CN114961734A - 适用于超深竖井的钻孔卸压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于超深竖井的钻孔卸压方法，在超深竖井的掘进过程中进行钻孔预卸压，在工作面上向掘进方向依次布设应力释放孔和卸压孔；应力释放孔等间距布置于工作面四周，卸压孔布置于内部区域；多个卸压孔形成穿过工作面中心点的直线钻孔排，卸压孔的间距为由工作面中心区域向竖井的井壁呈等差设置，最大间距位于中心区域；按单位掘进深度进行连续两次掘进‑出渣工艺，然后在新的工作面上再次进行钻孔预卸压；重复交替进行掘进‑出渣和钻孔预卸压工艺，直至掘至竖井设定深度。该方法通过钻孔预卸压提前对应力集中区进行应力释放，并通过对布孔结构和相关参数的设计，达到卸压程度最大化，保证超深竖井施工的安全性，实际应用价值高。
Description
技术领域
本发明涉及超深竖井卸压技术领域，尤其涉及一种适用于超深竖井的钻孔卸压方法。
背景技术
随着矿产需求量不断增加和浅部资源的日益枯竭，多数矿山进入深部开采阶段，且已经成为未来采矿的发展趋势。随着矿山开采深度的增加，高应力特征显现，岩爆、冲击地压等地质灾害频发，增加了深部矿产资源开采的难度。卸压技术能够有效解决矿山深部局部高应力集中并防治矿山动力地质灾害。目前常用的卸压技术包括水力卸压、卸压槽或卸压巷、爆破卸压以及钻孔卸压技术；水力卸压技术的注水压力相对较小，仅适用于在软岩或裂隙发育区域；采用卸压槽或卸压巷技术时，其与应力集中区距离难以确定；爆破卸压技术中，爆炸对岩体扰动机理研究较少，爆破卸压影响范围的确定比较困难。
钻孔卸压是通过在高应力集中区施工大直径钻孔形成软弱带，使得高应力向岩体深部转移或积聚的能量得以释放的一种卸压方法。发明专利(申请号为CN201610915369.4)公开了一种煤层冲击型矿震防控方法，在工作面煤壁进行了大直径密集钻孔卸压，通过在高应力媒体内制造大空间，改变应力分布；再经对停采工作面周围的煤壁卸压和巷道深孔爆破，使冲击能量充分释放，从根本上减少和防控冲击型矿震的发生。发明专利(申请号为CN 202010352871.5)公开了一种厚煤层工作面冲击地压危险巷道的全方位卸压方法，通过在巷道两帮施工大直径钻孔卸压，形成筒状卸压带，确定巷道围岩应力状态，保证应力峰值区位于支护范围以外。
从上述现有技术中可以看出，钻孔卸压技术多用于煤层开采过程中的巷道支护，对工作面或巷道面进行水平钻孔卸压；而此方法难以适应超深竖井施工过程中应力不断叠加而造成应力集中问题；且在超深竖井施工过程中出现应力集中后，再进行钻孔卸压，岩体由相对稳定的两向应力状态转变为单向受力状态，岩体原来高应力与卸压孔周边应力集中进一步叠加，会造成卸压孔周围局部岩体瞬间的高应力增加，可能引起岩体非稳定破坏，诱发岩爆，对施工的安全性造成威胁。所以，针对超深竖井如何进行钻孔卸压，目前尚无定论。
有鉴于此，有必要设计一种改进的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于超深竖井的钻孔卸压方法，在超深竖井的掘进过程中，进行钻孔预卸压，通过在工作面上依次布设应力释放孔和卸压孔，提前对应力集中区域进行应力的释放；并通过对布孔结构和相关参数的设计，在不影响竖井正常施工的前提下，达到卸压程度最大化，保证了超深竖井施工的安全性。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种适用于超深竖井的钻孔卸压方法，包括以下步骤：
S1、进行超深竖井的掘进，同时对井壁矿岩和支护体的状态进行实时监测；
S2、当开始出现施工困难或岩爆问题时，停止掘进，进行钻孔预卸压；所述钻孔预卸压为在当前工作面上向掘进方向依次布设若干个应力释放孔和卸压孔；所述应力释放孔和所述卸压孔的深度为所述超深竖井单位掘进深度的2～2.2倍；
所述应力释放孔等间距布置于所述工作面的四周，所述卸压孔布置于所述工作面的内部区域；多个所述卸压孔形成穿过所述工作面中心点的直线钻孔排，所述卸压孔的间距为由所述工作面中心区域向所述竖井的井壁呈等差设置，最大间距位于所述工作面中心区域；
S3、按所述单位掘进深度进行一次掘进并出渣，继续进行二次掘进并出渣；然后在新的工作面上进行如步骤S2所述的钻孔预卸压；不断重复步骤S3，直至将所述超深竖井掘进至设定深度。
