CN114427345B - 一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，涉及矿山安全技术领域。该方法首先获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的岩石力学参数，并计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度、临界地应力及临界采动峰值应力；同时计算待防冲钻孔施工巷道的临界采动应力指数实现冲击危险性的量化；再确定钻孔冲击的临界条件及钻孔冲击与巷道冲击地压启动的临界条件的定量关系；最后根据巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度、钻孔冲击的临界塑性软化区半径和临界采动应力指数，量化确定防冲钻孔的施工参数；本发明方法定量确定冲击地压巷道的防冲钻孔施钻参数，使防冲钻孔的施工设计更科学高效。

Description

一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法
技术领域
本发明涉及矿山安全技术领域，尤其涉及一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法。
背景技术
近年来冲击地压事故频发，造成了大量的巷道、设备损坏和人员伤亡，严重制约经济发展，威胁井下职工生命安全。科学合理的卸压措施能够通过改变煤岩体的物理力学性质、改造应力环境，降低煤体冲击倾向性与危险性，从而达到有效防治冲击地压的目的。
防冲钻孔作为有效的主动卸压防治冲击地压的最经济、最有效的防冲方法，应用最为广泛，其技术本质就是通过煤岩施工钻孔实现人工损伤煤体、局部降低围岩承载能力，调控采动应力大小与分布，进而达到提高冲击启动门槛值或消除冲击地压可能性的目的。防冲钻孔参数定量确定方法是钻孔防冲能否起到科学有效卸压效果的关键，钻孔密度过小，无法实现防冲目的，相反，钻孔施工密度过大，巷道将产生围岩大变形失稳，且造成增加施工成本、降低施工效率等问题。因此，合理的防冲钻孔参数的确定方法是钻孔煤体实现防冲治理并保持巷道稳定性的根本前提，也是防冲效能量化评价的重要依据。
防冲钻孔参数化设计方面，公开号为CN105631102A的中国专利公开了一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，通过实验室对煤岩试样的加卸载试验，拟合煤岩强度参数与损伤变量的衰减关系，将其应用于FLAC3D的应变软化模型中，反演岩体数值模拟计算参数；建立钻孔卸压数值模拟计算模型，模拟确定合理的钻孔卸压施工参数。公开号为CN111175121A的中国专利公开了一种巷道围岩钻孔卸压相似模拟试验系统及使用方法，通过相似材料模拟室内试验，研究分析钻孔卸压参数布置条件下煤岩应力分布规律，建立钻孔卸压参数与防冲效果的定量关系，进一步对防冲钻孔参数化设计进行优化。
现有的防冲钻孔参数的确定方法均属于定性或统计定量的确定方法，一种为：采用数值模拟方法建立数值模型，通过调整卸压参数，统计定量确定现场施工的钻孔参数；另一种为：采用室内相似材料模拟，通过试验建立的钻孔卸压参数与防冲效果关系，对防冲钻孔参数进行优化设计。然而，研究发现，钻孔煤体损伤卸压程度显著受到煤体冲击倾向性、煤体单轴抗压强度、煤岩残余强度、钻孔直径和钻孔间距、巷道尺寸等诸多参数的影响，而定性或统计定量的钻孔参数确定方法考虑影响因素较为单一，误差较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，通过计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化区深度、钻孔冲击发生的临界条件、当前环境应力下巷道冲击危险性，定量确定冲击地压巷道防冲钻孔的施钻参数，使防冲钻孔的施工设计更科学高效。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，包括以下步骤：
步骤1：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的岩石力学参数；所述岩石力学参数包括单轴抗压强度σc、弹性模量E、冲击模量指数K＝λ1/E、残余降模量λ2和残余强度系数ξ；其中，λ1为峰后软化模量；
步骤2：计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr、临界地应力Pcr及围岩应力集中区的临界采动峰值应力Pmcr；
步骤3：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的采动峰值应力Pm，并优化冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力Pmcr，计算待防冲钻孔施工巷道的临界采动应力指数Kcr；
