CN115288607A - 一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法 - Google Patents

Abstract

一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法,包括步骤：(1)通过地应力测试方法探查巷帮应力状态，确定巷帮的应力集中状态和分布规律，得到最大水平主应力的方向；(2)根据步骤(1)中得到的最大水平主应力的方向，确定卸压钻孔施工方向，卸压钻孔施工方向与最大水平主应力方向垂直；(3)根据煤层所在区域地质情况、应力环境因素，依据步骤(2)确定的卸压钻孔施工方向，确定卸压钻孔施工参数，所述卸压钻孔施工参数包括卸压钻孔深度、卸压钻孔直径、卸压钻孔间距和卸压钻孔布置方式；对于高水平应力区的卸压钻孔间距，依据冲击危险等级确定。该方法能最大程度使钻孔发生变形，实现最好的卸压效果，降低工作面煤体冲击危险。

Description

一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法

技术领域

本发明涉及一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法，属于煤矿安全技术领域。

背景技术

随着煤炭需求量日益剧增，煤炭开采强度逐渐增大，许多矿区逐渐转入深部开采，煤矿进入深部开采后，煤岩体长期处于高水平应力状态，其内部结构、行为特征发生变化，易引起冲击地压等事故，严重制约了煤矿的安全生产。

煤层卸压爆破和大直径钻孔卸压是工作面煤体冲击防治的主要方法，煤层卸压爆破产生的扰动改变了煤体的静载大小，卸压时间较短，裂隙在一段时间内会被重新压实，应力状态被重新还原，卸压效果不明显；大直径钻孔卸压技术通过人为钻孔的方法在巷道浅部围岩内部形成一个弱化区，将其周边高应力转移至深部稳定围岩中，同时为围岩膨胀变形提供补偿空间，减小巷道变形，钻孔卸压施工产生的扰动会导致钻孔周边围岩产生裂隙，引起应力重新分布，钻孔变形会导致围岩破碎，应力重新分布，达到卸压的效果。

作为巷内应力转移技术的一种，进行大直径钻孔卸压时，为保证钻机有足够的作业空间，需要将综掘设备后移一定的距离，交替施工，作业效率低。另外，由于传统的钻孔卸压通过钻机垂直于巷道两帮施工卸压钻孔，卸压钻孔不容易发生变形，不能最大程度的降低最大水平主应力，卸压效果不理想。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法，该方法能最大程度使钻孔发生变形，实现最好的卸压效果，降低工作面煤体冲击危险。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法，包括如下步骤：

(1)通过地应力测试方法探查巷帮应力状态，确定巷帮的应力集中状态和分布规律，得到最大水平主应力的方向；

(2)根据步骤(1)中得到的最大水平主应力的方向，计算得到卸压钻孔施工方向，所述卸压钻孔施工方向与最大水平主应力方向垂直；

(3)根据煤层所在区域地质情况、应力环境因素，依据步骤(2)确定的卸压钻孔施工方向，确定卸压钻孔施工参数，所述卸压钻孔施工参数包括卸压钻孔深度、卸压钻孔直径、卸压钻孔间距和卸压钻孔布置方式；对于高水平应力区的卸压钻孔间距，还要依据冲击危险等级确定。

进一步地，所述步骤(1)中，最大水平主应力的方向通过应力解除法进行地应力测量，测量系统采用孔壁变形法之空芯包体应变计法，具体为：

201)在硐室或巷道的岩体中运用套钻孔或切槽将部分岩样从围岩中分隔出来，通过应变片监测记录岩样的应变值，根据已有的应力应变关系和岩样的弹性模量，得到测点地应力的大小和方向；

202)根据步骤201)中得到的测点地应力的大小和方向，每个测点均会有两个主应力呈近水平方向，说明水平构造应力占主导位，采用最小二乘法线性拟合对各测点的应力值进行回归分析，得到测点最大水平主应力与测点埋深的拟合式如下：

