CN103726872B - 一种煤矿强矿压巷道定向解危方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种煤矿强矿压巷道定向解危方法，该方法采用横向（巷道横截面）卸压和纵向（沿巷道走向）卸压相结合的方式。在巷道方向上每隔5m布置一组钻孔，当侧压系数大于1.5时，水平应力在巷帮钻孔上分解后会挤压底板使之向下运动，并通过两侧钻孔卸压爆破形成底板裂隙区来隔断底板深部传来的应力，来减弱“底鼓”的发展；同时在巷道中每隔一段距离设置一个破碎带，破碎带起到“弹簧体”的作用，吸收沿巷道走向方向水平应力所带来的能量，从根本上解决巷道“底鼓”现象。

Description

一种煤矿强矿压巷道定向解危方法

技术领域

本发明涉及技术领域为煤矿安全领域包括其他地下深部作业安全领域，尤其是当作业中遇到强矿压，并且水平应力远大于垂直应力的情况（侧压系数大于1.5）。

背景技术

强矿压的防治主要分为监控、解危和支护等方面，其中解危卸压方法是根本的防治方法，从源头上减小强矿压对井下巷道的破坏和影响，为矿山安全提供保障。

总体来说，解危卸压保护原则分为以下几种：

（1）大直径钻孔卸压是通过在巷道两帮及顶底板打100mm以上钻孔，钻孔周边煤层会在应力的作用下向钻孔移动，进而会使钻孔周边煤层积聚的能量缓慢释放出来，达到解除冲击危险的目的。

（2）从改变煤层顶板老顶及周围煤体的物理机械特性入手，在两巷顶部及煤体中进行高压及静压注水，以软化煤层顶板岩体及改变煤体物理性质，以达到缓解应力集中，转移释放压力，减缓矿压显现的目的。

（3）煤体卸压爆破是对已形成冲击危险的煤体，用爆破方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。卸压爆破在煤体中产生大量裂隙，使煤体的力学性质发生变化，弹性模量减小，强度降低，弹性能减少，破坏了冲击矿压发生的强度条件和能量条件。

上述强矿压解危方式在垂直应力大于水平应力的煤矿中作用明显，但对于水平应力大于垂直应力的情况并不适用，在某煤矿开采过程中底鼓十分严重，而如“一种微型碎石管注桩治理软岩”（专利号：CN101886545B）等治理底鼓的方法对强矿压条件还有所欠缺。

针对某矿区水平应力远大于垂直应力的情况，提出了定向解危的方法，采用大直径钻孔和钻孔爆破分别形成“楔形体”的结构解危和裂隙解危，在水平应力大于垂直应力的矿区可以起到良好的解危效果。

发明内容

某些水平应力大于垂直应力的煤田，在强矿压的显现中，水平应力占主导作用。在水平应力作用下，底鼓现象十分明显，而已有的解危措施多注重巷帮和顶板，对底板的重视不够，在这种情况下应重点考虑底板如何卸压。

本发明在巷道横截面打卸压孔以形成楔形体；在底板两侧进行深孔爆破以形成底板裂隙区；在巷道纵向采用密集布孔、卸压的手段形成巷道弹簧结构。具体参数如下：

侧压系数大于1.5的情况下取钻孔角度为45°，钻孔直径为65mm及以上，孔深15～10m，以穿过煤层为宜；底板中心大直径钻孔为100mm或以上，孔深10～15m。封孔用速凝水泥，长度不小于6m，一次爆破不多于2个孔，不耦合装药，不耦合系数为2.0，每孔装药20kg，孔内串联，孔外并联。

如图1所示，当水平应力来临的时候，会在巷帮钻孔上分解为沿着钻孔向上的力和垂直钻孔向下的力，巷道两侧底板的水平应力的垂直分量会挤压底板使之向下运动，进而会减弱“底鼓”的产生和发展；同时在强矿压显现较频繁的情况下可以在两侧钻孔实施底部深孔卸压爆破(如图所示)，爆破之后会在底板产生裂隙区，可以有效隔断底板应力的传播。

从图2中可以看出，巷道中每隔30m设置一个破碎带，破碎带由5组钻孔组成，其中3组为爆破孔，爆破孔和卸压孔间隔布置。破碎带起到“弹簧体”的作用，吸收来自巷道底板的水平应力所带来的能量。从整个巷道来看，众多“弹簧体”串联在一起，有足够的结构和空间来吸收水平应力，从根本上解决巷道“底鼓”现象。

附图说明

图1为巷道底板横截面受力分析简图，对称分布，A为巷道中心，σ_h为底板方向垂直应力，巷道底板两侧钻孔垂直倾角为α。

图2沿巷道走向形成弹簧体示意图。

图3底板卸压爆破示意图，对称分布，A为巷道中心，在巷道中间打一大直径钻孔作为两侧爆破孔的临空面，σ_h为底板方向垂直应力，巷道底板两侧钻孔底部装条形炸药药卷，起爆后形成爆破裂隙区。

图4底板深孔爆破钻孔布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并配合附图，对本发明进一步详细说明。

