CN110029996A - 一种煤矿冲击地压防治的护壁式钻孔卸压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤矿冲击地压防治的护壁式钻孔卸压方法，采用小直径穿透钻孔与大直径卸压钻孔相结合的方式，在保护煤巷锚网支护系统的稳定性的前提下实现浅部支承压力卸载和峰值支承压力向深部煤体转移；利用小直径穿透钻孔接近穿透浅部煤壁，减小对浅部煤壁中锚网支护结构的影响，避免煤壁中的锚网支护失效而导致煤壁破坏失稳。在小直径穿透钻孔穿过煤壁支承压力卸压区时，扩大钻孔直径进行大直径钻孔卸载和转移煤壁浅部较高的支承压力。从而不仅有效防止冲击地压，同时能防止回采巷道煤壁发生失稳破坏的情况。

Description

一种煤矿冲击地压防治的护壁式钻孔卸压方法
技术领域
本发明涉及一种钻孔卸压方法，具体是一种煤矿冲击地压防治的护壁式钻孔卸压方法。
背景技术
随着煤矿采深的增加，开采过程中地应力的增高，会使得工作面前方煤岩体发生冲击地压的危险性大幅增加，直接威胁着井下采矿作业人员的生命安全。为了降低发生冲击地压的危险性，目前针对具有冲击地压倾向的煤体，通常采用大直径钻孔(孔径120mm～150mm，钻孔深度15m，孔间距1～3m)进行超前卸压(即通过钻孔后使地应力从前方煤岩体转移)，从而防止工作面前方煤岩体发生冲击地压的情况。然而，如此高密度、大直径的钻孔往往将工作面前方煤壁破坏，使得支护煤壁的锚杆失去稳定的锚固端，锚网支护系统失效(锚杆长度约2.5m，锚固长度≥1.5m，间排距800mm×800mm，配合W钢带、锚带、双向拉伸塑料网等)，最终造成回采巷道煤壁失稳破坏，严重影响工作面的正常生产。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿冲击地压防治的护壁式钻孔卸压方法，能在保证实体煤壁中锚网支护结构稳定性条件下，对工作面前方的实体煤壁进行卸压钻孔，从而不仅有效防止冲击地压，同时能防止回采巷道煤壁发生失稳破坏的情况。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤矿冲击地压防治的护壁式钻孔卸压方法，该方法的具体步骤为：
A、在煤矿工作面前方沿回采巷道一定距离的实体煤壁上，采用钻孔应力计对该处的实体煤壁进行地应力探测，将探测结果结合煤层埋深和地质资料通过数值模拟方法，得出该处实体煤壁内部实体煤的支承压力分布规律并绘制出支承压力分布曲线，然后根据分布曲线确定该处实体煤中支承压力卸压区、峰前增压区、峰后压力区以及原岩应力区的各自分布范围和该范围内的实体煤的支承压力大小；
B、在煤矿工作面对煤岩体进行现场取样，在实验室内对煤岩样进行力学特性测试，测试的力学特性包括单轴抗压强度、三轴抗压强度以及煤岩体强度随围压的变化规律；根据测试结果评估采煤工作面前方实体煤的冲击倾向性，以及钻孔卸压对实体煤的扰动破坏特性；
C、根据步骤A得出的实体煤支承压力卸压区的范围，并结合步骤B得出的煤岩体的力学特性，确定实体煤支承压力卸压区中钻孔对实体煤的扰动破坏作用规律，进而分析得出在保证实体煤中锚网支护结构稳定性条件下的最大钻孔直径和最大钻孔深度，然后根据最大钻孔直径和最大钻孔深度确定穿透支承压力卸压区的钻孔孔径和钻孔深度的取值范围，并在该范围内选取煤壁表面穿透钻孔的钻孔孔径和钻孔深度；
D、根据步骤A得出的实体煤支承峰前增压区和峰后压力区的范围，并结合步骤B得出的煤岩体的力学特性，确定钻孔对该范围内实体煤的支承压力的峰前增压区、峰值支承压力和峰后压力区的卸压作用规律，进而分析得出在防止冲击地压产生的条件下的最小钻孔直径和钻孔深度，然后根据最小钻孔直径和钻孔深度确定在支承峰前增压区和峰后压力区中卸压钻孔的钻孔孔径和钻孔深度的取值范围，并在该范围内选取卸压钻孔的钻孔孔径和钻孔深度；