σ_h，max＝mH+n；

其中，σ_h，max为测点最大水平主应力；H为测点埋深；m、n为常数，通过最小二乘法拟合直线得到唯一值。

进一步地，所述步骤(2)中，在高水平应力区，设最大水平主应力与巷道轴向的夹角为α，则确定卸压钻孔施工方向与巷道轴向的夹角的计算公式为：

γ＝α+90°。

进一步地，所述步骤(3)中，冲击危险等级通过冲击危险性评价分为弱冲击危险区、中等冲击危险区和强冲击危险区。

进一步地，所述步骤(3)中，卸压钻孔深度的施工要求满足冲击危险性指数最小的确定方法为：能量的衰减与传播的距离成乘幂关系，为简化分析，在不考虑能量衰减差异情况下，得到钻孔卸压后的冲击危险指数计算公式为：

式中，a₁为高应力区域一的面积，单位为m²；l₁为高应力区域一中心与巷帮的距离；a₂为高应力区域二的面积，单位为m²；l₂为高应力区域二中心与巷帮的距离，单位为m；当卸压钻孔满足冲击危险指数最小时，卸压效果最明显；

卸压钻孔直径取110mm；

卸压钻孔间距的施工要求满足各钻孔周围形成弱化区域的判定过程为：在高水平应力区进行大直径钻孔卸压时，每个钻孔的一侧形成应力降低区，应力降低区互相连通后，形成一个整体贯通的煤体软化区，即为弱化区域；

卸压钻孔布置方式的施工要求满足卸压圈相互叠加，保证卸压范围的过程为：采用单排钻孔布置，单个钻孔周围形成应力降低区，各个钻孔周围的应力降低区相互连接形成更大的应力降低区。

本发明通过地应力测试方法探查巷帮应力状态，确定巷帮的应力集中状态和分布规律，得到最大水平主应力的方向后，确定确定卸压钻孔施工方向，并保证卸压钻孔施工方向始终与最大水平主应力方向垂直，使得卸压钻孔最大程度的发生变形，达到了高水平应力区大直径钻孔卸压的最佳效果，极大地降低了工作面煤体的冲击危险。

附图说明

图1是本发明确定施工卸压钻孔的示意图；

图2是图1中A-A向的剖面示意图。

图中：1、巷帮，2、最大水平主应力，3、卸压钻孔，4、巷道，5、巷道底板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法，包括如下步骤：

(1)通过地应力测试方法探查巷帮1应力状态，确定巷帮1的应力集中状态和分布规律，得到最大水平主应力2的方向；

(2)根据步骤(1)中得到的最大水平主应力的方向，计算得到卸压钻孔3施工方向，所述卸压钻孔施工方向与最大水平主应力方向垂直；

(3)根据煤层所在区域地质情况、应力环境因素，依据步骤(2)确定的卸压钻孔施工方向，确定卸压钻孔施工参数，所述卸压钻孔施工参数包括卸压钻孔深度、卸压钻孔直径、卸压钻孔间距和卸压钻孔布置方式；对于高水平应力区的卸压钻孔间距，还要依据冲击危险等级确定。

进一步地，所述步骤(1)中，最大水平主应力的方向通过应力解除法进行地应力测量，测量系统采用孔壁变形法之空芯包体应变计法，具体为：

201)在硐室或巷道的岩体中运用套钻孔或切槽将部分岩样从围岩中分隔出来，通过应变片监测记录岩样的应变值，根据已有的应力应变关系和岩样的弹性模量，得到测点地应力的大小和方向；

202)根据步骤201)中得到的测点地应力的大小和方向，每个测点均会有两个主应力呈近水平方向，说明水平构造应力占主导位，采用最小二乘法线性拟合对各测点的应力值进行回归分析，得到测点最大水平主应力与测点埋深的拟合式如下：

σ_h，max＝mH+n；

其中，σ_h，max为测点最大水平主应力；H为测点埋深；m、n为常数，通过最小二乘法拟合直线得到唯一值。

进一步地，所述步骤(2)中，在高水平应力区，设最大水平主应力与巷道4轴向夹角为α，则确定卸压钻孔施工方向与巷道轴向的夹角的计算公式为：

γ＝α+90°。

进一步地，所述步骤(3)中，冲击危险等级通过冲击危险性评价分为弱冲击危险区、中等冲击危险区和强冲击危险区。

进一步地，所述步骤(3)中，卸压钻孔深度的施工要求满足冲击危险性指数最小的确定方法为：能量的衰减与传播的距离成乘幂关系，为简化分析，在不考虑能量衰减差异情况下，得到钻孔卸压后的冲击危险指数计算公式为：

