CN106528963A - 一种卸压钻孔间排距的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卸压钻孔间排距的设计方法，该方法分为三个步骤：设计卸压钻孔间排距前首先需要评估卸压地点的应力环境，计算工作面(巷道)围岩支承压力峰值σ_p及其位置L_p；选取L_p处围岩作为分析对象，采用修正后的围岩弹塑性解析解计算钻孔塑性区半径r_p，以r_p作为评价钻孔单孔作用范围的指标，确定钻孔最大间排距为R≤2r_p；同时，采用弹塑性解析解计算钻孔切向应力σ_θ的演化曲线，取邻近钻孔切向应力曲线相交点的应力为σ_m，以试验地点原岩应力σ₀为评价指标，确定钻孔最小间排距R的条件为σ_m≥σ₀。该方法操作简单，实用性强，可有效提高卸压钻孔间排距设计的准确性，降低钻孔工程量，可应用于高应力巷道卸压、冲击地压防治与高瓦斯煤层增透等领域。

Description

一种卸压钻孔间排距的设计方法

技术领域

本发明属于煤矿开采领域，涉及一种卸压钻孔间排距的设计方法，可扩展应用于高应力巷道卸压、冲击地压防治与高瓦斯煤层增透等领域。

背景技术

目前，钻孔卸压技术主要应用于冲击地压防治、高瓦斯煤层增透及高应力巷道应力等工程中，虽然在各类工程中的作用不尽相同，但原理上存在较大的相似度。如对于冲击地压的防治，主要是通过在煤岩层中人为施工大孔径卸压钻孔，利用钻孔的变形破坏，释放聚集在煤岩体内部的弹性变性能，消除或减缓冲击地压危险性；在高瓦斯煤层中，通过布置密集卸压钻孔增加煤体破碎程度，进而增加煤层透气性，提高瓦斯抽采效率；而对于高应力巷道，卸压钻孔可在围岩内部形成一个弱化区，释放应力的同时，将围岩周边高应力向深部稳定围岩中转移，改善巷道应力环境，并为围岩膨胀变形提供有效的补偿空间，达到减小巷道变形的目的。在现场工程应用中，影响卸压钻孔工况效果的最主要因素之一为钻孔间排距。目前，确定卸压钻孔间排距时主要以经验类比法和经验公式法，上述两种确定方法均以依赖经验成分居多，导致设计的卸压钻孔间排距存在较大误差，间排距过大起不到卸压效果，间排距过小不利于维护煤岩体的稳定，且增加了钻孔工程量，因此，提出一种合理的卸压钻孔间排距设计方法对充分发挥钻孔卸压效果具有重要的意义。本发明提供一种卸压钻孔间排距的设计方法，不仅操作简单，实用性强，同时有效提高卸压钻孔间排距设计的准确性，显著降低钻孔工程量。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的缺陷，即设计的卸压钻孔间排距存在较大误差，间排距过大起不到卸压效果，间排距过小不利于维护煤岩体的稳定，且增加了钻孔工程量，从而提供一种有效的卸压钻孔间排距的确定方法，提高卸压钻孔间排距设计的准确性，降低钻孔工程量。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：

一种卸压钻孔间排距的设计方法，其特征在于该方法分为三个步骤：首先，设计卸压钻孔间排距之前首先需要评估卸压地点的应力环境，计算工作面(巷道)围岩支承压力峰值σ_p及其位置L_p；其次，选取L_p处的围岩作为分析对象，采用修正后的围岩弹塑性解析解计算卸压钻孔塑性区扩展半径r_p，计算时钻孔围岩应力边界取值为工作面(巷道)围岩支承压力峰值σ_p，以r_p作为评价钻孔单孔作用范围的指标，确定卸压钻孔的最大间排距为R≤2r_p；最后，采用围岩弹塑性解析解计算钻孔切向应力σ_θ的演化曲线，取相邻两钻孔切向应力曲线相交点的应力为σ_m，以试验地点原岩应力p为评价指标，确定钻孔最小间排距R的条件为σ_m≥p。

进一步，工作面和巷道围岩支承压力峰值σ_p和峰值位置L_p的计算方法如下式(1)(2)和(3)(4)所示：

①工作面

式中，m为工作面采高，m；A为侧压系数；为煤体内摩擦角，(°)；c为煤体内聚力，MPa；k为应力集中系数；γ为上覆岩层平均体积力，MN/m³；h为工作面埋深，m；P_x为工作面煤帮支护阻力，MPa。

②巷道

其中：

式中：为煤岩体内摩擦角，(°)；c为煤岩体内聚力，MPa；r为巷道围岩任意点的半径，m；r_p为塑性区半径，m；p为原岩应力，MPa；α为煤岩体塑性扩容系数；K为煤岩体峰后应变软化曲线斜率；r₀为巷道半径，m；为煤岩体残余内摩擦角，(°)；c^*为煤岩体残余内聚力，MPa；P₀为巷道支护反力，MPa；G为岩体剪切弹性模量，GPa。