Figure BDA0002749637740000021
其中，Pmcr *为优化的待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力；
步骤4：确定钻孔冲击发生的临界条件；
计算钻孔冲击发生的临界破碎区半径rdcr、临界塑性软化区半径rpcr和临界环境应力Phcr，如下公式所示：
Figure BDA0002749637740000022
Figure BDA0002749637740000023
Figure BDA0002749637740000024
其中，
Figure BDA0002749637740000031
为钻孔冲击发生时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力，
Figure BDA0002749637740000032
Figure BDA0002749637740000033
为巷道围岩塑性软化区的煤岩介质内摩擦角，
Figure BDA0002749637740000034
Figure BDA0002749637740000035
为巷道围岩破碎区的煤岩介质内摩擦角，r0为钻孔半径或钻头切削半径；
步骤5：确定钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的临界条件的关系，满足以下关系式：
Pmcr *＞Pcr＞Phcr (5)
步骤6：根据巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr、钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径rpcr和临界采动应力指数Kcr，量化确定防冲钻孔的钻孔直径、钻孔深度Ldrill和钻孔间距Ddrill；
所述钻孔直径根据冲击地压巷道防冲钻孔的布置方式及矿方自身条件确定；
所述钻孔深度Ldrill基于巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr确定，如下公式所示：
Ldrill＝ηdηLLpcr (6)
其中，ηd为煤层厚度修正系数，当煤层厚度大于0m小于4m时，ηd的取值范围为0.8≤ηd≤0.9，当煤层厚度在4～8m时，ηd的取值范围为0.9＜ηd≤1.0，当煤层厚度大于8m时，ηd的取值范围为1.0＜ηd≤1.2；ηL为钻孔深度上的防冲安全系数，ηL有两种确定方法，一种为根据冲击危险性评价的临界采动应力指数Kcr确定，即ηL＝0.85+0.5Kcr；另一种方法为，根据冲击危险性评价的综合指数法得到的冲击危险性等级确定；
所述钻孔间距Ddrill基于钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径rpcr确定，如下公式所示：
Ddrill＝2ηpcrrpcr (7)
将式(3)与式(7)联立，进一步得：
Figure BDA0002749637740000036
其中，ηpcr为防冲钻孔间距上的防冲安全系数，d为防冲钻孔施工钻头直径，d＝2r0；ηpcr有两种确定方法，一种为根据冲击危险性评价的临界应力指数法确定，即ηpcr＝2.325-1.75Kcr；另一种方法为，根据综合指数法冲击危险性评价方法得到的冲击危险性等级确定。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，提出了与煤岩力学参数、钻孔尺寸参数、巷道结构参数和当前环境应力直接相联系的防冲钻孔参数的量化设计准则，实现防冲理论指导下的防冲钻孔参数的确定；通过计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的临界条件和钻孔冲击发生的临界条件，提出了定量确定冲击地压巷道防冲钻孔施钻参数的理论方法及其计算公式，使防冲钻孔的施工设计更科学高效。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的巷道冲击地压启动的力学模型示意图；
图3为本发明实施例提供的钻孔冲击发生的力学模型示意图；
图4为本发明实施例提供的钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的关系示意图；
图5为本发明实施例提供的钻孔防冲关键参数的设计流程图；
图6为本发明实施例提供的钻孔直径对煤体厚度方向上的卸压效果影响示意图；
图7为本发明实施例提供的钻孔防治巷道冲击地压启动的施钻深度示意图；
图8为本发明实施例提供的巷道防冲钻孔施工前后典型钻孔的每米钻屑量的比较结果图。
