胡 冰

(山西汾西正城煤业有限责任公司，山西 孝义 032300)

1 工作面工程概况

1302工作面位于某矿北一采区北翼轨道暗斜井以北，开采水平为-650 m水平，开采煤层为3煤，地面标高38.7～39.3 m，工作面煤层底板标高为：-400～-510 m，开采面积为174 275 m2，其工作面平面位置图见图1.

图1 1302工作面平面位置图

工作面主采煤层为3煤，煤层平均厚7.5 m，采用综放开采。直接顶为中砂岩，青灰～浅灰色，厚12.98 m，致密坚硬，f=-9～12. 基本顶为细砂岩，浅灰～灰白色，厚17.5 m. 工作面在掘进过程中，在两顺槽及切眼处揭露了10几个断层。

从图1可以看出，其中一条大断层几乎贯穿于工作面两顺槽之间，在实际开采过程中，当工作面临近此断层时，支承压力及顶板运动将会受到影响，如果不提前防范，局部的应力集中及顶板的剧烈运动，都有可能引发冲击地压的发生[1-2].因此，针对1302工作面采用综合指数法进行冲击危险等级状态评价，应用大直径钻孔卸压技术，降低工作面冲击危险性，防止冲击地压的发生[3].

2 1302工作面冲击危险综合指数法定量评价

根据鉴定报告可知，1302工作面3煤下部煤层属于II类(具有冲击倾向性)；3煤上部属于III类(具有强冲击倾向性)。

1) 根据1302工作面地质因素及开采技术条件，采用综合指数法评定其冲击危险性指数(见表1).

由表1可知，1302工作面地质因素影响下的冲击危险性指数Wt1=0.56，因此确定其冲击危险性等级为中等冲击危险性。主要影响因素为坚硬厚层顶板岩层、煤的抗压强度、煤层的强冲击倾向性及开采区域内的断层构造应力[4-5].

2) 通过分析1302工作面开采技术条件，可以得到其工作面在开采技术因素影响下的冲击危险指数，表2为由工作面开采技术因素影响下确定的冲击危险状态等级评定的综合指数。

表1 由地质条件确定的冲击危险状态评定指数表

表2 由开采技术条件确定的冲击危险状态评定指数表

1302工作面掘进、回采技术因素影响下的冲击危险性指数Wt2=0.474，判定为弱冲击危险性，主要影响因素为沿空掘巷煤柱宽度等。

经过综合分析可以判定，1302工作面冲击危险状态等级为中等偏弱的冲击危险性，冲击危险指数为Wt=max{Wt1,Wt2}=0.56，其中，工作面受地质条件因素影响较大。在1302工作面正式回采生产后，工作面的开采深度及断层构造将起主要的影响作用。

3 钻孔参数对卸压效果影响规律

3.1 基本建模过程

模型长40 m×宽40 m×高46.6 m，基本顶厚度17.32 m，直接顶厚4.66 m，煤层7.5 m，直接底3.26 m，基本底13.86 m. 为了设置应力集中环境，在模型右边界以左5 m处开挖了一条4 m×30 m×3.2 m的巷道，为防止边界效应对卸压效果的影响，所有大直径钻孔都在模型内5 m之后进行，模拟了钻孔间距、孔深及钻孔直径对卸压效果的影响，该模型共有361 342个节点(node)，291 600个三维单元域(zone)[4-5]. 模拟过程中采用莫尔-库伦屈服准则，模型物理力学参数见表3.

表3 模型围岩参数表

3.2 钻孔卸压效果影响分析

1) 钻孔间距对卸压效果的影响。

模拟过程中，拟定10 m孔深，200 mm孔径不变，改变钻孔间距分别为3 m、5 m及10 m，研究大直径钻孔卸压过程中钻孔间距对卸压效果的影响。

不同钻孔间距下竖直应力云图见图2，3，4.

图2 钻孔间距3 m竖直应力云图

图3 钻孔间距5 m竖直应力云图

图4 钻孔间距10 m竖直应力云图

由图2，3，4可知：a) 由于钻孔对煤体的破坏作用，使得煤岩体应力向钻孔周围集中，当应力集中程度达到某一数值以后，钻孔周围煤体承受不住该高应力，进而发生塑性破坏，释放一定的能量，达到卸压效果。b) 当钻孔间距为3 m时，孔周围形成了一定范围的应力降低区，由于孔间距较近，相邻应力降低区发生叠加，卸压区范围增大，卸压效果良好。c) 当钻孔间距为5 m、10 m时，孔周围虽然有一定范围的应力降低区，但是相邻卸压区域并未发生叠加，卸压效果相对较差。

2) 钻孔直径对卸压效果的影响。

模拟过程中，拟定10 m孔深，3 m钻孔间距不变，改变钻孔直径分别为50 mm、100 mm及200 mm，研究大直径钻孔卸压过程中钻孔直径对卸压效果的影响。

不同钻孔直径下竖直应力云图见图5，6，7.

