CN111894595B - 一种立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，属于地下矿山开采领域。圈定立井围岩高应力区域作为钻孔卸压解危区域；在解危区域自上而下串联布置大直径卸压钻孔。在立井围岩体应力集中岩爆危险区使用潜孔钻机超前施工大直径卸压钻孔，钻孔深度贯通应力增高带，卸压钻孔周围的岩体形成一个软化带，使卸压钻孔周围一定应力区域岩体的应力集中程度下降或者高应力转移到围岩体的深处，实现对局部岩体进行解危的目的。本发明采用潜孔钻机钻凿的卸压钻孔直径和孔深大、保护区范围大，同时阻隔水平应力和垂直应力的传递，具有工艺简单、工程量小，卸压效果好等优点。适用于地下矿山、地下工程深部高应力立井围岩中等～弱岩爆的防治。

Description

一种立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法
技术领域
本发明涉及一种立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，尤其是涉及一种地下矿山、地下工程立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，属于地下采矿、地下工程技术领域。
背景技术
随着矿山陆续进入深部开采阶段，立井(又名竖井)建设深度增加，立井开凿的难度越来越大。原岩应力及其构造应力明显增大，凿井过程中岩爆发生的危险性急剧增加。立井岩爆的危害性极大，严重威胁人员、设备安全，影响井筒工程进度等。井筒工作面狭小，且无逃生避险区域，一旦发生岩爆将对人员伤害严重。如何降低或者消除围岩应力集中带来的岩爆动力灾害，是目前深部立井施工过程中亟待解决的安全和技术难题。
井巷卸压解危主要是通过对井巷高应力区域进行一定人为干预，促使围岩裂隙快速发育，应力迅速降低，使围岩集中应力区向围岩深处转移。钻孔卸压通过施工卸压钻孔，使井筒围岩结构产生损伤、发生结构性破坏，降低其承载能力，形成一个弱化带，使井筒周边围岩的高应力向深部转移；在井筒周边施工大直径的钻孔后，每一个钻孔周围将产生一定范围的破碎区，当多个钻孔形成的破碎区相互叠加时，将在巷道卸压部位形成一条连续的卸压带，降低卸压位置围岩的承载能力释放应变能，使应力峰值向围岩深部转移。目前，立井围岩卸压采用浅孔卸压，存在孔径和孔深较小，施工循环多，卸压范围较小等问题。
《中国矿山工程》杂志2016年45卷第4期中“会泽3#竖井岩爆危险性评价及控制研究”一文中介绍了一种竖井侧壁围岩岩爆钻孔卸压防治方法，用钻孔卸压的方法消除竖井侧壁围岩产生的高应力，由竖井工作面向井壁高应力区域布置浅孔卸压。通过钻孔卸压的方法使得竖井井壁围岩应力得到合理的分布，防治岩爆灾害发生。对硬度系数在10以下、节理发育不完善的岩石实施卸压孔，与水平面呈30°角向下布置卸压孔：孔径50～60mm、孔深为5m，孔间距为1.3m。其不足之处是沿竖井井壁每1-2个掘进进尺沿竖井周边布置卸压孔，采用浅孔(眼)凿岩，钻孔直径和深度小，所形成的保护带宽度小(5×cos30°＝4.33m)，卸压范围有限，采用浅孔卸压，难以实现有效的超前卸压，无法避免岩爆灾害的发生。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，在凿井过程中，向立井侧壁围岩岩爆危险区域施工直径80～300mm的卸压钻孔，使岩体中的高应力向深部转移，实现对竖井围岩体解危的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，包括如下步骤：
步骤一：圈定高应力区域作为卸压钻孔卸压解危区域；
步骤二：根据大直径卸压钻孔(即直径为80～300mm的卸压钻孔)形成的破裂区、塑性区范围确定卸压钻孔的间距；根据立井围岩高应力区域外边界和井壁的距离确定卸压钻孔深度；
步骤三：在未开凿井筒上方，使用潜孔钻机在立井掘进作业面向卸压解危区域自上而下分段施工直径为80～300mm的卸压钻孔，各卸压钻孔之间形成连续的弱化带。
优选地，若干个方位不同卸压钻孔围绕立井呈圆台状环形布置。
具体地，所述弱化带为卸压钻孔周围的破裂区相互连接贯通而形成的一个连续卸压带，钻孔间距通过下式确定：
Figure BDA0002628231830000021
式中B-钻孔间距，单位为mm；σhMAX-最大水平主应力，单位为MPa；d-钻孔直径，单位为mm；RC-岩体抗压强度，单位为MPa。
具体地，卸压钻孔的深度根据立井围岩支承压力带确定，卸压钻孔的深度贯通高应力区(支承压力带)，卸压钻孔的深度按下式计算：
Figure BDA0002628231830000022
kL——开采空间的形状影响系数；
k1——钻孔长度系数，钻孔长度与高应力峰值深度的比值，1≤k1<2；
α——钻孔倾角，单位为°；
D——井筒直径，单位为m；
σv-自重应力，单位为MPa；
σhMAX-最大水平主应力，单位为MPa。
优选地，圆台状环形布置的卸压钻孔由地下潜孔钻机钻凿，钻孔倾角0-90°。
优选地，所述卸压钻孔的布置方式为单排或双排或三花或四方。
本发明的有益效果是：在立井工作面施工大直径的卸压钻孔，减少施工循环，工艺简单、施工方便、速度快捷、适应性强，卸压工程成本低；卸压钻孔直径和深度大，卸压范围大。采用圆台状钻孔卸压方法能够从根本上改变立井侧壁围岩的应力分布状态。立井侧壁围岩受到水平和垂直支承压力的双重影响，支承压力区范围大，用倾斜大直径的卸压钻孔进行卸压，可隔断或减小支承压力对井壁围岩的影响，使水平和垂直支承压力向围岩深部转移。采用大直径的钻孔卸压技术后，改变了岩体的应力分布状态，使应力峰值远离井壁，能够有效对立井侧壁岩爆危险区进行卸压，防治岩爆的发生。