图中：1、采动应力集中区；2、扰动应力波；3、钻孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例以河北某矿主采5#煤层为例，采用本发明的一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法确定该煤层冲击地压巷道防冲钻孔的施钻参数。
一种煤矿冲击地压巷道的防冲钻孔参数确定方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的岩石力学参数；所述岩石力学参数包括单轴抗压强度σc、弹性模量E、冲击模量指数K＝λ1/E、残余降模量λ2和残余强度系数ξ；其中，λ1为峰后软化模量；
本实施例中，该煤层平均厚度7.03m，倾角13°，平均埋深984m。煤体单轴抗压强度平均10MPa，煤层具有弱冲击倾向性，顶板具弱冲击倾向以及底板无冲击倾向性，煤岩物理参数、支护强度与巷道几何特征参数，详见表1；
步骤2：计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr、临界地应力Pcr及围岩应力集中区的临界采动峰值应力Pmcr；
步骤2.1：获取待防冲钻孔施工巷道的支护应力ps；
步骤2.2：计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的临界破碎区半径ρfcr和临界软化区半径ρcr，如下公式所示：
Figure BDA0002749637740000051
Figure BDA0002749637740000052
其中，ρ0为将待防冲钻孔施工巷道等效为均质、连续且各向同性的圆形巷道后的巷道半径；
Figure BDA0002749637740000053
Figure BDA0002749637740000054
为巷道围岩破碎区的煤岩介质内摩擦角，
Figure BDA0002749637740000055
Figure BDA0002749637740000056
步骤2.3：计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr及临界地应力Pcr，如下公式所示：
Figure BDA0002749637740000057
Figure BDA0002749637740000058
其中，B为待防冲钻孔施工巷道宽度，
Figure BDA0002749637740000059
Figure BDA00027496377400000510
为巷道围岩塑性软化区的煤岩介质内摩擦角，pfcr为待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力，如下公式所示：
Figure BDA00027496377400000511
步骤2.4：计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力Pmcr，如下公式所示：
Figure BDA0002749637740000061
步骤3：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的采动峰值应力Pm，并优化巷道冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力Pmcr，计算待防冲钻孔施工巷道的临界采动应力指数Kcr，进而实现冲击危险性的量化；所述临界采动应力指数Kcr量化表征了当前待防冲钻孔施工巷道冲击地压发生的可能性程度；
首先获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的采动峰值应力Pm，并根据待防冲钻孔施工巷道的断面形状，优化待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力为Pmcr *＝n1×Pmcr；其中，n1为待防冲钻孔施工巷道断面的修正系数；当待防冲钻孔施工巷道的断面形状为矩形、梯形、直墙拱形、圆形时，n1分别取0.89、0.92、0.95、0.98；
进而计算待防冲钻孔施工巷道冲击危险性的临界采动应力指数Kcr，如下公式所示：
Figure BDA0002749637740000062
步骤4：确定钻孔冲击发生的临界条件；
步骤4.1：通过对比如图2所示的巷道冲击地压的力学模型和如图3所示的钻孔冲击发生的力学模型可知，根据煤岩平衡微分方程、几何方程、本构方程、单轴压缩下煤岩损伤演化方程，结合莫尔-库仑屈服准则与钻孔孔壁处的围岩径向应力的边界条件σr(r0)＝0，由钻孔围岩各个分区径向应力连续条件，得到钻孔围岩系统方程；
所述煤岩平衡微分方程：
Figure BDA0002749637740000063
几何方程：