图5 钻孔直径50 mm竖直应力云图

图6 钻孔直径100 mm竖直应力云图

图7 钻孔直径200 mm竖直应力云图

由图5，6，7可知：a) 不同的钻孔直径，其卸压效果不同，当钻孔直径为50 mm时，卸压效果不明显，仅在钻孔周围有小范围卸压区。b) 当钻孔直径为100 mm及200 mm时，卸压区范围明显增大，且相邻卸压区叠加，卸压效果趋于良好。c) 对于大直径钻孔卸压来说，直径越大，卸压解危效果越好。

3) 钻孔深度对卸压效果的影响。

模拟过程中，拟定3 m钻孔间距、200 mm孔径不变，改变钻孔深度分别为5 m、10 m及20 m，研究大直径钻孔卸压过程中钻孔深度对卸压效果的影响。

不同钻孔深度下最大主应力云图见图8，9，10.

图8 钻孔深度5 m最大主应力云图

图9 钻孔深度10 m最大主应力云图

图10 钻孔深度20 m最大主应力云图

由图8，9，10可知：a) 在巷道帮部，由于钻孔对煤体的破坏作用，改变了原有应力状态，使得应力峰值向深部转移，巷道周围应力集中程度有所降低。b) 进行钻孔卸压后，煤岩体高应力将向钻孔周围转移，由于深部煤体处于三向压缩环境，其抗压强度较高，存在部分应力增高区。c) 巷帮煤体处于二向压缩状态，抗压强度相对较低，且局部受到拉应力的影响，发生了塑性破坏，形成了大面积的卸压区。d) 相对于钻孔深度10 m和20 m来说，5 m孔深时应力降低区范围较小，然而10 m和20 m孔深时，应力降低区范围变化不大，钻孔深度对于卸压效果在一定范围内有显著影响，随着深度的增加，卸压效果趋于良好，但是超过某一极限值后，卸压效果趋于稳定。

4 大直径钻孔卸压技术工程应用

4.1 钻孔布置

根据1302工作面工程实际及大直径钻孔卸压模拟结果，选取卸压钻孔直径为110 mm，钻孔布置在采高或巷道高度的中部，为了使孔深达到高应力集中区，现场取25 m，选取孔距为3 m，倾角为3°，垂直于皮带顺槽巷帮施工，具体钻孔布置方式见图11.

1—钻孔 2—巷道 3—工作面图11 卸压钻孔布置方式图

4.2 工作面卸压解危效果检验

2015年10月2日对预警区域进行钻孔卸压后，工作面超前支承压力峰值向前方转移，卸压前后电磁辐射数据变化曲线见图12. 2015年10月3日之后煤体的电磁辐射强度值和脉冲数均已降到正常水平之下，冲击地压危险消除，解除预警。

5 结 论

通过综合指数法定量评价确定了1302工作面冲击危险等级状态。根据该工作面的地质条件，判定具有中等冲击危险性；根据其开采技术因素，判定为弱冲击危险性，最终综合判定其具有中等偏弱的冲击危险性。

图12 钻孔卸压前后电磁辐射数据变化曲线图

通过大直径钻孔卸压数值模拟可以看出，当钻孔间距为3 m时，孔周围形成了一定范围的应力降低区，由于孔间距较近，相邻应力降低区发生叠加，卸压区范围增大，卸压效果良好；钻孔深度对于卸压效果在一定范围内有显著影响，随着深度的增加，卸压效果趋于良好，但是超过某一极限值后，卸压效果趋于稳定；当钻孔直径为100 mm及200 mm时，卸压区范围明显增大，且相邻卸压区叠加，卸压效果趋于良好。

通过大直径钻孔卸压可以看出，钻孔卸压是一种有效的冲击危险解危方法，1302工作面在卸压后工作面超前支承压力峰值向前方转移，使冲击地压危险得到有效的解除。

参 考 文 献

[1] 姜福兴,苗小虎,王存文,等. 构造控制型冲击地压的微地震监测预警研究与实践[J]. 煤炭学报,2015,35(6):900-903.

[2] 郭长宝,张永双,蒋良文,等. 褶皱构造体中深埋隧道岩爆机制与隧道断面适宜性研究[J]. 岩石力学与工程学报,2016,31(增1):2758-2766.

[3] 张晓春,缪协兴,杨挺青. 冲击矿压的层裂板模型及实验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2015,18(5):497-502.

[4] 张晓春,卢爱红,王军强. 动力扰动导致巷道围岩层裂结构及冲击矿压的数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报,2016,25(增1):3110-3114.

[5] 张晓春,杨挺青,缪协兴. 冲击矿压的模拟试验研究[J]. 岩土工程学报,2014,21(1):66-70.