式中，a₁为高应力区域一的面积，单位为m²；l₁为高应力区域一中心与巷帮的距离，取12m；a₂为高应力区域二的面积，单位为m²；l₂为高应力区域二中心与巷帮的距离，单位为m；当卸压钻孔3满足冲击危险指数最小时，卸压效果最明显；

卸压钻孔直径取110mm；

卸压钻孔间距的施工要求满足各钻孔周围形成弱化区域的判定过程为：在高水平应力区进行大直径钻孔卸压时，每个钻孔的一侧形成应力降低区，应力降低区互相连通后，形成一个整体贯通的煤体软化区，即为弱化区域；

卸压钻孔布置方式的施工要求满足卸压圈相互叠加，保证卸压范围的过程为：采用单排钻孔布置，单个钻孔周围形成应力降低区，各个钻孔周围的应力降低区相互连接形成更大的应力降低区。

确定卸压钻孔的方向与最大水平主应力的方向垂直，在实际生产过程中，要根据煤矿的实际情况合理设置参数，对于高水平应力区，应力环境复杂，应重复上述步骤，以确定卸压钻孔施工方向，减少工程的浪费和人力的消耗，同时保证卸压钻孔最容易发生变形，起到最好的卸压效果。

本发明的大直径卸压钻孔对煤体应力影响的原理如下：顶板岩层作用在煤体上，工作面前方煤体上的压力用曲线σ_z表示；σ_k表示发生冲击地压的极限应力值，即煤层的应力达到该值时将会发生冲击地压。从煤壁开始，煤层上覆的应力达到了最大值σ_zmax，而该值接近于极限应力值，说明冲击地压危险性很大。这种情况下，采用直径d＝2r，长为l的钻孔，钻孔中部受挤压的长度为a，结果使钻孔煤体的压力降为σ_sc。应力σ_z越高，钻孔受挤压移动的程度就越大。在支承压力区域内，用大直径钻孔卸压，降低其应力值，而钻孔局部范围出现小的应力集中σ’_z，当σ’_z超过钻孔壁的强度时，随着时间的推移，钻孔间煤体的风化与压裂，使得在每个钻孔周围直径为D的范围内卸压。因此，在布置钻孔时，其间距S至少等于D，这样，在一定范围内，应力降低。

确定卸压钻孔施工方向与最大水平主应力方向垂直，此时，卸压孔能够发生最大程度的变形，同时还能引起岩体产生破碎裂隙，起到最好卸压效果，能够充分降低冲击危险。

实施例：

如图1和图2所示，某矿37221工作面前方150m左右的范围是支承压力区，为冲击地压多发区域，是防治的重点区域。保证在冲击地压危险区域及时利用应力在线监测、钻屑法等方式及时搜集工作面前方应力信息，并在危险区域内工作面前方150m左右的范围内进行大直径钻孔卸压。经冲击危险性评价为强冲击危险区，确定实施大直径钻孔进行卸压，基于该工作面应力环境采用本发明确定大直径钻孔卸压参数，具体实施步骤如下：

(1)通过地应力测试方法中的的应力解除法探查巷帮应力状态，确定巷帮的应力集中状态和分布规律，得到最大水平主应力的方向与巷道轴向的夹角为45度，通过应力解除法得到测点地应力的大小和方向，采用采用最小二乘法线性拟合对各测点的应力值进行回归分析，确定测点最大水平主应力的方向与测点埋深的拟合式为：

σ_h，max＝0.046H+0.714；

确定卸压钻孔施工方向与巷道轴向的夹角的计算公式为：

γ＝45°+90°＝135°；

(2)该工作面区域经钻屑法监测后煤粉超标，具有发生冲击地压的危险，根据钻孔卸压后的冲击危险指数计算公式，得到当钻孔深度为17m时，钻孔深度满足冲击危险性指数为最小，符合安全规范要求；