作为本发明的进一步改进，所述卸压孔布置为两排相互垂直的所述直线钻孔排，两排所述直线钻孔排在所述工作面的中心位置相交。
作为本发明的进一步改进，所述卸压孔位于所述工作面中心区域的最大间距由所述超深竖井的直径确定，所述最大间距为所述超深竖井直径的0.15～0.3倍；靠近所述井壁的卸压孔的最小间距为0.1～0.5m。
作为本发明的进一步改进，每个所述应力释放孔与所述井壁的距离相等，所述距离为0.2～0.4m；所述应力释放孔与所述卸压孔在所述工作面上的最小距离为0.3～0.5m，以实现最佳卸压效果。
作为本发明的进一步改进，所述超深竖井的单位掘进深度为3～5m；所述应力释放孔和所述卸压孔的深度优选为所述超深竖井单位掘进深度的2倍。
作为本发明的进一步改进，所述应力释放孔和所述卸压孔的孔径范围为100～600mm，优选为500mm。
作为本发明的进一步改进，所述应力释放孔的个数由所述超深竖井的规格和应力集中情况确定。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，进行钻孔预卸压时，所述应力释放孔布设完毕后，静置2～3h释放应力；若所述应力释放孔赋存完好，则进行所述卸压孔的布设；若所述应力释放孔被岩体充满压实，则在已有的所述应力释放孔之间补充设置相同规格的应力释放孔，继续静置2～3h。
作为本发明的进一步改进，所述应力释放孔的个数的具体确定方式为建立所述超深竖井的三维等效模型，根据所述超深竖井的规格和应力集中情况进行模拟，得到所述应力释放孔的施工个数。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，停止掘进后，立刻进行地应力测试，所述地应力测试的数值超过预设临界值时，进行所述钻孔预卸压；所述预设临界值根据所述超深竖井的三维等效模型的模拟结果进行确定。
本发明的有益效果是：
1、本发明的一种适用于超深竖井的钻孔卸压方法，在超深竖井的掘进过程中进行钻孔预卸压，在工作面上向掘进方向依次布设若干个应力释放孔和卸压孔；应力释放孔等间距布置于工作面的四周，卸压孔布置于工作面的内部区域；多个卸压孔形成穿过工作面中心点的直线钻孔排，卸压孔的间距为由工作面中心区域向竖井的井壁呈等差设置；按单位掘进深度进行两次掘进-出渣的工艺，然后在新的工作面上再次进行钻孔预卸压；重复掘进-出渣和钻孔预卸压工艺，直至将超深竖井掘进至设定深度。该方法在超深竖井的掘进过程中，通过钻孔预卸压的方式提前对工作面下方的应力集中区域进行应力释放，达到提前卸压的效果，具有不影响超深竖井的正常施工、方法简单、工艺合理、经济实用、卸压效果好的优点。
2、本发明的应力释放孔和卸压孔的深度为超深竖井单位掘进深度的2～2.2倍，优选为单位掘进深度的2倍；通过设置钻孔与单位掘进深度的关系，以保证单位掘进深度的全过程均存在预卸压效果，保证钻孔卸压效果的最大化，避免施工量的浪费。卸压孔的布孔结构为穿过工作面中心点的直线钻孔排，优先为两排穿过中心位置、且相互垂直的直线钻孔排；该布孔结构减少了布孔数量，节约了工程量，还可以使各个卸压孔的卸压区相互连接，形成更大的卸压区，软弱带的整体性好，对岩体的卸压效果最佳。卸压孔的间距为由工作面中心区域向竖井的井壁呈等差设置，在靠近井壁时加密钻孔，可降低边缘区域的应力集中，扩大低应力区的范围，同时可以减少卸压孔的施工数量，提高超深竖井的工作效率。
3、本发明在开始出现施工困难或轻微岩爆问题时，在工作面上依次施工应力释放孔和卸压孔，且应力释放孔在四周均匀分布，卸压孔在中间呈直线钻孔排分布；通过施工应力释放孔优先对井壁的岩体进行应力释放，避免卸压孔在施工时岩爆问题的加重。另外，通过对工作面表面所有钻孔间距的设置，达到在节约施工成本的基础上，实现良好的卸压效果。
4、本发明在竖井工作面未受应力影响时进行预先卸压，卸压孔的当前卸压状态下卸压区分布范围较小，随着工作面向前推进，卸压区域距工作面越来越近，钻孔形成的软弱带与工作面超前应力同时对岩体应力预先调整，有利于竖井的稳定掘进，提高施工的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例1适用于超深竖井的钻孔卸压方法的工作面布孔结构图。
图2为本发明实施例1建立的采用三维等效模型图。