进一步，采用修正后的围岩弹塑性解析解计算卸压钻孔塑性区扩展半径r_p时，采用式(4)计算，计算时钻孔围岩应力边界取值为工作面(巷道)围岩支承压力峰值σ_p，将计算得出的单孔塑性区扩展半径r_p作为评价钻孔单孔作用范围的指标，由此确定设计卸压钻孔的最大间排距为R≤2r_p，此时邻近卸压钻孔切向应力分布曲线将以单峰形式存在。

进一步，采用围岩弹塑性解析解计算钻孔切向应力σ_θ的演化曲线时，采用式(3)计算，以巷道围岩任意点的半径r为自变量，绘制卸压钻孔切向应力σ_θ的演化曲线；同时，在钻孔间排距R≤2r_p条件的限制下，邻近钻孔切向应力分布曲线以单峰形式存在，且随着钻孔间排距的进一步减小，邻近钻孔切向应力曲线相交点的应力σ_m将逐渐减小，此时，以试验地点原岩应力p为评价指标，确定卸压钻孔最小间排距R的条件为σ_m≥p。

本发明的有益效果：

此种卸压钻孔设计方法以理论计算为基础提出的，设计过程中省略了数值模拟与实验室试验等众多繁琐缓解，且理论计算式设计参数较少，仅需获取卸压地点煤岩体一些基本物理力学参数即可完成卸压钻孔间排距的设计，同时，确定卸压钻孔间排距的评价指标少而简单，应用性较强，可在高应力巷道卸压、冲击地压防治与高瓦斯煤层增透等领域推广应用，由该方法设计的卸压钻孔间排距亦可保证在较少的钻孔工程量条件下最大限度发挥卸压钻孔工效，提高卸压钻孔间排距设计的准确性。

附图说明

图1为工作面围岩支承压力分布示意图。

图2为巷道围岩支承压力分布示意图。

图3为间排距R＞2r_p下邻近孔间支承应力分布示意图。

图4为间排距R＝2r_p下邻近孔间支承应力分布示意图。

图5为间排距R＜2r_p(σm≥p)下邻近孔间支承应力分布示意图。

图6为间排距R＜2r_p(σm＜p)下邻近孔间支承应力分布示意图。

具体实施方式

参照图1～6对本发明进行说明，一种卸压钻孔间排距的设计方法，该方法分为三个步骤：

(S1)煤矿卸压钻孔应用场所一般位于工作面与巷道及其邻近位置，在设计卸压钻孔间排距前首先需要评估卸压地点的应力环境，计算工作面或巷道围岩支承压力峰值σ_p及其位置L_p。对于工作面围岩支承压力峰值σ_p及其位置L_p的计算方法如式(1)和(2)所示，根据工作面采高m、侧压系数A、煤体内摩擦角煤体内聚力c、应力集中系数k、上覆岩层平均体积力γ、工作面埋深h、工作面煤帮支护阻力P_x等指标，即可计算得到工作面采空区边缘围岩支承压力峰值σ_p及其位置L_p。对于巷道围岩支承压力峰值σ_p及其位置L_p的计算方法如式(3)和(4)所示，根据煤岩体内摩擦角煤岩体内聚力c、塑性区半径r_p、原岩应力p、为煤岩体塑性扩容系数α、煤岩体峰后应变软化曲线斜率K、为巷道半径r₀、为煤岩体残余内摩擦角煤岩体残余内聚力c^*、巷道支护反力P₀、岩体剪切弹性模量G等指标，即可计算得到巷道围岩支承压力峰值σ_p及其位置L_p；

工作面和巷道围岩支承压力峰值σ_p和峰值位置L_p的计算方法如下式(1)(2)和(3)(4)所示：

①工作面

式中，m为工作面采高，m；A为侧压系数；为煤体内摩擦角，(°)；c为煤体内聚力，MPa；k为应力集中系数；γ为上覆岩层平均体积力，MN/m³；h为工作面埋深，m；P_x为工作面煤帮支护阻力，MPa。

②巷道

其中：

式中：为煤岩体内摩擦角，(°)；c为煤岩体内聚力，MPa；r为巷道围岩任意点的半径，m；r_p为塑性区半径，m；p为原岩应力，MPa；α为煤岩体塑性扩容系数；K为煤岩体峰后应变软化曲线斜率；r₀为巷道半径，m；为煤岩体残余内摩擦角，(°)；c^*为煤岩体残余内聚力，MPa；P₀为巷道支护反力，MPa；G为岩体剪切弹性模量，GPa。

