)施底板解危鉆孔前后沖擊變形能積聚變化曲線，通過兩曲線的比較能夠看出，與實(shí)施底板解危鉆孔之前相比，實(shí)施底板鉆孔解危之后的沖擊變形能變化趨勢(shì)明顯變緩，據(jù)此可以證明底板大直徑鉆孔在沖擊地壓防治方面，能夠起到較好的釋能解危作用。

圖15 沖擊變形能變化曲線Fig.15 Changes of bursting strain energy

圖16 為實(shí)施底板解危鉆孔前后工作面微震頻次統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：采取底板解危鉆孔后工作面大能量（大于104J）微震事件明顯降低，小能量微震事件明顯增多，進(jìn)一步表明底板大直徑鉆孔在沖擊地壓防治方面，能夠起到較好的釋能解危作用。

圖16 工作面回采期間微震統(tǒng)計(jì)Fig.16 Statistics of mine earthquakes during mining face

4 結(jié) 論

1）基于力學(xué)理論得出底板變形破壞條件，底板沖擊危險(xiǎn)性系數(shù)與巷道寬度、煤層埋深、水平構(gòu)造應(yīng)力以及底板厚度有關(guān)。底板鉆孔能夠在一定程度上降低煤層巷道底板中的高水平應(yīng)力，為彈性能釋放提供自由空間。在水平應(yīng)力場(chǎng)中，底板鉆孔徑向?yàn)槭軌籂顟B(tài)，在巷道橫向兩排鉆孔組成“梯形結(jié)構(gòu)”在水平應(yīng)力作用下迫使巷道中部的集中水平應(yīng)力向下轉(zhuǎn)移，同時(shí)鉆孔形成的自由空間為集中應(yīng)力的釋放提供條件。

2）系統(tǒng)研究了影響底板解危效果的主要鉆孔參數(shù)，得出在該礦井4 煤層條件下，鉆孔傾角在60°以上，間距為1～3 m，直徑為140～200 mm，排距為1.4～1.8 m 時(shí)可取得理想解危效果。

3）根據(jù)研究結(jié)果，將研究結(jié)論結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件應(yīng)用于401105 工作面回采巷道，在控制底鼓和預(yù)防底板沖擊顯現(xiàn)上能夠取得理想效果，并在實(shí)際生產(chǎn)中聯(lián)合頂板預(yù)裂爆破及幫部鉆孔卸壓措施，在工作回采期間沖擊顯現(xiàn)明顯減少，驗(yàn)證了底板解危防沖措施的有效性和鉆孔參數(shù)的合理性，從根本上解決了回采期間巷道的臥底工序，減少工作量提高經(jīng)濟(jì)效益。