附图说明
图1是本发明实施例的卸压工程示意布置图；
图2是图1的A-A向剖视图。
图中各标号为：1-圈定的岩爆危险区域，2-已开凿井筒，3-卸压钻孔，4-未开凿井筒，5-凿井工作面。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：图1～图2中某矿山竖井，井深l 526m，井筒掘进断面直径7.3m，图中1为圈定的岩爆危险区域，2为已开凿井筒，3为卸压钻孔，4为未开凿井筒，5为凿井工作面。本发明的方法包括如下步骤：
步骤一：圈定高应力区域作为卸压钻孔3卸压解危区域，如图1中所示，竖井侧壁围岩为圈定的岩爆危险区域1，选择此圈定的岩爆危险区域1为爆破卸压对象，进行卸压工程设计和施工；
步骤二：根据大直径的卸压钻孔3(即直径为80～300mm的卸压钻孔)形成的破裂区、塑性区范围确定卸压钻孔3的间距；根据立井围岩高应力区域外边界和井壁的距离确定卸压钻孔3深度；
步骤三：根据岩爆危险区的大小，自上而下分为若干分段，在未开凿井筒上方，使用潜孔钻机在立井掘进作业面向卸压解危区域自上而下分段施工直径为80～300mm的卸压钻孔3，各卸压钻孔3之间形成连续的弱化带，若干个方位不同的卸压钻孔3围绕立井呈圆台状环形布置。
本实施例中为：在竖井工作面5向岩爆危险区域1岩体中钻凿大直径的卸压钻孔3，炮孔呈圆台状排列，由方位不同的倾斜卸压钻孔3组成，每分段24个孔组成；采用地下潜孔钻机钻凿炮孔，卸压钻孔3直径120mm，倾角45°。
进一步地，所述弱化带为大直径的卸压钻孔3周围的破裂区相互连接贯通而形成的一个连续卸压带，钻孔间距通过下式确定：
σhMAX-最大水平主应力，根据矿区地应力拟合公式，计算得43MPa；d-钻孔直径，120mm；RC-岩体抗压强度，白云岩21.2MPa
钻孔间距
Figure BDA0002628231830000041
代入数据得：
Figure BDA0002628231830000042
根据计算结果，结合工程实际，孔间距设计如下：孔口距0.953m，孔底距3.563m，均值2.258m。
进一步地，卸压钻孔3的深度根据立井围岩支承压力带确定，卸压钻孔3的深度贯通高应力区(支承压力带)，卸压钻孔3的深度按下式计算：
kL——开采空间的形状影响系数，圆形井筒取0.7；k1——钻孔长度系数，取1.4；α——钻孔倾角，取60°；D——井筒直径，7300mm；σv—自重应力，30MPa；
Figure BDA0002628231830000043
根据计算结果，结合工程实际，孔深设计如下：14m。
进一步地，圆台状环形布置的卸压钻孔3由地下潜孔钻机钻凿，钻孔倾角0-90°。卸压钻孔均匀布置在立井周围，卸压钻孔3的方位可以为：1#孔15°，2#孔30°，3#孔45°，4#孔60°，5#孔75°，6#孔90°。
进一步地，所述卸压钻孔3的布置方式为单排或双排或三花或四方。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，圈定高应力区域作为钻孔卸压解危区域，在立井侧壁围岩中布置卸压钻孔，各卸压钻孔之间形成连续的弱化带，其特征在于：根据卸压钻孔形成的破裂区、塑性区范围确定卸压钻孔的间距；根据立井围岩高应力区域外边界和井壁的距离确定卸压钻孔深度；在未开凿井筒上方，使用潜孔钻机在立井掘进作业面向卸压解危区域自上而下分段施工直径为80～300mm的大直径的卸压钻孔；
卸压钻孔的深度根据立井围岩支承压力带确定，卸压钻孔的深度贯通高应力区，卸压钻孔的深度按下式计算：
Figure FDA0003094273260000011
kL——开采空间的形状影响系数；
k1——钻孔长度系数，钻孔长度与高应力峰值深度的比值，1≤k1<2；
α——钻孔倾角，单位为°；
D——井筒直径，单位为m；
σv—自重应力，单位为MPa；
σhMAX—最大水平主应力，单位为MPa。
2.根据权利要求1所述的立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，其特征在于：若干个方位不同的卸压钻孔围绕立井呈圆台状环形布置。
3.根据权利要求1所述的立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，其特征在于：所述弱化带为卸压钻孔周围的破裂区相互连接贯通而形成的一个连续卸压带，钻孔间距通过下式确定：
Figure FDA0003094273260000012
式中B—钻孔间距，单位为mm；σhMAX—最大水平主应力，单位为MPa；d—钻孔直径，单位为mm；RC—岩体强度，单位为MPa。
4.根据权利要求2所述的立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，其特征在于：圆台状环形布置的卸压钻孔由地下潜孔钻机钻凿，钻孔倾角0-90°。
5.根据权利要求1所述的立井侧壁围岩岩爆卸压防治方法，其特征在于：所述卸压钻孔的布置方式为单排或双排或三花或四方。
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