CN108915686A - 一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤巷冲击危险区钻孔轴‑径双向卸压方法，在巷道帮部围岩锚固范围内采用小直径钻孔钻入，并在围岩深部弹性区形成多个径向扩孔卸压带，这样轴‑径双向卸压方法不仅能够有效的降低巷道围岩的应力集中程度，阻隔深部煤体对浅部煤体产生的能量输入，降低巷道冲击危险程度，同时减小了钻孔卸压对巷道帮部围岩锚杆区的破坏，较大程度上保证了巷道钻孔卸压范围内围岩的整体承载能力。施工完成后，会在巷道帮部围岩锚固区以外形成多个径向卸压带，多重径向卸压带的存在能够吸收巷道围岩内部煤体的冲击能量及变形，有效阻止深部煤体对浅部煤体的应力与能量传递，可以有效的避免冲击地压灾害的发生。钻孔轴‑径双向卸压方法操作简单，一次成孔，大大提高了钻孔径向扩孔的施工速度，提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于冲击地压防治技术领域，特别是涉及深部煤矿开采时巷道冲击地压灾害的防治方法，具体为一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法。
背景技术
近年来，随着我国煤炭资源需求量及开采强度的增加，许多矿区已相继转入深部开采阶段。而深部复杂地质条件和力学环境，使得开挖后煤岩体工程响应特征发生根本性变化。开采范围的扩大与开采边界条件的复杂化，使得煤炭开采过程中，冲击地压灾害越来越严重，严重制约了我国深部煤炭资源的安全高效生产。
目前冲击地压灾害防治手段，主要采用钻孔卸压和爆破卸压，但爆破卸压在现场实施过程中，爆破产生的震动波易诱发其它区域发生冲击地压，具有一定的危险性，一般在钻孔卸压无法达到预期效果时，才考虑采用爆破卸压。故在冲击危险区域，优先采用钻孔卸压进行灾害治理。目前，钻孔卸压常用钻孔直径为110mm-150mm，在冲击危险较严重区域，往往需要在巷道帮部施工较大密度的卸压钻孔(钻孔间距<1m，甚至更小)才能起到降低冲击危险的作用，但是密集的钻孔卸压极大的破坏了巷道表面围岩的完整性，导致巷道服务期间变形破坏严重，维护困难。
在现有的技术中，“一种巷道卸压结构、制作方法及其扩孔装置”公开了一种新的巷道卸压结构、制作方法及其扩孔装置，所述巷道卸压结构包括巷道、松动圈和压力区，还包括位于松动圈内的第一卸压孔和位于压力区内的第二卸压孔，卸压孔被设置为互相连通的两部分，第一卸压孔的直径小于第二卸压孔的宽度，这样既满足了压力区比松动圈需要释放的应力大的需求，又能够使压力区达到卸压需求的同时松动圈中的卸压孔密度不至于太大，保证松动圈的强度足以支撑其土层压力。
上述发明虽然解决了特定的问题，但是仍具有较大的局限性。位于压力区内的第二卸压孔由于宽度较小，如果轴向长度过小，不能达到卸压目的，如果轴向长度过大，虽然能够使压力区达到卸压需求，但改变了巷道周围松动圈，影响到了巷道塑性区范围以及塑性区内应力大小，使得需要更大的巷道支护强度来维持巷道稳定性；其次卸压钻孔操作步骤过于繁琐，需在同一位置进行二次打孔操作，严重影响钻孔卸压施工速度。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，可以实现对巷道围岩的轴-径双向分段卸压，减小了冲击危险巷道高密度钻孔卸压对巷帮浅部锚固区破坏，并解决了卸压钻孔一次成孔的难题，显著提高了卸压钻孔的施工效率。
为实现本发明的上述目的，发明的一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法包括如下顺序进行的步骤：
步骤1)在具有冲击危险的煤层巷道中，在巷帮锚杆排距中心线位置上，采用直径为 钻头，距底板1.2m，施工钻屑法监测孔，根据临界煤粉量指标判断该监测区域是否具有冲击危险；
步骤2)根据巷道高度或煤层开采厚度，按照行业规程和专家经验，取不小于3.5倍巷道高度或煤层开采厚度为巷道帮部钻孔卸压范围；
步骤3)在钻屑法监测到的冲击危险区域采用扩孔钻头对煤帮进行轴向钻孔卸压，卸压钻孔为单排布置，钻孔距巷道底板高度为1.5m，间距取2.0-3.0m，钻孔直径取150mm，施工钻孔至初次径向扩孔位置，初次扩孔位置需根据巷道帮部塑性区范围和锚杆支护深度综合确定；
步骤4)钻孔至初次扩孔位置后，利用扩孔钻头刀翼展开一定角度，在初次扩孔部位进行旋转扩孔，扩孔直径800mm，形成第一个径向卸压带，径向钻孔轴向宽度不小于300mm，初次扩孔结束后，缓慢后退钻具，刀翼依靠未钻孔处直径限制自动收拢，刀翼收拢后钻头直径恢复至150mm；