E、根据步骤C确定的穿透钻孔的钻孔孔径和钻孔深度，采用可变钻头直径的钻机并调节成所需的钻头直径后对实体煤进行穿透钻孔，直至穿透钻孔达到确定的钻孔深度后停止钻进；此时钻头穿透支承压力卸压区达到支承峰前增压区；
F、根据步骤D确定的卸压钻孔的钻孔孔径和钻孔深度，旋转钻头并调整钻头的直径对该处钻孔进行扩孔，直至达到卸压钻孔的钻孔孔径停止钻头直径的调整，然后开始进行钻进，直至达到确定的钻孔深度后停止，将钻头直径恢复后将其从穿透钻孔中取出，完成一次穿透钻孔与卸压钻孔的组合施工；
G、在工作面前方回采巷道的实体煤壁上，每间隔相等距离重复步骤E和F完成一次穿透钻孔与卸压钻孔的组合施工，最终完成护壁式钻孔卸压过程。
进一步，所述卸压钻孔的钻孔孔径和钻孔深度均大于穿透钻孔的钻孔孔径和钻孔深度。
进一步，所述钻头在实体煤中倾斜向上进行钻进，使穿透钻孔与卸压钻孔均和水平面呈一定夹角。
与现有技术相比，本发明采用穿透钻孔和卸压钻孔相结合方式，通过采用不同直径的钻孔，即利用小直径的穿透钻孔和大直径的卸压钻孔，在保护煤巷锚网支护系统的稳定性的前提下实现浅部支承压力卸载和峰值支承压力向深部煤体转移。本发明的关键原理在于锚网支护系统失效主要是由于锚杆失去稳定锚固的实体煤而失效，因此，利用小直径钻孔接近穿透浅部煤壁，减小对浅部煤壁中锚网支护结构的影响，避免煤壁中的锚网支护失效而导致煤壁破坏失稳。在小直径穿透钻孔穿过煤壁支承压力卸压区时，扩大钻孔直径进行大直径钻孔卸载和转移煤壁浅部较高的支承压力。从而不仅有效防止冲击地压，同时能防止回采巷道煤壁发生失稳破坏的情况。
附图说明
图1是煤矿工作面的整体分布示意图；
图2是煤矿工作面前方实体煤中支承压力分布示意图；
图3是本发明进行穿透钻孔时的支承压力分布示意图；
图4是本发明进行卸压钻孔阶段的支承压力分布变化过程图；
图5是本发明采用倾斜钻进进行卸压钻孔阶段的支承压力分布变化过程图。
图中：1、回采巷道，2、工作面，3、上覆岩层，4、实体煤，5、可变钻头直径的钻机，6、支承压力分布曲线，6.1、支承压力卸压区，6.2、峰前支承压力增压区，6.3、峰值支承压力，6.4、峰后支承压力区，6.5、原岩应力区，7、锚网，8、穿透钻孔，9、卸压钻孔。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
以图1的A向为前方进行专利描述，如图1所示，在煤矿工作面前方实体煤4在上覆岩层3及其以上岩层的重力作用和煤、岩体中构造应力的共同作用下形成了工作面前方煤体的应力场，在回采巷道1开挖及工作面贯通两侧的回采巷道后，煤层工作面前方实体煤4中的应力场发生重分布，形成较高的超前支承压力。
如图2所示，工作面前方实体煤4中的支承压力分布曲线6包括支承压力卸压区6.1、峰前支承压力增压区6.2、峰值支承压力6.3、峰后支承压力6.4和原岩应力区6.5。从图中可知，其中峰值支承压力6.3的压力值相比原岩应力区6.5的压力值要高很多，是造成工作面前方实体煤4靠近自由面部分发生冲击地压的主要力学因素。因此，通常沿回采巷道1方向在工作面前方一定距离的回采巷道1(包括进风巷和回风巷)中向实体煤4的煤壁进行大直径钻孔卸压来预防冲击地压的发生。然而由于在回采巷道1的实体煤4中进行大直径钻孔会造成实体煤4的煤壁破碎，使得原支护煤壁的锚网6(包括锚杆和金属网等支护结构)支护失效，从而引发实体煤4的煤壁失稳，直接影响工作面2的正常生产。
如图3和4所示，本发明的具体步骤为：
A、在煤矿工作面2前方沿回采巷道1一定距离的实体煤壁上，采用钻孔应力计对该处的实体煤壁进行地应力探测，将探测结果结合煤层埋深和地质资料通过数值模拟方法，得出该处实体煤壁内部实体煤4的支承压力分布规律并绘制出支承压力分布曲线，然后根据分布曲线确定该处实体煤4中支承压力卸压区6.1、峰前增压区6.2、峰后压力区6.4以及原岩应力区6.5的各自分布范围和该范围内的实体煤4的支承压力大小；上述数值模拟方法为已知数值模拟方法中的一种，如采用FLAC 3D数值模拟软件进行数值模拟；