首先，从原理上对巷道受力进行分析

（1）巷道横截面

下面具体分析楔形体受力情况，对巷道受力简化为如图1所示，此时在巷道两边角上倾斜打直径若干的钻孔，取巷道横截面分析。

此时，垂直方向受力平衡，有

$(a+2b){\mathrm{\σ}}_h=2b\×\frac{m}{2}{\mathrm{\σ}}_h---\left(1\right)$

一般的，围岩内部最高应力为原岩应力的3倍，则m近似取3，由上式可以得到a=b，忽略底板高度内垂直应力的增加值，认为两者相等是合理的。

此时上图算例中尺寸效应减小到最大，可以用应力来表示力，则A点弯矩：

$M_A=-\frac{3}{2}{\mathrm{\σ}}_h\×\frac{3}{4}+{\mathrm{n\σ}}_h\×\frac{1}{2}+\frac{3}{2}{\mathrm{\σ}}_h\×(\frac{2}{3}+\frac{1}{2})=\frac{(5+4n){\mathrm{\σ}}_h}{8}---\left(2\right)$

方向为负，巷道底板上凸。

两个倾斜角度为α的钻孔与底板一起形成“楔形体”，则楔形体在垂直方向上受力平衡，有

F_y+f=F_h（3）

式中：F_y为楔形体两侧压力在垂直方向上的分量，f为楔形体两侧摩擦力在垂直方向上的分量，F_h为楔形体底部向上的垂直压力。

$F_y=2(\frac{3}{2}{\mathrm{\σ}}_h\sin \mathrm{\α}+{\mathrm{n\σ}}_h\cos \mathrm{\α})\sin \mathrm{\α}---\left(4\right)$

f=3σ_hcos²α-2nσ_hsinαcosα（5）

从式（5）可以看出，在工程设计中可以认为摩擦力有三个变量，即钻孔角度α、侧压力系数n和垂直应力σ_h，其中钻孔角度为现场可控因素。可以看出，当n取为1.5时，f小于零的α需要钻孔角度应大于45°。通过分析发现钻孔角度最小值随着侧压系数的增大而减小，已知某煤田实测侧压系数为1.6～1.7之间，综合考虑某煤田矿区实际和施工方便，建议钻孔角度取为45°。

当钻孔角度为45°时，则楔形体两侧压力为

$\frac{1}{\sqrt{2}}(\frac{3}{2}{\mathrm{\σ}}_h+{\mathrm{n\σ}}_h)---\left(6\right)$

摩擦力为

$f=(\frac{3}{2}-n){\mathrm{\σ}}_h---\left(7\right)$

当侧压系数时，摩擦力方向向上，这表示楔形体整体运动趋势为向下运动，巷道底板底鼓现象可以得到有效遏制。

当冲击危险性较大的时候，可以在上述楔形体形成之后，在巷道两侧钻孔内部实行深孔卸压爆破（如图3所示），会在结构底部形成爆破裂隙区，削弱乃至截断底板深部传来的应力，下面计算并验证爆破裂隙区的范围。

解危爆破采用不耦合装药，此时岩体中的透射冲击波压力为

$P=\frac{1}{2}{K}^{-2\mathrm{\γ}}{l}_e{\mathrm{nP}}_H---\left(8\right)$

$P_H=\frac{1}{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{\ρ}}_0{D}^2---\left(9\right)$

式中：P为透射入岩体中冲击波初始压力，MPa；K为不耦合系数；l_e为装药轴向系数；n为爆炸产物对孔壁的压力增大系数，一般取10；P_H为炸药的爆轰压，MPa；ρ₀为炸药的密度，kg/m³；D为岩体中的炸药爆速，m/s；γ为爆轰产物绝热膨胀系数，通常取3。

围岩动态抗压强度

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cd}}={\mathrm{\σ}}_c{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{\frac{1}{3}}---\left(10\right)$

式中，σ_c为岩石的单轴静态抗压强度，MPa；为加载应变率，工程爆破时，岩石的加载率一般在10⁰～10⁵s^-1之间。

围岩裂隙产生取决于围岩动态抗拉强度，一般认为，岩石的动态抗拉强度受荷载加载速率影响较小，也即认为岩石动态抗拉强度约等于其静态抗拉强度。

所以有，压缩区范围

$R_1={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{D}^2{\mathrm{nK}}^{-2\mathrm{\γ}}{l}_{e}B}{8\sqrt{2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cd}}}\right)}^{\frac{1-{\mathrm{\μ}}_d}{2-{\mathrm{\μ}}_d}}{r}_b---\left(11\right)$

裂隙区范围

$R_2={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cd}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{th}}}\right)}^{\frac{1-{\mathrm{\μ}}_d}{2-{3\mathrm{\μ}}_d}}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{D}^2{\mathrm{nK}}^{-2\mathrm{\γ}}{l}_{e}B}{8\sqrt{2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cd}}}\right)}^{\frac{1-{\mathrm{\μ}}_d}{2-{\mathrm{\μ}}_d}}{r}_b---\left(12\right)$