步骤5)刀翼收拢后，继续进行小直径轴向卸压钻孔的钻进施工至第二次径向扩孔位置，再重复上一步操作，完成第二个径向卸压带施工；
步骤6)重复上述步骤4)和步骤5)进行第三个、第四个、…、第n个径向卸压带扩孔实施，直至到达设计卸压深度，至此整个钻孔轴-径双向卸压施工过程完成。
所述的初次扩孔位置由理论计算得出，理论计算具体如下式：
L＝max{R,l锚}+lk
式中：R为塑性区半径；r为巷道半径；p为原岩应力；pi为支护阻力；为围岩内摩擦角；C为围岩的黏聚力；l锚为巷道帮部锚杆锚固深度；lk为初次扩孔位置距塑性区边界距离，一般取值不小于1m。
所述扩孔钻头端头两侧皆有可以展开的刀翼，钻具内部有高压水路通过钻杆进入钻头，然后由刀翼喷嘴喷射出去，形成刀翼对地层向上、向外压力，结合下压钻具的方法，使刀翼展开。
所述的扩孔钻头扩孔钻头本体直径为150mm，端头刀翼完全展开后钻头直径可达到 800mm。
所述的径向卸压带由扩孔钻头扩孔形成，扩孔后钻孔具有径向长度大，轴向长度小的特点，扩孔形成的径向破碎带不会对巷道塑性区范围造成太大影响，有利于巷道的稳定。
所述的多个卸压带之间的距离根据巷道围岩的冲击危险程度确定，一般取2-4m。
与现有技术相比，本发明的一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法具有如下有益效果：
(1)研究表明，诱发巷道围岩发生冲击地压的弹性应变能主要源自深部围岩对浅部围岩做功产生的能量输入。本发明的施工完成后，会在巷道帮部围岩锚固区以外形成多个径向卸压带，多重径向卸压带的存在能够吸收巷道围岩内部煤体的冲击能量及变形，有效阻止深部煤体对浅部煤体的应力与能量传递，可以有效的避免冲击地压灾害的发生。
(2)本发明在巷道帮部围岩锚固范围内采用小直径钻孔钻入，并在围岩深部弹性区形成多个径向扩孔卸压带，这样轴-径双向卸压方法不仅能够有效的降低巷道围岩的应力集中程度，阻隔深部煤体对浅部煤体产生的能量输入，降低巷道冲击危险程度，同时减小了钻孔卸压对巷道帮部围岩锚杆区的破坏，较大程度上保证了巷道钻孔卸压范围内围岩的整体承载能力。。
(3)钻孔轴-径双向卸压方法操作简单，一次成孔，大大提高了钻孔径向扩孔的施工速度，提高了工作效率。
(4)理论分析结合钻屑法监测，确定巷道周围应力集中位置，进行针对性卸压。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明钻孔至初次扩孔部位示意图。
图2是本发明扩孔钻头刀翼未完全展开示意图。
图3是本发明扩孔钻头刀翼完全展开示意图。
图4是本发明初次扩孔完毕示意图。
图5是本发明钻孔轴-径双向卸压施工完成示意图。
图中：1-巷道，11-锚杆，2-钻杆，3-扩孔钻头，31-高压水，4-轴向钻孔，5-径向钻孔
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述：
如图1、2、3、4、5所示，某矿3303工作面所在煤层具有冲击倾向性，该工作面回风顺槽断面长4500mm，高3900mm，锚杆11长度为2400mm，卸压保护带宽度一般不小于3.5 倍巷道1高度，故卸压钻孔设计深度为15m，当煤粉监测钻孔确定有冲击危险时，确定低应力区位置，从低应力区开始施工钻孔轴-径双向卸压。
一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法施工工艺流程如下：
(1)在巷帮锚杆11排距中心线位置上，采用直径为钻头，距底板1.2m，施工钻屑法监测孔，根据临界煤粉量指标判断该监测区域是否具有冲击危险；
(2)在钻屑法监测到的冲击危险区域采用扩孔钻头3对煤帮进行轴向钻孔4卸压，卸压钻孔为单排布置，钻孔距巷道1底板高度为1.5m，间距取2.0-3.0m，扩孔钻头本体直径为 150mm，施工钻孔至初次径向扩孔位置，初次扩孔位置需根据巷道帮部塑性区范围和锚杆支护深度综合确定；
(3)带入相关参数，根据巷道1帮部塑性区范围和锚杆支护深度综合分析，确定初次扩孔位置为5m，如图1所示；轴向钻孔4钻至5m后，停止钻进，将高压水31由刀翼的喷嘴喷去，形成前期刀翼对内部煤体向外压力，使刀翼展开一定角度，如图2所示；钻头边钻边旋转，随后结合轴向加压钻具的方法，使刀翼完全展开，进行旋转扩孔，径向钻孔5扩孔直径800mm，形成第一个径向卸压带，卸压带宽度不小于300mm，如图3所示；初次扩孔结束后，停止钻进，缓慢后退钻具，刀翼依靠未钻孔处直径限制自动收拢，刀翼收拢后钻头直径恢复至150mm，如图4所示；