B、在煤矿工作面2对煤岩体进行现场取样，在实验室内对煤岩样进行力学特性测试，测试的力学特性包括单轴抗压强度、三轴抗压强度以及煤岩体强度随围压的变化规律；根据测试结果评估采煤工作面2前方实体煤4的冲击倾向性，以及钻孔卸压对实体煤4的扰动破坏特性；上述评估冲击倾向性的方法为已知评估方法的一种；如以岩石应力-应变曲线为基础，用岩样中储存的弹性变形能与由于永久变形和碎裂造成的耗损应变能之间的比值WET来定义岩爆倾向性；具体方法为：在单向压缩试验中，将试件加载至峰值强度的80％～90％，然后卸载至零，得到应力-应变曲线，采用下面公式进行计算。然后，根据工作面前方实体煤的应力状态和应力大小在下面公式的基础上乘以影响系数后进行冲击倾向性评估；
式中ΦE-弹性变形能，ΦV-耗损应变能，ΦE，ΦV分别由加卸载应力-应变曲线下的面面积求得；εe-弹性应变，εp-塑性应变，εt-总应变。
C、根据步骤A得出的实体煤4支承压力卸压区6.1的范围，并结合步骤B得出的煤岩体的力学特性，确定实体煤4支承压力卸压区6.1中钻孔对实体煤的扰动破坏作用规律，进而分析得出在保证实体煤4中锚网7支护结构稳定性条件下的最大钻孔直径和最大钻孔深度，然后根据最大钻孔直径和最大钻孔深度确定穿透支承压力卸压区的钻孔孔径和钻孔深度的取值范围，并在该范围内选取煤壁表面穿透钻孔8的钻孔孔径和钻孔深度；最大钻孔直径和最大钻孔具体确定过程为：通过步骤A和步骤B中条件下，采用锚杆拉拔仪对锚网支护结构中的锚杆进行拉拔试验，通过设定一个拉拔阈值，在不超过阈值条件下拉拔锚杆，当穿透钻孔孔径过小时，锚杆不会被拉出，随着穿透钻孔孔径逐渐大，必定会存在一个最大钻孔孔径使得拉拔应力等于拉拔阈值时，刚好不能拔出锚杆的钻孔直径，即最大钻孔孔径；钻孔深度根据支承压力卸压区范围确定；
D、根据步骤A得出的实体煤4支承峰前增压区6.2和峰后压力区6.4的范围，并结合步骤B得出的煤岩体的力学特性，确定钻孔对该范围内实体煤4的支承压力的峰前增压区6.2、峰值支承压力6.3和峰后压力区6.4的卸压作用规律，进而分析得出在防止冲击地压产生的条件下的最小钻孔直径和钻孔深度，然后根据最小钻孔直径和钻孔深度确定在支承峰前增压区6.2和峰后压力区6.4中卸压钻孔9的钻孔孔径和钻孔深度的取值范围，并在该范围内选取卸压钻孔9的钻孔孔径和钻孔深度；最小钻孔直径和钻孔深度的具体确定过程为：在实体煤中钻孔，使得煤体中支承压力重新调整，应力峰值往深部转移；钻孔孔径越大，钻孔影响区的卸压效果越显著，然而，孔径和孔深越大，钻孔成本和需要的时间越多；因此，根据步骤B中的围岩力学特性和冲击倾向性评估方法结合步骤A中的数值模拟方法来确定卸压钻孔的最小孔径和孔深。
E、根据步骤C确定的穿透钻孔8的钻孔孔径和钻孔深度，采用可变钻头直径的钻机5并调节成所需的钻头直径后对实体煤4进行穿透钻孔8，直至穿透钻孔8达到确定的钻孔深度后停止钻进；此时钻头穿透支承压力卸压区6.1达到支承峰前增压区6.2；可变钻头直径的钻机5为现有设备；
F、根据步骤D确定的卸压钻孔9的钻孔孔径和钻孔深度，旋转钻头并调整钻头的直径对该处钻孔进行扩孔，直至达到卸压钻孔9的钻孔孔径停止钻头直径的调整，然后开始进行钻进，直至达到确定的钻孔深度后停止，将钻头直径恢复后将其从穿透钻孔8中取出，完成一次穿透钻孔8与卸压钻孔9的组合施工；
G、在工作面前方回采巷道1的实体煤壁上，每间隔相等距离重复步骤E和F完成一次穿透钻孔8与卸压钻孔9的组合施工，最终完成护壁式钻孔卸压过程。间隔距离的确定是根据煤层冲击倾向性以及选择的钻孔直径得出。如果是薄煤层开采，或煤体的冲击倾向性较低一般沿着巷道方向在煤壁中进行单排钻孔卸压即可，钻孔间距从0.01m～100m不等。如果煤层较厚且冲击倾向性较高，根据需要设置两排甚至多排钻孔，钻孔间距也由0.01m×0.01m～10m×10m不等。