(S2)选取工作面或巷道围岩支承应力峰值位置L_p处的围岩作为分析对象，采用修正后的围岩弹塑性解析解(式4)计算卸压钻孔塑性区扩展半径r_p，计算时钻孔围岩应力边界取值为工作面(巷道)围岩支承压力峰值σ_p，将计算得出的单孔塑性区扩展半径r_p作为评价钻孔单孔作用范围的指标，由此确定设计卸压钻孔的最大间排距为R≤2r_p，此时邻近卸压钻孔切向应力分布曲线将以单峰形式存在，对应图4所示的应力状态；图3所示的应力状态显示，邻近钻孔单孔作用范围并未叠加，说明此时卸压钻孔间排距过大，卸压效果不好，不可取。

(S3)当卸压钻孔间排距的减小至一定程度后，将会对围岩强度产生损伤，导致卸压过度,设计卸压钻孔最小间排距时，首先采用围岩弹塑性解析解(式3)计算钻孔切向应力σ_θ的演化曲线，定义相邻两钻孔切向应力曲线相交点的应力为σ_m，同时以试验地点原岩应力p为评价指标，确定钻孔最小间排距R的条件为σ_m≥p，对应图5所示的应力状态；图6所示的应力状态显示，邻近钻孔切向应力曲线相交点的应力为σ_m已小于原岩应力p，此时将对围岩整体强度造成损伤，围岩处于过度卸压状态，同样不可取。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种卸压钻孔间排距的设计方法，其特征在于，该方法分为三个步骤：

a.评估卸压地点的应力环境，计算工作面(巷道)围岩支承压力峰值σ_p及其位置L_p；

b.选取L_p处的围岩作为分析对象，采用修正后的围岩弹塑性解析解计算卸压钻孔塑性区扩展半径r_p，计算时钻孔围岩应力边界取值为工作面(巷道)围岩支承压力峰值σ_p，以r_p作为评价钻孔单孔作用范围的指标，确定卸压钻孔的最大间排距为R≤2r_p；

c.采用围岩弹塑性解析解计算钻孔切向应力σ_θ的演化曲线，取相邻两钻孔切向应力曲线相交点的应力为σ_m，以试验地点原岩应力p为评价指标，确定钻孔最小间排距R的条件为σ_m≥p。

2.如权利要求1所述的一种卸压钻孔间排距的设计方法，其特征在于，步骤a所述的工作面和巷道围岩支承压力峰值σ_p和峰值位置L_p的计算方法如下式所示：

①工作面

式中，m为工作面采高，m；A为侧压系数；为煤体内摩擦角，(°)；c为煤体内聚力，MPa；k为应力集中系数；γ为上覆岩层平均体积力，MN/m³；h为工作面埋深，m；P_x为工作面煤帮支护阻力，MPa。

②巷道

其中：

$M_2={\[\frac{{\mathrm{KB}}_0}{M_1(\mathrm{\α}-1)+{\mathrm{KB}}_0}\]}^{\frac{1}{\mathrm{\α}+1}}$

式中：为煤岩体内摩擦角，(°)；c为煤岩体内聚力，MPa；r为巷道围岩任意点的半径，m；r_p为塑性区半径，m；p为原岩应力，MPa；α为煤岩体塑性扩容系数；K为煤岩体峰后应变软化曲线斜率；r₀为巷道半径，m；为煤岩体残余内摩擦角，(°)；c^*为煤岩体残余内聚力，MPa；P₀为巷道支护反力，MPa；G为岩体剪切弹性模量，GPa。

3.如权利要求2所述的一种卸压钻孔间排距的设计方法，其特征在于，步骤b所述的采用修正后的围岩弹塑性解析解计算卸压钻孔塑性区扩展半径r_p时，采用巷道塑性区扩展半径r_p的表达式计算，计算时钻孔围岩应力边界取值为工作面(巷道)围岩支承压力峰值σ_p，将计算得出的单孔塑性区扩展半径r_p作为评价钻孔单孔作用范围的指标，由此确定设计卸压钻孔的最大间排距为R≤2r_p，此时邻近卸压钻孔切向应力分布曲线将以单峰形式存在。

4.如权利要求3所述的一种卸压钻孔间排距的设计方法，其特征在于，步骤c所述的采用围岩弹塑性解析解计算钻孔切向应力σ_θ的演化曲线时，采用巷道围岩切向应力σ_p的表达式计算，以巷道围岩任意点的半径r为自变量，绘制卸压钻孔切向应力σ_θ的演化曲线；同时，在钻孔间排距R≤2r_p条件的限制下，邻近钻孔切向应力分布曲线以单峰形式存在，且随着钻孔间排距的进一步减小，邻近钻孔切向应力曲线相交点的应力σ_m将逐渐减小，此时，以试验地点原岩应力p为评价指标，确定卸压钻孔最小间排距R的条件为σ_m≥p。