式中，

$B={[{(1+\frac{{\mathrm{\μ}}_d}{1-{\mathrm{\μ}}_d})}^2-{2\mathrm{\μ}}_d{(1-\frac{{\mathrm{\μ}}_d}{1-{\mathrm{\μ}}_d})}^2(1-{\mathrm{\μ}}_d)+1+{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_d}{1-{\mathrm{\μ}}_d}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(13\right)$

σ_r为岩体中径向应力，MPa；σ_θ为岩体中切向应力，MPa；r为药包半径，m；r_b为炮孔半径，m；μ_d为岩石动泊松比，一般取为0.8μ。

结合某煤田资料，泊松比μ为0.36，抗压强度σ_c为11.47MPa，取爆破加载速度为最小值10⁰s^-1，动态抗拉强度σ_th为0.45MPa，爆速D为3600m/s，不耦合系数K取2.0，炮孔直径r_b为65mm。

计算压缩区范围R₁为1.74m，裂隙区范围R₂为21.3m，以爆破孔深度20m计，裂隙区足以贯通，可以形成应力软化的爆破裂隙区。

另外，为保证裂隙区的顺利产生，在底板中央打一大直径钻孔来作为两侧爆破的临空面，可以有效促使裂隙在整个底板中间产生，从而保证裂隙区域足够大，能够有效减弱底板深部传来的能量。

（2）巷道纵向

沿巷道走向上，每隔30m设置一个5m的破碎带，破碎带起到“弹簧体”的作用。从整个巷道来看，众多“弹簧体”串联在一起，有足够的结构和空间来吸收水平应力，从根本上解决巷道“底鼓”现象。

每个破碎带由5组间隔1m的钻孔组成，其中3组为爆破孔，孔底装药；2组为普通钻孔，起爆破临空面的作用。由式（11）分析，爆破产生的压缩区范围为1.74m，则破碎带底板整个破碎贯通。可以吸收来自底板煤体的能量，同时使整个巷道形成间断性的弱结构，使沿巷道走向方向的应力分量得到释放，对类似水平应力大于垂直应力的煤田可以起到很好的卸压保护效果。

对某矿区强矿压巷道进行解危卸压措施，因地制宜制订不同的解危卸压方案，并在实施当中不断进行调整。除了常规的大直径钻孔卸压、煤层注水和卸压爆破等措施外，还针对某矿区水平地应力远大于垂直应力的情况提出了定向解危方法。

（1）横向卸压。

在两顺槽底板沿工作面推进方向每5米布置三个深孔，其中两侧巷帮底角各1个，孔径65mm，孔深20m，底板在距离实煤体2～2.5m处斜80°一个，孔径65mm，孔深15m，封孔用速凝水泥，长度不小于6m，一次爆破不多于2个孔。底板深孔爆破钻孔布置示意图如图4所示。

因为国内外暂时没有对底板卸压爆破形成系统可行的参数，结合某矿实际条件，选取单耗为0.15kg/m³。因此取卸压的孔排距为1m计算，单孔装药量为21.5kg，取为20kg。每孔装药20kg，其中孔底加强装药。孔内串联，孔外并联。

（2）纵向卸压。

在两顺槽底板每隔30m为“破碎区”，在横向卸压的基础上，加密爆破孔排距至1m，6排孔，破碎区长度为5m。按照上述计算的单孔装药量20kg，可以保证此段区域煤体充分破碎，煤体因水平应力而积聚的能量在此区域得到充分释放。整个巷道的卸压区在水平应力条件下形成类似弹簧的机构，可以有效减小水平应力的集中，有效避免“底鼓”现象的产生。

爆破顺序从工作面侧开始沿巷道向外进行，以便使高应力区域向外转移，远离工作面，卸压爆破后要用钻屑法再次检查卸压效果，如果卸压爆破范围钻屑量监测数值仍超过临界值或在钻进过程中仍有动力现象，则应进行第二次爆破，直至解除强矿压危险为止。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种煤矿强矿压巷道定向解危方法，其特征在于，采用横向卸压和纵向卸压相结合的方式进行，其中，该横向指巷道横截面方向，该纵向指沿巷道走向，所述横向卸压是在巷道横截面上通过底板两角的卸压孔形成楔形体以应对横向水平应力，并在两侧钻孔底部进行深孔爆破形成裂隙区来隔绝底板深部传来的应力；所述纵向卸压是在巷道走向上通过疏密结合的众多破碎带来吸收来自沿巷道走向上的水平应力。

2.根据权利要求1所述的定向解危方法，其特征在于，

所述横向卸压的具体参数设置如下：

当侧压系数大于1.5时，取钻孔角度为45°，钻孔直径为65mm及以上，孔深15～20m；底板中心大直径钻孔为100mm或以上的直径，孔深10～15m。

3.根据权利要求2所述的定向解危方法，其特征在于，

用速凝水泥封孔，长度不小于6m，一次爆破不多于2个孔，不耦合装药，不耦合系数为2.0，每孔装药20kg，孔内串联，孔外并联。

4.根据权利要求1所述的定向解危方法，其特征在于，

所述纵向卸压的具体参数设置如下：

巷道中每隔30m设置一个破碎带，所述破碎带由5组钻孔组成，其中3组为爆破孔，爆破孔和卸压孔间隔布置。