Figure BDA0002749637740000064
其中，r为钻孔围岩的半径，r取不同值，代表钻孔围岩的不同位置；εr为钻孔围岩弹性区径向应变、εθ为钻孔围岩弹性区的环向应变，u为钻孔围岩的径向位移；σr(r0)为钻孔孔壁处的围岩径向应力，rθ为钻孔半径或钻头切削半径，σθ、σr分别为钻孔围岩弹性区切向应力和围岩径向应力；
本构方程：
(1)钻孔围岩弹性区内的本构关系满足：
Figure BDA0002749637740000071
其中，
Figure BDA0002749637740000072
ν为泊松比；
(2)钻孔围岩的塑性软化区内本构关系满足：
Figure BDA0002749637740000073
(3)钻孔围岩的破碎区内本构关系满足：
Figure BDA0002749637740000074
煤岩损伤演化方程为：
Figure BDA0002749637740000075
其中，D为钻孔围岩内煤岩介质的损伤变量，γ＝λ2/E+(1-ξ)λ2/λ1+ξ，rd为钻孔围岩的破碎区半径，rp为钻孔围岩的塑性软化区半径；
结合莫尔-库仑屈服准则与钻孔孔壁处的围岩径向应力的边界条件σr(r0)＝0，由钻孔各个分区径向应力连续条件，得到钻孔围岩系统方程，如下公式所示：
Figure BDA0002749637740000076
其中，Ph为钻孔围岩的环境应力，即巷道采动应力，
Figure BDA0002749637740000081
为钻孔围岩破碎区对塑性软化区的作用应力；
步骤4.2：由冲击启动的扰动响应失稳判据
Figure BDA0002749637740000082
得到钻孔冲击发生的临界破碎区半径rdcr、临界塑性软化区半径rpcr和临界环境应力Phcr，如下公式所示：
Figure BDA0002749637740000083
Figure BDA0002749637740000084
Figure BDA0002749637740000085
其中，
Figure BDA0002749637740000086
为钻孔冲击发生时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力；
步骤5：确定钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的临界条件的关系；
钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动具有相同的发生机理，即在高应力条件下，巷道或钻孔围岩软化区煤岩与弹性区煤岩组成不稳定平衡系统，在外界扰动下围岩塑性区边界发生极大非线性扩展，并引发一系列宏观响应。但对于某一特定巷道的围岩防冲钻孔而言，巷道轴向与钻孔轴向为垂直关系，如图4所示。由图4分析可知，巷道冲击地压启动的原因在于巷道采动应力达到巷道冲击地压启动的临界采动峰值应力Pmcr *，而钻孔冲击发生的原因在于巷道采动应力达到了钻孔冲击发生的临界环境应力Phcr。因此，钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的关系具体体现在如下方面：①二者具有相同的扰动响应失稳机理，即钻孔可看做为无支护应力的圆形巷道；②对于特定巷道及其围岩钻孔而言，二者围岩具有相同物理力学参数；③空间位置上，巷道轴向与钻孔轴向为垂直关系；④钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的驱动应力来源相同，即均为巷道采动集中应力。
综上，根据钻孔冲击发生的临界环境应力Phcr和优化的巷道冲击地压启动的临界采动峰值应力Pmcr *，确定钻孔冲击与巷道冲击地压启动的临界条件的关系满足以下关系式：
P* mcr＞Pcr＞Phcr (19)
由式(19)所示的钻孔冲击与巷道冲击地压启动的临界条件的关系可知，在一定的采动应力驱动下，相比于巷道冲击地压启动，钻孔冲击发生的临界条件更小，即钻孔冲击发生易于巷道冲击启动，这揭示了工程中打钻诱发钻孔冲击发生而巷道冲击未启动的现象。因此，破坏了钻孔冲击发生的临界条件就能破坏巷道冲击地压启动的临界条件，从而防治冲击地压。这就为以防治巷道冲击地压启动为目的的钻孔施工参数确定提供了量化理论依据。
步骤6：根据巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr、钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径rpcr和巷道冲击危险性表征参数，即临界采动应力指数Kcr，量化确定防冲钻孔的施工参数；
本发明方法中，防冲钻孔的施工设计原则为：
