大直径钻孔卸压防治冲击地压探寻论文

　　摘要：我国的传统能源开采规模庞大，在矿场发展的过程中经常会面临冲击地压等地质问题，对传统能源安全开采造成了一定的影响。文章为了有效的探寻大直径钻孔卸压防治冲击地压技术，减少冲击地压给我国传统的煤矿开采行业带来的影响，促进安全生产，对冲击地压的机理特征和大直径钻孔卸压技术的机理及影响因素进行了分析，提出了大直径钻孔卸压防治冲击地压的一部分策略与注意事项，为钻孔卸压对岩爆或冲击地压防治作用进行了解答，完善了当前的冲击地压防治策略体系。

 

　　关键词：冲击地压；卸压防治技术；大直径钻孔卸压

 

　　虽然我国能源供给在近年来转变现有的能源结构，正在向清洁能源过度，但是我国的经济发展依然需要依靠大量的，传统能源的支持。传统能源开采从新中国成立前期就已经开始，新中国成立后，为了支撑国家的工业体系建设，开采规模逐步扩大。受到规模扩大的影响，大部分的采矿场都增加了开采深度。开采深度的增加进一步导致了我国的岩层活动加剧，整个采矿场的应力状态也发生了复杂变化，经常性的会出现冲击地压、岩爆等地质上的动力灾害，对我国的矿场开采的安全保障形成了巨大挑战。为了有效的应对冲击地压给矿场产生的伤害，学术界开始针对冲击地压的卸压问题开始探讨，并从发生机理、预警技术以及防治技术等方面做出了大量具有实际意义的研究成果。尤其是在卸压防治冲击地压的技术应用上提出了深孔爆破、钻孔卸压、断底爆破等卸压防治的具体措施，并取得了一定的效果。其中钻孔卸压技术因为工艺流程方面快捷、整体成本消耗低的优势得到了极其广泛的应用。目前钻孔卸压技术中针对大直径的钻孔卸压防治冲击地压技术的研究仍旧相对较少。

 

 

 

　　1.1冲击地压的显性特征

 

　　冲击地压在发生的过程中具有一部分非常明显的特征，这部分特征主要包含了：突发性、多样性、破坏性以及复杂性。突发性的主要特征表现为冲击地压在发生前没有明显的前兆预示，导致煤矿工作人员不能对冲击地压的来临进行及时的判断。另外一方面，冲击地压的整个发生过程时间极其短暂，最长时间不到一分钟，一旦矿场因冲击地压产生安全事故，工作人员完全没有时间进行撤离。多样性主要是冲击地压的发生类型是多样的，其中最主要的发生形式是煤爆、浅层冲击以及深层冲击。煤爆发生时，会有小块的煤出现抛射，冲击幅度小的时候，工作人员一般会误认为是普通的煤块掉落，并不能充分引起工作人员注意；浅层冲击一般是发生在煤壁表层的2cm~6cm左右的范围，影响相对较小；深部冲击主要发生在煤矿深处未开采的部分，发生冲击地压时会发出巨响，最终造成的破坏性影响也不一样。破坏性主要是由于冲击地压会给矿场的正常生产带来破坏性的影响。因为冲击地压发生的普遍形式是煤层冲击，冲击发生过程中，煤块会抛出或者会出现煤体移动导致岩体发生震动并产生冲击波，最终导致煤层坍塌，堵塞矿场的巷道，造成重大经济损失。复杂性表现为冲击地压主要发生在除褐煤外的所有煤种上面，并且深度基本都在200m~1000m左右。这个深度的岩层地质结构是非常复杂的，煤层的厚度也不一样。除了地质条件的复杂表现外，生产技术条件也是非常复杂的，冲击地压在水采、炮采等多种形式的过程中也都发生过。

 

　　1.2冲击地压发生理论

 