钻孔直径为110mm；

钻孔间距的施工要求满足各钻孔周围形成弱化区域时，钻孔间距为0.8m，距巷道底板5的距离为1.2～1.8m；

依据以上确定的卸压钻孔施工方向、钻孔深度、钻孔直径确定卸压钻孔的位置，进行卸压钻孔施工。基于该工作面受地质构造影响，应力环境复杂，在对该工作面其他区域施工钻孔时，应重复确定新区域空间最大主应力，重复上述步骤继续施工。施工完卸压钻孔后，再次监测和检验卸压区的冲击地压危险性，使得钻屑不超标，卸压钻孔发生变形破裂，实现最好的卸压效果，降低工作面煤体冲击危险。

Claims (5)

1.一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过地应力测试方法探查巷帮应力状态，确定巷帮的应力集中状态和分布规律，得到最大水平主应力的方向；

(2)根据步骤(1)中得到的最大水平主应力的方向，计算得到卸压钻孔施工方向，所述卸压钻孔施工方向与最大水平主应力方向垂直；

(3)根据煤层所在区域地质情况、应力环境因素，依据步骤(2)确定的卸压钻孔施工方向，确定卸压钻孔施工参数，所述卸压钻孔施工参数包括卸压钻孔深度、卸压钻孔直径、卸压钻孔间距和卸压钻孔布置方式；对于高水平应力区的卸压钻孔间距，还要依据冲击危险等级确定。

2.根据权利要求1所述的一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法，其特征在于，所述步骤(1)中，最大水平主应力的方向通过应力解除法进行地应力测量，测量系统采用孔壁变形法之空芯包体应变计法，具体为：

201)在硐室或巷道的岩体中运用套钻孔或切槽将部分岩样从围岩中分隔出来，通过应变片监测记录岩样的应变值，根据已有的应力应变关系和岩样的弹性模量，得到测点地应力的大小和方向；

202)根据步骤201)中得到的测点地应力的大小和方向，每个测点均有两个主应力呈近水平方向，说明水平构造应力占主导位，采用最小二乘法线性拟合对各测点的应力值进行回归分析，得到测点最大水平主应力与测点埋深的拟合式如下：

σ_h,max＝mH+n；

其中，σ_h,max为测点最大水平主应力；H为测点埋深；m、n为常数，通过最小二乘法拟合直线得到唯一值。

3.根据权利要求2所述的一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在高水平应力区，设最大水平主应力与巷道轴向的夹角为α，则确定卸压钻孔施工方向与巷道轴向的夹角的计算公式为：

γ＝α+90°。

4.根据权利要求3所述的一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法，其特征在于，所述步骤(3)中，冲击危险等级通过冲击危险性评价分为弱冲击危险区、中等冲击危险区和强冲击危险区。

5.根据权利要求3所述的一种区域构造高水平应力区大直径钻孔卸压方法，其特征在于，所述步骤(3)中，卸压钻孔深度的施工要求满足冲击危险性指数最小的确定方法为：能量的衰减与传播的距离成乘幂关系，为简化分析，在不考虑能量衰减差异情况下，得到钻孔卸压后的冲击危险指数计算公式为：

式中，a₁为高应力区域一的面积，单位为m²；l₁为高应力区域一中心与巷帮的距离；a₂为高应力区域二的面积，单位为m²；l₂为高应力区域二中心与巷帮的距离，单位为m；当卸压钻孔满足冲击危险指数最小时，卸压效果最明显；

卸压钻孔直径取110mm；

卸压钻孔间距的施工要求满足各钻孔周围形成弱化区域的判定过程为：在高水平应力区进行大直径钻孔卸压时，每个钻孔的一侧形成应力降低区，应力降低区互相连通后，形成一个整体贯通的煤体软化区，即为弱化区域；

卸压钻孔布置方式的施工要求满足卸压圈相互叠加，保证卸压范围的过程为：采用单排钻孔布置，单个钻孔周围形成应力降低区，各个钻孔周围的应力降低区相互连接形成更大的应力降低区。

Images