图3为本发明实施例1的三维等效模型的竖井未施工纵剖面应力分布图。
图4为本发明实施例1的三维等效模型的竖井施工纵剖面应力分布图。
图5为本发明实施例1的三维等效模型的竖井施工工作面应力分布图。
图6为本发明实施例1的三维等效模型进行钻孔预卸压后竖井纵剖面应力分布图。
图7为本发明实施例1的三维等效模型进行钻孔预卸压后竖井工作面应力分布图。
图8为本发明对比例1的超深竖井钻孔卸压方法的工作面布孔结构图。
图9本发明对比例1的三维等效模型进行钻孔预卸压后竖井纵剖面应力分布图。
图10本发明对比例1的三维等效模型进行钻孔预卸压后竖井工作面应力分布图。
附图标记
1-应力释放孔；2-卸压孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
一种适用于超深竖井的钻孔卸压方法，包括以下步骤：
S1、进行超深竖井的掘进，同时对井壁矿岩和支护体的状态进行实时监测；
S2、当开始出现施工困难或岩爆问题时，停止掘进，进行钻孔预卸压；钻孔预卸压为在当前工作面上向掘进方向依次布设若干个应力释放孔1和卸压孔2；应力释放孔1和卸压孔2的深度为超深竖井单位掘进深度的2～2.2倍；优选为单位掘进深度的2倍；通过设置钻孔与单位掘进深度的关系，以保证单位掘进深度的全过程均存在预卸压效果，保证钻孔卸压效果的最大化，避免施工量的浪费；
应力释放孔1等间距布置于工作面的四周，卸压孔2布置于工作面的内部区域；通过应力释放孔1优先对井壁进行应力的释放，避免卸压孔2在施工时岩爆问题的加重；多个卸压孔2形成穿过工作面中心点的直线钻孔排，卸压孔2的间距为由工作面中心区域向竖井的井壁呈等差设置，最大间距位于工作面中心区域；卸压孔2间距呈等差设置即相邻卸压孔2的间距从工作面中心区域向竖井的井壁逐渐减小，且减小的数值相同；如图1所示的卸压孔2的布置方式；
优选地，卸压孔2布置为两排相互垂直的直线钻孔排，两排直线钻孔排在工作面的中心位置相交；该卸压孔2的布孔结构减少了钻孔数量，节约了工程量，还可以使各个卸压孔2的卸压区相互连接，形成更大的卸压区，软弱带的整体性好，对岩体的卸压效果最佳。卸压孔2的间距为由工作面中心区域向竖井的井壁呈等差设置，在靠近井壁时加密钻孔，可降低边缘区域的应力集中，扩大低应力区的范围，同时可以减少卸压孔2的施工数量，提高超深竖井的工作效率；
S3、按单位掘进深度进行一次掘进并出渣，继续进行二次掘进并出渣；然后在新的工作面上进行如步骤S2的钻孔预卸压；不断重复步骤S3，直至将超深竖井掘进至设定深度。
特别地，卸压孔2位于工作面中心区域的最大间距由超深竖井的直径确定，最大间距为超深竖井直径的0.15～0.3倍；靠近井壁的卸压孔2的最小间距为0.1～0.5m。每个应力释放孔1与井壁的距离相等，距离为0.2～0.4m；应力释放孔1与卸压孔2在工作面上的最小距离为0.3～0.5m。在实际应用时，钻孔间距过大时，不能形成连续的软弱卸压带，无法达到良好的卸压效果；钻孔间距过小时，需要施工的钻孔数量会极具增大，施工成本和时间也会增大。如此，通过对工作面表面所有钻孔间距的设置，可以在节约施工成本的基础上，实现良好的卸压效果。
具体地，应力释放孔1和卸压孔2的孔径范围为100～600mm，优选为500mm；当钻孔的孔径增大到一定值时，在控制钻孔间距的基础上，有利于各个钻孔的卸压区相互连接，形成更大卸压区，提高卸压区的整体性；但是，如果钻孔间距过大，施工成本会大大提高，且可能会出现钻孔的卸压效果应用不完全，造成施工量的浪费。
需要说明的是，在步骤S2中，进行钻孔预卸压时，应力释放孔1布设完毕后，静置2～3h释放应力；若应力释放孔1赋存完好，则进行卸压孔2的布设；若应力释放孔1被岩体充满压实，则在已有的应力释放孔1之间补充设置相同规格的应力释放孔1，继续静置2～3h，实现应力的释放。
应力释放孔1的个数由超深竖井的规格和应力集中情况确定。应力释放孔1的个数的具体确定方式为建立超深竖井的三维等效模型，根据超深竖井的规格和应力集中情况进行模拟，得到应力释放孔1的施工个数。
在一些具体的实施例中，当超深竖井的掘进过程中，开始出现施工困难或岩爆问题时，停止掘进，立刻进行地应力测试，地应力测试的数值超过预设临界值时，则进行钻孔预卸压。其中，预设临界值根据超深竖井的三维等效模型的模拟结果进行确定。