　　冲击地压的发生机理和判别准则共同构成了冲击地压的发生理论。冲击地压的发生理论主要包含了强度理论、能量理论、冲击倾向理论、组合理论以及失稳理论。强度理论分为早期和近代，早期的强度理论主要研究的是整个矿场的煤岩体产生了应力集中现象才导致的冲击地压，而近代研究的是关于岩体力学的系统平衡的分析判断。认为冲击地压是受到应力的突然增加或减小而产生的，并由此推断出煤岩体的所承受的应力是要大于或等于整个煤岩体的强度的。能量理论重点提出了冲击地压的产生是由于采掘的深度不断扩大，矿岩体由于能量守恒被破坏，可释放的能量大于需要消耗的能量，由此产生了冲击地压。冲击倾向理论则主要是将冲击地压发生的原因归纳为煤岩体本身就具有冲击破坏的能力，这种能力叫做冲击倾向。冲击倾向的测算是由力学的一部分特性指标衡量的，也被叫做冲击倾向度。组合理论是将强度理论、能量理论以及冲击倾向理论视为冲击地压的发生条件。而失稳理论则主要是依据掩体的应力应变曲线变化作为冲击地压发生的理论依据，认为应力发生非稳定变化时可能会出现失稳现象释放巨大能量，并对矿体造成剧烈的破坏。

 

　　1.3冲击地压的防治措施

 

　　目前在冲击地压的防治方面主要分为整体和局部两种。整体防治主要是从矿区的地质构造来合理应用的。整体防治的主要策略有水采常规布置方式、避峰跳采布置方式以及多区段联合开采方式等。因为目前的矿场大多采用的是长壁采煤法，所以通过整体防治能够在一定条件下预测煤层中的冲击地压。但是整体防治还是有一定的缺陷，在开采保护层，煤层预注水、顶板处理等防治措施的应用下，冲击地压的危险性得到了一定程度的降低，而局部防治则是以卸压爆破、诱发爆破、钻孔卸压三种防治措施为主。卸压爆破是目前世界上主流的卸压解危措施之一，通过放炮钻孔的方式实现应力卸压。钻孔卸压主要就是靠在煤体之间布置大直径的钻孔并在煤体上形成一定区域的塑性区与破碎区，实现对煤体内部高应力的转移，从而有效的使煤层破裂，从而达到卸压的作用，最终达到减缓冲击地压带来的安全风险。

 

 

　　2.1大直径钻孔卸压防治机理

 

　　钻孔卸压的解危策略是通过对煤岩体进行钻孔以达到减缓或者消除冲击地压的目的。钻孔卸压中会受到煤矿应力条件的影响，从能量理论来看，当钻孔接近高应力区域时，煤岩体本身的能量也会逐渐增强，除此之外，煤岩体强度也与钻孔的频次相关。整个煤岩体会因钻孔而出现破裂以及软化情况。钻孔卸压时，钻孔周边会产生高应力作用，在其周围形成一个有较多煤粉的破碎区，整个钻孔的规模也比钻孔的直径要大。钻孔卸压是需要将所有钻孔形成的破碎区相互连通起来，促进支撑力以及承受力的相互平衡，并使得冲击地压往矿场的围岩深处转移，从而实现卸压。在整个卸压过程中，开孔的位置选取是在巷道的两旁，而在卸压后，钻孔周围就会形成由破裂区、塑性区、弹性区共同组成的应力区域，其中实现卸压的最主要区域就是破裂区。通过钻孔卸压需要整个煤岩体达到摩尔—库仑准则才能有效实现卸压。在整个过程中要考虑到钻孔在煤体上所产生的应力以及在模型计算中的径向和切向应力值，同时还需要考虑煤体材料和强度值。之后则需要钻孔卸压所导致的煤体变形量与原始量，其比值也被称为卸压系数。卸压系数越大表明钻孔与煤体之间的间距很小，相应的卸压效果也越好。

 

　　2.2大直径钻孔卸压影响因素

 