(1)将钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径rpcr和巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr、巷道冲击危险性的临界采动应力指数Kcr，作为防冲钻孔施工参数定量确定的数据基础；
(2)将钻孔冲击地压发生与巷道冲击地压启动的临界条件的关系作为防冲钻孔施工参数定量确定的理论依据；
(3)在钻孔深度方面，将巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr作为钻孔深度确定的计算依据；确保施钻深度达到并超过巷道冲击地压启动时采动应力集中区，其关键在于计算巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr。
(4)在钻孔间距方面，将钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径rpcr作为钻孔间距确定的计算依据；确保钻孔间距大小足够破坏钻孔冲击的临界塑性软化半径条件，其关键在于计算钻孔冲击的临界塑性软化区半径值rpcr。
(5)结合矿井实际，确定的钻孔直径要能够在煤体内形成钻孔孔内变形失稳的内空间，为围岩受载变形持续提供变形吸收空间，强化防冲效果；
(6)根据煤层厚度及泊松效应确定防冲钻孔的布置方式；
基于以上防冲设计原则，如图5所示，本发明方法量化确定防冲钻孔的钻孔直径、钻孔深度Ldrill和钻孔间距Ddrill的具体方法为：
一、根据冲击地压巷道防冲钻孔的布置方式及矿方自身条件确定钻孔直径；
防冲钻孔施工深度和间距定量确定的同时，在煤层厚度方向上，考虑到冲击地压巷道防冲钻孔一般布置方式为单排或三花，矿方应结合自身条件，尽量采用大直径钻孔防冲煤体。钻孔直径对煤体厚度方向上的防冲效果影响如图6所示，图中，l1和l2分别为钻孔防冲边界距离顶底板的垂直距离。当煤层较厚，煤层厚度方向上防冲效果有限时，应考虑采用三花布置方式。
由理论计算可知，随着钻孔直径的增大，钻孔围岩损伤范围增大，钻孔冲击发生的临界软化区半径增大。目前矿用巷道钻机最大钻进直径约为0.4m，常用直径为0.05m～0.2m。因此，增加钻孔直径，有利于增加单孔防冲效果、相应增大钻孔间距以及提高钻孔施工效率。钻孔直径主要取决于矿方钻机功率的大小，影响因素单一、易确定，因而钻孔直径的确定，是进一步确定钻孔间距参数的前提。
二、巷帮采动应力集中区作为巷道围岩的极限平衡区，也是巷道冲击地压启动区。此区域为钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的驱动应力源，钻孔防冲作用的主体对象就是此巷道冲击地压启动区，如图7所示，因此，防冲钻孔的深度Ldrill不但要穿过当前巷道的采动应力集中区，还要穿过冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr。
Ldrill＝ηdηLLpcr (6)
其中，ηd为煤层厚度修正系数，当煤层厚度大于0m小于4m时，ηd的取值范围为0.8≤ηd≤0.9，当煤层厚度在4～8m时，ηd的取值范围为0.9＜ηd≤1.0，当煤层厚度大于8m时，ηd的取值范围为1.0＜ηd≤1.2；ηd在每个取值范围内的具体取值则根据实际施工工况确定；ηL为钻孔深度上的防冲安全系数，此安全系数的取值与待钻孔施工区域的冲击危险性相联系，这就使得钻孔深度的确定与巷道的环境应力相关了；ηL有两种确定方法，一种为根据冲击危险性评价的临界采动应力指数确定，即ηL＝0.85+0.5Kcr，此方法的优势是，冲击危险性表征采用连续量化的数值区间；另一种方法为，根据现在普遍采用的冲击危险性评价的综合指数法得到的冲击危险性等级确定，一般地，强冲击危险区域取1.3，中等冲击危险区域取1.2，弱冲击危险区域取1.1；
三、基于钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径rpcr确定钻孔间距Ddrill，如下公式所示：
Ddrill＝2ηpcrrpcr (21)
将式(21)与式(17)联立，进一步得：
Figure BDA0002749637740000111
其中，ηpcr为防冲钻孔间距上的防冲安全系数，d为防冲钻孔施工钻头直径，d＝2r0；
防冲钻孔间距上的防冲安全系数ηpcr的取值与待防冲钻孔施工区域的冲击危险性相联系，这就使得钻孔间距的确定与当前的环境载荷相关了；ηpcr有两种确定方法，一种为根据冲击危险性评价的临界应力指数法确定，即ηpcr＝2.325-1.75Kcr，此方法的优势是，冲击危险性表征采用连续量化的数值区间；另一种方法为，根据现在普遍采用的综合指数法冲击危险性评价方法得到的冲击危险性等级确定，一般地，强冲击危险区域取0.75，中等冲击危险区域取1.10，弱冲击危险区域取1.45。
钻孔间距的计算确定式(20)中，