在一些具体的实施例中，超深竖井的单位掘进深度为3～5m。
实施例1
本实施例提供了一种适用于超深竖井的钻孔卸压方法，包括以下步骤：
S1、进行某超深竖井的掘进，竖井的直径为6.7m，单位掘进深度为4m，同时对井壁矿岩和支护体的状态进行实时监测；
S2、当开始出现施工困难或轻微岩爆问题时，停止掘进，进行钻孔预卸压；钻孔预卸压为在当前工作面上向掘进方向依次布设4个应力释放孔1和17个卸压孔2，布孔结构如图1所示；应力释放孔1和卸压孔2的深度均为8m，孔径为150mm；
S3、按单位掘进深度进行一次掘进并出渣，继续进行二次掘进并出渣；然后在新的工作面上进行如步骤S2的钻孔预卸压；不断重复步骤S3，直至将超深竖井掘进至设定深度1700m。
请参阅图1所示，本实施例钻孔预卸压的布孔结构为：四个应力释放孔1均为分布于工作面的四周，卸压孔2呈相互垂直的直线钻孔排布置，且卸压孔2的间距由工作面中心区域向竖井的井壁呈等差设置，最大间距位于工作面中心区域。此种布置方式减少了布孔数量，节约了工程量，使各个卸压孔的卸压区相互连接，形成更大的卸压区，整体性好，对岩体的卸压效果最佳；在靠近井壁时加密钻孔，可降低边缘区域的应力集中，扩大低应力区的范围。
请参阅图2所示，根据此超深竖井的实际情况，建立三维等效模型，竖井的三维模型尺寸为：长×宽×高＝100m×100m×600m。模型代表深度为1100m～1700m，为了考虑上部岩体对模拟结果的影响，于模型上表面施加相应面荷载，并根据图1的钻孔卸压的布孔结构进行模拟。
请参阅图3～图5所示，从图3可以看出当竖井未掘进时，岩层应力分布和深度呈正相关，即深度越深，应力越大。从图4和图5可以看出，当竖井施工一定深度后，应力集中现象开始出现；从竖井工作面应力分布图可以看出，工作面中心应力值小，越靠近竖井围岩，应力逐渐增大；且应力分布图中低应力区为相对规则的圆形；低于7MPa应力区范围是以竖井中心为圆心、半径约为1.4m的圆形区域。
请参阅图6～图7所示，当进行钻孔预卸压后，低应力区面积显著增加，且工作面前部应力变化幅度变小，卸压孔2起到明显卸压作用。且由于卸压孔2施工，低应力区由相对规则圆形变得较为不规则，且低应力区范围增大。该方案中低于7MPa应力区范围是以竖井中心为圆心、半径约为1.9m的圆形区域。
对比例1
对比例1提供了一种超深竖井的钻孔卸压方法，与实施例1相比，不同之处在于，对比例1卸压孔2的间距为等间距布置，具体布孔结构及相关词参数如图8所示，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
建立与实施例1相同的模型，于模型上表面施加相应面荷载，并根据图8的钻孔卸压的布孔结构进行模拟。
请参阅图9～图10所示，从图中可以看出，对比例1进行钻孔卸压后，中心的低应力区域有所变化，由相对规则的圆形变为X形，低于7MPa应力区范围是以竖井中心为圆心、半径约为1.6m的圆形区域；高应力区仍为包围地应力区的圆环状；由此可知，该方案的卸压效果没有实施例1的卸压效果好。
对比例2
对比例2提供了一种超深竖井的钻孔卸压方法，与实施例1相比，不同之处在于，对比例2未施工应力释放孔1，直接施工卸压孔2，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
通过采用对比例2的方案进行实际施工操作，发现如果未提前施工应力释放孔1，直接施工卸压孔2，在施工时，会出现轻微岩爆的情况；说明只施工卸压孔2对于超深竖井的卸压效果达不到最佳。
对比例3
对比例3提供了一种超深竖井的钻孔卸压方法，与实施例1相比，不同之处在于，对比例3仅施工应力释放孔1，未施工卸压孔2，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
通过采用对比例3的方案进行实际施工尝试，发现如果仅施工应力释放孔1，同样无法达到较好的卸压效果。