　　大直径的钻孔卸压影响因素是复杂的，钻孔的间距、直径、长度等都会对卸压效果产生一定影响。首先从钻孔间距进行分析，钻孔间距的确定需要从矿场实际所处的地质条件进行确定。不同的地质条件要设置不同的钻孔长度和直径，并基于该地质条件将长度与直径设定为定值，前期要做好模拟准备工作，需要逐步设立1m~5m的间距，并通过软件形成轴向的破坏演化规律。最终通过破坏演化规律计算得出的最优间距。以钻孔间距5m为例，这个时候钻孔的周围会形成一份塑性区域，但是由于钻孔的间距过大会导致之前所形成的破坏区并不能实现贯通，卸压的效果也会相对应的降低。而如果所有钻孔间距为1m时，虽然整体的卸压效果是最好的，但是由于会延缓施工进度，钻孔卸压的成本也会相应的增加。所以在当前的钻孔卸压应用中普遍采用的间距都是在2m~3m左右，这个间距也能够使各个钻孔之间的连续性更好，也能够有效的节约成本，是最优的间距选择。钻孔直径作为钻孔卸压的另一影响因素也需要在钻孔间距和钻孔长度为定值的基础上进行确定，目前普遍采用的定值标准为：钻孔间距2m，钻孔长度15m。钻孔直径的确定范围大多数都建立在70mm~150mm之间。如果钻孔的直径过小会导致钻孔所产生的塑性区并不能实现贯通，需要逐步将钻孔直径扩大。目前优势最为明显的就是110mm直径的钻孔。最后钻孔长度的确定同样也是需要间距和直径为定值，这里的间距与定值可以分别确定为2m和110mm。钻孔长度的确定可以采用FLAC3D处理程序进行应力分布计算，并基于计算结果绘制出来的分布曲线图确定钻孔长度为5m~20m之间。但是如果长度过短，钻孔的深度只会对冲击地压产生微小的影响，卸压效果也并不明显。但是考虑到施工进度的问题，长度过长也会导致整体的施工进度减缓。如果要保证卸压效果良好并合理的控制成本支出，钻孔长度的距离需要控制在10m~15m之间。
 

 

　　2.3大直径钻孔卸压评判标准

 

　　目前对钻孔卸压的评价是基于煤体的高应力转移程度判断的，具体可以分为卸压不足、有效卸压以及过度卸压。卸压不足是由于钻孔卸压的过程中，钻孔所形成的破坏区并未有效的形成贯通的弱化带，进而导致煤体的高应力并没有有效转移，或转移程度过小，冲击地压所带来的安全风险并未因此排除。有效卸压则是指代通过数据计算确定好钻孔的各项数值，并在整个煤岩体的作用面形成了有效的弱化带，并成功的使煤体的应力峰值减小，最终使得冲击地压向矿场的煤岩体深处转移，冲击抵押的危险也被迅速排除。过度卸压指的是整个煤岩体产生的冲击地压得到了有效转移，应力也因此降低了，但是在卸压过程中没有控制好卸压数值，钻孔过度破坏了原有的巷道的支护作用，自稳能力也因钻孔过度而丧失，虽然冲击地压的风险被排除，但是新的风险也因此产生。

 

 

　　3.1确定矿井基本概况

 

　　在进行钻孔卸压前，需要对矿井以及矿场的基本情况进行确定，避免因对矿场的地质条件不了解，而产生安全风险。矿井的基本情况应该包括矿井实际的可开采煤层以及所开采的煤的种类。其次还需要对矿井的构造进行确定，且整个矿场没有大的地质断裂和褶皱。目前国内的大部分矿场都采用的是井田构造，不同开采水平的井田开拓方式也不一样，常见的是立井式的开拓方式。除了外部情况，矿场的内部情况也需要确定清楚，比如矿场的开采方法是长壁式采煤法还是其他开采方式。其次是工作面的开采条件，这也是冲击地压影响最主要的区域。工作面的相关数值主要包括了巷道距离、地面标高、工作面的推进度与长度，以及工作面的上覆岩层的厚度与性质。另外，因为应对的是冲击地压，所以需要依据矿场的基本情况对矿场的冲击地压特点进行分析，并利用好分析软件判断矿场的煤岩体的应力大小以及冲击地压出现的频次。由于冲击地压具有突然性，所以需要及时的对矿场的冲击地压产生原因进行分析。尤其是一部分矿场一直没有对冲击地压进行卸压处理，导致整个煤岩体的围岩是长期处于高应力状态的，会很容易产生冲击地压，造成危险。

 

　　3.2合理确定钻孔布置参数

 