Figure BDA0002749637740000112
体现了煤体性质因素，ηpcr体现了应力集中程度因素，亦即冲击危险性，d体现了钻孔直径的几何尺寸因素。
本实施例中，该矿5采区394工作面回采采用防冲钻孔手段主动防控冲击地压，在工作面两条回采巷道超前200m实施防冲钻孔。钻孔直径150mm，特别地，针对强冲击地压危险区域，防冲钻孔孔深15m，孔间距1.2m，钻孔垂直巷道轴向布置，钻孔距离底板0.5～1.5m。当该工作面推采进入340m～487m的强冲击危险区域时，通过钻屑法检测围岩冲击危险性时，钻屑量检测孔多次发生孔内冲击、超高钻屑量、吸钻卡钻的动力现象，这种现象表明当前施工参数下，防冲钻孔未能破坏钻孔冲击发生的临界条件，进而达到防治巷道冲击地压启动的目的，如图8所示，单孔每米最大钻屑量为70.0kg/m，远远超过冲击地压预警值4.3kg/m。
为加强钻孔防冲效果，本实施例基于本发明的一种煤矿冲击地压巷道的防冲钻孔参数确定方法，优化计算得到防冲钻孔深度，即强冲击危险区30.67m、中等危险区28.31m、弱冲击危险区25.95m；优化计算得到防冲钻孔间距，即强冲击危险区1.08m、中等危险区1.58m、弱冲击危险区2.08m，具体详见表1。
本实施例中，根据防冲钻孔参数的优化设计结果，在该工作面340m～487m的强冲击危险区域将钻孔间距调整为1.08m、钻孔深度调整为30.67m时，钻屑量检测孔煤粉量降低至3.2kg/m，未有超高钻屑量、吸钻动力显现等情况发生，防冲效果得到较大程度提升。
表1巷道与防冲钻孔主要参量、冲击临界值及其防冲钻孔参数确定结果
Figure BDA0002749637740000113
Figure BDA0002749637740000121
注释：“强”代表具有强冲击地压危险的待防冲钻孔施工巷道，“中”代表具有中等冲击地压危险的待防冲钻孔施工巷道，“弱”代表具有弱冲击地压危险的待防冲钻孔施工巷道。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的岩石力学参数；
步骤2：计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr、临界地应力Pcr及围岩应力集中区的临界采动峰值应力Pmcr；
步骤3：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的采动峰值应力Pm，并优化巷道冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力Pmcr，计算待防冲钻孔施工巷道的临界采动应力指数Kcr；
Figure FDA0003854082850000011
其中，Pmcr *为优化的待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力；
步骤4：确定钻孔冲击发生的临界条件；
计算钻孔冲击发生的临界破碎区半径rdcr、临界塑性软化区半径rpcr和临界环境应力Phcr；
步骤5：确定钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的临界条件的关系；
步骤6：根据巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr、钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径rpcr和临界采动应力指数Kcr，量化确定防冲钻孔的钻孔直径、钻孔深度Ldrill和钻孔间距Ddrill；
步骤1所述岩石力学参数包括单轴抗压强度σc、弹性模量E、冲击模量指数K＝λ1/E、残余降模量λ2和残余强度系数ξ；其中，λ1为峰后软化模量；
所述步骤4计算的钻孔冲击发生的临界破碎区半径rdcr、临界塑性软化区半径rpcr和临界环境应力Phcr，如下公式所示：
Figure FDA0003854082850000012
Figure FDA0003854082850000013
Figure FDA0003854082850000021
其中，
Figure FDA0003854082850000022
为钻孔冲击发生时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力，
Figure FDA0003854082850000023
为巷道围岩塑性软化区的煤岩介质内摩擦角，
Figure FDA0003854082850000024
为巷道围岩破碎区的煤岩介质内摩擦角，r0为钻孔半径或钻头切削半径；
步骤6所述钻孔直径根据冲击地压巷道防冲钻孔的布置方式及矿方自身条件确定；