(4)刀翼收拢后钻头直径恢复至150mm，继续进行小直径轴向卸压钻孔的钻进施工至第二次径向扩孔位置后，重复上述(3)中的操作，完成第二个径向卸压带施工；
(5)重复上述(3)、(4)中钻孔过程，进行第3个、第4个径向卸压带扩孔实施，直至到达设计卸压深度，至此整个钻孔轴-径双向卸压施工过程完成，如图5所示。
本发明不仅仅局限于本实施方式，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应含在本发明的保护范围之内。
通过本发明的方法，在巷道帮部围岩锚固范围内采用小直径钻孔钻入，并在围岩深部弹性区形成多个径向扩孔卸压带，这样轴-径双向卸压方法不仅能够有效的降低巷道围岩的应力集中程度，阻隔深部煤体对浅部煤体产生的能量输入，降低巷道冲击危险程度，同时减小了钻孔卸压对巷道帮部围岩锚杆区的破坏，较大程度上保证了巷道钻孔卸压范围内围岩的整体承载能力。
Claims (8)
1.一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，其特征是，包括如下顺序进行的步骤：
步骤1)在具有冲击危险的煤层巷道中，在巷帮锚杆排距中心线位置上，施工钻屑法监测孔，根据临界煤粉量指标判断该监测区域是否具有冲击危险；
步骤2)根据巷道高度或煤层开采厚度，取不小于3.5倍巷道高度或煤层开采厚度为巷道帮部钻孔卸压范围；
步骤3)在钻屑法监测到的冲击危险区域采用扩孔钻头对煤帮进行轴向钻孔卸压，卸压钻孔为单排布置，施工钻孔至初次径向扩孔位置，初次径向扩孔位置需根据巷道帮部塑性区范围和锚杆支护深度综合确定；
步骤4)钻孔至初次扩孔位置后，利用扩孔钻头刀翼展开一定角度，在初次径向扩孔部位进行旋转扩孔，形成第一个径向卸压带，径向钻孔的最大径向长度大于其轴向长度；初次扩孔结束后，缓慢后退钻具，刀翼依靠轴向钻孔处直径限制自动收拢，刀翼收拢后钻头直径恢复原状；
步骤5)继续进行轴向卸压钻孔的钻进施工至第二个径向扩孔位置，再重复步骤4)操作，完成第二个径向卸压带施工；
步骤6)重复上述步骤4)和步骤5)进行第三个、第四个、…、第n个径向卸压带扩孔实施，直至到达设计卸压深度，至此整个钻孔轴-径双向卸压施工过程完成。
2.根据权利要求1所述的一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，其特征是，所述的初次扩孔位置由理论计算得出，理论计算具体如下式：
L＝max{R,l锚}+lk
式中：R为塑性区半径；r为巷道半径；p为原岩应力；pi为支护阻力；为围岩内摩擦角；C为围岩的黏聚力；l锚为巷道帮部锚杆锚固深度；lk为初次扩孔位置距塑性区边界距离，取值不小于1m。
3.根据权利要求1所述的一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，其特征是，步骤1)中采用直径为钻头，距底板1.2m施工钻屑法监测孔。
4.根据权利要求1所述的一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，其特征是，步骤3)中轴向钻孔卸压的钻孔距巷道底板高度为1.5m，间距取2.0-3.0m，钻孔直径为150mm。
5.根据权利要求1所述的一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，其特征是，所述径向钻孔直径800mm，宽度不小于300mm。
6.根据权利要求1所述的一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，其特征是，多个卸压带之间的距离为2～4m，根据巷道围岩的冲击危险程度确定。
7.根据权利要求1所述的一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，其特征是，所述的扩孔钻头端头两侧皆有能够展开的刀翼，钻具内部有高压水路通过钻杆进入钻头，然后由刀翼喷嘴喷射出去，形成刀翼对地层向上、向外压力，结合下压钻具的方法，使刀翼展开。
8.根据权利要求1所述的一种煤巷冲击危险区钻孔轴-径双向卸压方法，其特征是，所述扩孔钻头本体直径为150mm，端头刀翼完全展开后钻头直径为800mm。
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