进一步，所述卸压钻孔9的钻孔孔径和钻孔深度均大于穿透钻孔8的钻孔孔径和钻孔深度。采用这种结构实现利用小直径穿透钻孔8减小支承压力卸压区6.1实体煤壁的损伤，同时利用大直径卸压钻孔9在支承压力增压区6.2钻进实现防冲卸压。
如图5所示，进一步，所述钻头在实体煤4中倾斜向上进行钻进，使穿透钻孔8与卸压钻孔9均和水平面呈一定夹角。采用这种倾斜钻进的方式，能有利于排出钻进过程中钻孔内产生的煤粉。

Claims (3)

1.一种煤矿冲击地压防治的护壁式钻孔卸压方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
A、在煤矿工作面前方沿回采巷道一定距离的实体煤壁上，采用钻孔应力计对该处的实体煤壁进行地应力探测，将探测结果结合煤层埋深和地质资料通过数值模拟方法，得出该处实体煤壁内部实体煤的支承压力分布规律并绘制出支承压力分布曲线，然后根据分布曲线确定该处实体煤中支承压力卸压区、峰前增压区、峰后压力区以及原岩应力区的各自分布范围和该范围内的实体煤的支承压力大小；
B、在煤矿工作面对煤岩体进行现场取样，在实验室内对煤岩样进行力学特性测试，测试的力学特性包括单轴抗压强度、三轴抗压强度以及煤岩体强度随围压的变化规律；根据测试结果评估采煤工作面前方实体煤的冲击倾向性，以及钻孔卸压对实体煤的扰动破坏特性；
C、根据步骤A得出的实体煤支承压力卸压区的范围，并结合步骤B得出的煤岩体的力学特性，确定实体煤支承压力卸压区中钻孔对实体煤的扰动破坏作用规律，进而分析得出在保证实体煤中锚网支护结构稳定性条件下的最大钻孔直径和最大钻孔深度，然后根据最大钻孔直径和最大钻孔深度确定穿透支承压力卸压区的钻孔孔径和钻孔深度的取值范围，并在该范围内选取煤壁表面穿透钻孔的钻孔孔径和钻孔深度；
D、根据步骤A得出的实体煤支承峰前增压区和峰后压力区的范围，并结合步骤B得出的煤岩体的力学特性，确定钻孔对该范围内实体煤的支承压力的峰前增压区、峰值支承压力和峰后压力区的卸压作用规律，进而分析得出在防止冲击地压产生的条件下的最小钻孔直径和钻孔深度，然后根据最小钻孔直径和钻孔深度确定在支承峰前增压区和峰后压力区中卸压钻孔的钻孔孔径和钻孔深度的取值范围，并在该范围内选取卸压钻孔的钻孔孔径和钻孔深度；
E、根据步骤C确定的穿透钻孔的钻孔孔径和钻孔深度，采用可变钻头直径的钻机并调节成所需的钻头直径后对实体煤进行穿透钻孔，直至穿透钻孔达到确定的钻孔深度后停止钻进；此时钻头穿透支承压力卸压区达到支承峰前增压区；
F、根据步骤D确定的卸压钻孔的钻孔孔径和钻孔深度，旋转钻头并调整钻头的直径对该处钻孔进行扩孔，直至达到卸压钻孔的钻孔孔径停止钻头直径的调整，然后开始进行钻进，直至达到确定的钻孔深度后停止，将钻头直径恢复后将其从穿透钻孔中取出，完成一次穿透钻孔与卸压钻孔的组合施工；
G、在工作面前方回采巷道的实体煤壁上，每间隔相等距离重复步骤E和F完成一次穿透钻孔与卸压钻孔的组合施工，最终完成护壁式钻孔卸压过程。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压防治的护壁式钻孔卸压方法，其特征在于，所述卸压钻孔的钻孔孔径和钻孔深度均大于穿透钻孔的钻孔孔径和钻孔深度。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压防治的护壁式钻孔卸压方法，其特征在于，所述钻头在实体煤中倾斜向上进行钻进，使穿透钻孔与卸压钻孔均和水平面呈一定夹角。
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