所述钻孔深度Ldrill基于巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度Lpcr确定，如下公式所示：
Ldrill＝ηdηLLpcr (6)
其中，ηd为煤层厚度修正系数，当煤层厚度大于0m小于4m时，ηd的取值范围为0.8≤ηd≤0.9，当煤层厚度在4～8m时，ηd的取值范围为0.9<ηd≤1.0，当煤层厚度大于8m时，ηd的取值范围为1.0<ηd≤1.2；ηL为钻孔深度上的防冲安全系数；ηL有两种确定方法，一种为根据冲击危险性评价的临界采动应力指数Kcr确定，即ηL＝0.85+0.5Kcr；另一种方法为，根据冲击危险性评价的综合指数法得到的冲击危险性等级确定；
所述钻孔间距Ddrill基于钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径rpcr确定，如下公式所示：
Ddrill＝2ηpcrrpcr (7)
将式(3)与式(7)联立，进一步得：
Figure FDA0003854082850000025
其中，ηpcr为防冲钻孔间距上的防冲安全系数，d为防冲钻孔施工钻头直径，d＝2r0；ηpcr有两种确定方法，一种为根据冲击危险性评价的临界应力指数法确定，即ηpcr＝2.325-1.75Kcr；另一种方法为，根据综合指数法冲击危险性评价方法得到的冲击危险性等级确定。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，其特征在于：所述步骤5确定钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的临界条件的关系，满足以下关系式：
Pmcr *>Pcr>Phcr (5)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115853512A (zh) * 2022-12-15 2023-03-28 中煤科工集团重庆研究院有限公司 一种厚煤层立体分层缓冲吸能带卸压防冲方法
CN116933588B (zh) * 2023-07-18 2024-03-29 安徽建筑大学 不同岩性深部巷道钻孔卸压参数分析方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102797465A (zh) * 2012-09-10 2012-11-28 河南理工大学 煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法
CN104832198A (zh) * 2015-03-13 2015-08-12 中煤科工集团重庆研究院有限公司 巷道围岩变形、冲击矿压、煤与瓦斯突出综合治理方法
CN104832212A (zh) * 2015-04-07 2015-08-12 中国矿业大学 基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法
CN107013214A (zh) * 2017-05-12 2017-08-04 中国矿业大学(北京) 一种冲击地压的解危方法
CN109798106A (zh) * 2018-11-13 2019-05-24 辽宁工程技术大学 一种冲击地压危险性的预测方法及防治措施
CN111608663A (zh) * 2020-04-29 2020-09-01 临沂矿业集团菏泽煤电有限公司 一种厚煤层工作面冲击地压危险巷道的全方位卸压方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102797465A (zh) * 2012-09-10 2012-11-28 河南理工大学 煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法
CN104832198A (zh) * 2015-03-13 2015-08-12 中煤科工集团重庆研究院有限公司 巷道围岩变形、冲击矿压、煤与瓦斯突出综合治理方法
CN104832212A (zh) * 2015-04-07 2015-08-12 中国矿业大学 基于钻进参数考察巷道松动及应力集中范围的方法
CN107013214A (zh) * 2017-05-12 2017-08-04 中国矿业大学(北京) 一种冲击地压的解危方法
CN109798106A (zh) * 2018-11-13 2019-05-24 辽宁工程技术大学 一种冲击地压危险性的预测方法及防治措施
CN111608663A (zh) * 2020-04-29 2020-09-01 临沂矿业集团菏泽煤电有限公司 一种厚煤层工作面冲击地压危险巷道的全方位卸压方法

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