综上所述，本发明提供了一种适用于超深竖井的钻孔卸压方法，在超深竖井的掘进过程中进行钻孔预卸压，在工作面上向掘进方向依次布设若干个应力释放孔和卸压孔；应力释放孔等间距布置于工作面的四周，卸压孔布置于工作面的内部区域；多个卸压孔形成穿过工作面中心点的直线钻孔排，卸压孔的间距为由工作面中心区域向竖井的井壁呈等差设置；按单位掘进深度进行两次掘进-出渣的工艺，然后在新的工作面上再次进行钻孔预卸压；重复掘进-出渣和钻孔预卸压工艺，直至将超深竖井掘进至设定深度。该方法在超深竖井的掘进过程中，通过钻孔预卸压的方式提前对工作面下方的应力集中区域进行应力释放，达到提前卸压的效果，并通过对布孔结构和相关参数的设计，在不影响竖井正常施工、节约施工量的前提下，达到卸压程度最大化，保证了超深竖井施工的安全性；具有方法简单、工艺合理、经济实用、卸压效果好的优点，具有较高的实际应用价值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、进行超深竖井的掘进，同时对井壁矿岩和支护体的状态进行实时监测；
S2、当开始出现施工困难或岩爆问题时，停止掘进，进行钻孔预卸压；所述钻孔预卸压为在当前工作面上向掘进方向依次布设若干个应力释放孔和卸压孔；所述应力释放孔和所述卸压孔的深度为所述超深竖井单位掘进深度的2～2.2倍；
所述应力释放孔等间距布置于所述工作面的四周，所述卸压孔布置于所述工作面的内部区域；多个所述卸压孔形成穿过所述工作面中心点的直线钻孔排，所述卸压孔的间距为由所述工作面中心区域向所述竖井的井壁呈等差设置，最大间距位于所述工作面中心区域；
S3、按所述单位掘进深度进行一次掘进并出渣，继续进行二次掘进并出渣；然后在新的工作面上进行如步骤S2所述的钻孔预卸压；不断重复步骤S3，直至将所述超深竖井掘进至设定深度。
2.根据权利要求1所述的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，所述卸压孔布置为两排相互垂直的所述直线钻孔排，两排所述直线钻孔排在所述工作面的中心位置相交。
3.根据权利要求1所述的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，所述卸压孔位于所述工作面中心区域的最大间距由所述超深竖井的直径确定，所述最大间距为所述超深竖井直径的0.15～0.3倍；靠近所述井壁的卸压孔的最小间距为0.1～0.5m。
4.根据权利要求1所述的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，每个所述应力释放孔与所述井壁的距离相等，所述距离为0.2～0.4m；所述应力释放孔与所述卸压孔在所述工作面上的最小距离为0.3～0.5m，以实现最佳卸压效果。
5.根据权利要求1所述的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，所述超深竖井的单位掘进深度为3～5m；所述应力释放孔和所述卸压孔的深度优选为所述超深竖井单位掘进深度的2倍。
6.根据权利要求1所述的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，所述应力释放孔和所述卸压孔的孔径范围为100～600mm，优选为500mm。
7.根据权利要求1所述的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，所述应力释放孔的个数由所述超深竖井的规格和应力集中情况确定。
8.根据权利要求1所述的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，在步骤S2中，进行钻孔预卸压时，所述应力释放孔布设完毕后，静置2～3h释放应力；若所述应力释放孔赋存完好，则进行所述卸压孔的布设；若所述应力释放孔被岩体充满压实，则在已有的所述应力释放孔之间补充设置相同规格的应力释放孔，继续静置2～3h。
9.根据权利要求7所述的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，所述应力释放孔的个数的具体确定方式为建立所述超深竖井的三维等效模型，根据所述超深竖井的规格和应力集中情况进行模拟，得到所述应力释放孔的施工个数。
10.根据权利要求9所述的适用于超深竖井的钻孔卸压方法，其特征在于，在步骤S2中，停止掘进后，立刻进行地应力测试，所述地应力测试的数值超过预设临界值时，进行所述钻孔预卸压；所述预设临界值根据所述超深竖井的三维等效模型的模拟结果进行确定。
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