　　钻孔布置参数的确定要从单一钻孔、首次卸压、重复卸压三个方面进行分析。单一钻孔的布置参数应考虑到钻孔周围的卸压区的分布状况。由于卸压区分布会受到煤岩体的应力环境、煤的性质以及钻孔孔径影响，所以在确定参数是要考虑到钻孔所在煤岩体的垂直应力。如果煤岩体距离整个工作面距离很近，那么整个工作面所受到的来自水平方向的约束力会相应的变小。上文提到钻孔的直径应在110mm为最优，但是具体的应用的过程中还需要考虑到工作面的设备条件、施工人员的技术水平以及整个煤岩体的应力大小，再重新确定钻孔的直径大小。而首次卸压时则需要考虑到工作面出现的巷道顶板下沉、底鼓等冲击地压现象，及时通过冲击地压现象确定冲击地压的危险级别。目前通用的大直径钻孔卸压首次卸压方式大多采用的是三花眼的布置方式。因为三花眼布置方式可以有效的保证钻孔之间的间隔和排距，确保各个钻孔之间贯通的极限距离是最接近的。同时首次卸压需要严格控制好钻孔的直径、深度。重复卸压时考虑的因素则不需要太多，并且重复卸压主要是由于首次卸压的效果并未达到预先设定的标准才需要二次卸压。需要考虑的是整个工作面的回风顺槽情况。重复卸压最重要的是要保证首次卸压时产生的弱化带不会因效果未达到预期而产生压实现象，保证卸压后的煤岩体完全丧失原有的承载能力。钻孔也需要和首次卸压时产生的钻孔保持合理距离，避免过度卸压产生其他风险。

      3.3分析大直径钻孔卸压效果

 

　　钻孔卸压效果的分析主要是对回采巷道的围岩变形量和超前支撑与承受压力的分布规律进行分析。回采巷道的围岩变形量的数据观测可以采用十字点位的分布方法布置测量站点。通过各个站点的将巷道的移近量和顶底板的移近量进行测量分析可以有效的得出相对应的变化曲线，确保在采取卸压措施后，两组数据能够产生较为明显的变化。但是工作面的超前应力对巷道以及顶底板的移近量的影响是有限的。虽然钻孔过后产生了一定的自由空间，但还是会吸收巷道的变形量，所以最终虽然应力降低了，但是两组数据的移近量也缩小了。通过对这一结果的分析能够得出，钻孔参数的布置以及重复卸压的效果也是非常明显的。其次是针对超前支撑及承受压力的分布规律的分析。该数据的分析需要在回采巷道按照一定的间隔和深度安装钻孔应力计。并通过对矿场煤柱的实时监测对支承压力的分布规律进行分析。在卸压后，整个工作面的支承压力会受到弱化带的影响而增大，但是煤岩体的整体承载能力和刚度是能够明显的下降的。因煤岩体的应力值下降，虽然工作面的整个支承压力分布影响扩大，但是最终的结果是为了让工作面的因冲击地压产生的危险性降低，保证了工作面的安全生产。

 

　　3.4大直径钻孔卸压注意事项

 

　　冲击地压本质上是煤岩体的性质与应力问题，大直径的钻孔卸压需要注意的问题是很多的。尤其是要注重煤层强度和破坏半径的影响。煤矿在进行开采之后，煤矿壁的边缘的支承压力会达到一定的峰值，如果冲击地压的集中应力对煤层造成影响后会导致整个煤体产生破坏性的损伤，所以在钻孔卸压时要考虑到支承压力的影响。其次是开采深度的影响，因为开采深度会对支承压力产生一定的影响，并决定了垂直方向上的压力水平。在矿场逐步加深采矿深度的条件下，煤岩体的整个集中应力会增加，支承压力与煤壁距离都会增加。还有一个重要的力学知识就是煤岩体的刚度与煤层的厚度，这两个数据都会对支承压力的峰值产生影响。

 

 

　　冲击地压的问题主要集中在力学中的应力上，不论是大直径的钻孔卸压还是其他的卸压防治技术，都需要重点研究如何降低煤岩体的应力。钻孔卸压主要还是针对的煤岩体的应力转移，所以在整个卸压过程中会出现卸压不足和过度卸压的问题，这就需要技术人员加强实践，总结科学经验，减少重复卸压的情况出现。但总的来讲，大直径的钻孔卸压防治冲击地压技术对整个矿区的影响是非常小的，并且钻孔卸压的效果主要是与弱化带有关。大直径的钻孔卸压随着应用与普及，未来会在冲击地压的减缓上体现更大的作用，为整个矿场的安全措施处置提供了技术保障。不过在卸压过程中还需要对矿场中的实际问题进行调查确立，避免钻孔卸压给矿场带来安全隐患。