煤峪口礦多層煤柱區域卸壓開采的鉆孔直徑選擇研究與應用

魏川博

（晉能控股煤業集團有限公司技術中心 山西 大同 037003）

0 引言

受地質條件、圍巖性質、采掘順序、支護方式等因素的影響,大同礦區煤峪口礦工作面和巷道存在著不同程度的礦壓顯現現象，下分層巷道壓力普遍存在煤柱側側壓大，而且307 盤區巷道集中壓力顯現強烈[1]。煤峪口礦12#煤層8705工作面因周圍多層煤柱區域的復雜條件預計會發生開采應力集中現象，為解決這一難題，采取鉆孔卸壓的防治措施，研究合適的卸壓鉆孔直徑并將鉆孔卸壓方案應用到現場，實現工作面安全高效生產。

1 工程概況

煤峪口礦主采的307 盤區多層煤柱開采區域，共包含2 個工作面，其中11#煤層8703 工作面已開采完畢，現要開采12#煤層8705 工作面。12#煤層：上距11#煤層1.70 m～33.20 m，平均19.75 m，煤層厚0 m～5.16 m，平均厚2.47 m，含夾矸0～3 層。井田東部煤層較穩定，大部可采；中部煤層與11#煤層層間距逐漸減小，并與11#煤層合并?？傮w上，由東向西煤層厚度增大，煤層結構較簡單，一般含1 層夾石，為大部可采穩定煤層。12#煤層的平均厚度2.47 m，普氏系數為2，頂板為灰白色細粒砂巖，以石英為主，上部有水平層理，膠結堅硬；底板為灰白色細粒砂巖與中粒砂巖互層，成分以石英為主，含煤塊及黃鐵礦結核，膠結堅硬，目前開采8703工作面開采深度為342 m～344 m。

8705 工作面的空間四鄰關系為：北側為307 盤區巷道，東北為11#-12#煤層8703工作面采空區相隔8 m煤柱，西側為實體煤與11#煤層8703 工作面相隔32 m煤柱，上覆為11#層-12#煤層合并層8701工作面采空區（8705 工作面巷道內錯于8701 工作面布置），下覆為14#煤層。工作面空間四鄰關系如圖1 所示。其中2705巷道為高3 m，寬4.5 m的拱形斷面巷道。

圖1 8705工作面多層煤柱區域開采情況

2 12#煤層8705工作面采動應力分析

利用有限差分FLAC3D數值模擬軟件對8705 工作面周圍多層煤柱區域應力分布情況進行模擬，模擬不同推進長度時8705工作面采動應力，數值模擬模型尺寸為600 m×500 m×120 m（長×寬×高），共建立1 538 075個單元，煤巖物理力學參數測試結果如表1。

表1 煤巖物理力學參數測試結果

分別選取了工作面推進50 m、150 m、250 m、350 m、450 m、570 m位置，繪制采動應力分布規律圖，如圖2所示。

圖2 8705工作面推進不同距離的應力分布規律圖

8705 工作面上覆為開采較早的8101 工作面采空區，8705工作面開采過程中，受采空區的影響，支承壓力值較低。工作面推進距離為50 m時，支承壓力峰值為12.09 MPa，峰值點位于煤壁前方5.8 m處，影響范圍為42.2 m；工作面推進距離為150 m 時，峰值為13.62 MPa，峰值點位于煤壁前方5.7 m 處，影響范圍為37.7 m；工作面推進250 m 時，峰值為13.57 MPa，位于煤壁前方5.6 m 處，影響范圍為36.7 m；工作面推進350 m時，峰值為14.17 MPa，位于煤壁前方5.5 m 處，影響范圍為36.65 m；工作面推進450 m時，峰值為14.21 MPa，位于煤壁前方5.5 m處，影響范圍為36.65 m；工作面推進570 m 時，峰值為14.37 MPa，位于煤壁前方5.5 m處，影響范圍為36.65 m。

12#煤層8705 工作面隨著推進逐漸形成三角煤柱區。當工作面從開切眼推進至200 m 區間內，距8703工作面較遠，煤柱區應力值變化量不明顯；當工作面繼續推進，三角煤柱開始形成，煤柱應力值逐漸升高；推進至350 m 時，應力持續升高，集中系數增至2.47；推進至380 m 時，三角煤柱受兩個工作面回采疊加效應最大，應力升高且集中系數增至2.59；工作面繼續推進，開始逐漸遠離三角煤柱區，推進至停采線時，應力值應保持較高狀態，集中系數為2.51。

8705 工作面開采后三角煤柱區應力與原巖應力相比，升高了251%，積聚的能量較大，發生沖擊地壓可能性增大，為改善其應力過于集中的現象，降低事故隱患發生風險，對8705 工作面開采170 m～410 m 區間鄰近三角煤柱區域采取鉆孔卸壓的措施進行重點防范。

3 鉆孔卸壓機理

煤壁鉆孔卸壓與松動爆破是綜合防治此類難題的一項煤巖層的改性弱化技術。通過合理布置的鉆孔可以引起巷道深部圍巖(鉆孔遠端附近圍巖)首先發生結構性破壞,從而形成一個弱化區和弱化帶,引起巷道周邊圍巖內的高應力向深部轉移,從而使巷道周邊附近圍巖處于低應力區,有利于巷道圍巖的穩定[2]。其目的是降低煤層與圍巖的強度，使煤巖體的彈性能得到釋放并形成破碎帶塑性區，減弱甚至消除沖擊地壓發生的內因和外因[3]，從而達到防治沖擊地壓的目的。

4 卸壓鉆孔孔徑大小的選擇

按照煤峪口礦鉆機型號及施工經驗，采用單排卸壓鉆孔布置，卸壓鉆孔孔徑一般為108 mm，根據計算確定向三角煤柱區域卸壓鉆孔深度為20 m。為研究不同鉆孔直徑對卸壓效果的影響，選擇合適的鉆孔直徑，選取鉆孔間距均為0.5 m、深度均為20 m，距離底板高度1 m?？讖綖棣?6 mm、φ108 mm、φ130 mm的3種方案，分別數值模擬卸壓效果，應力云圖見圖3。

圖3 不同孔徑條件下卸壓效果應力云圖

煤柱區應力：鉆孔直徑為φ96 mm時，煤柱區應力值降為12.98 MPa；直徑為φ108 mm時，煤柱區應力值降為12.20 MPa；直徑為φ130 mm時，煤柱區應力值降為10.02 MPa。鉆孔間應力：鉆孔直徑為φ96 mm、φ108 mm 時，鉆孔間煤體處于卸壓狀態，應力值分別為13.94 MPa與14.20 MPa；直徑φ130 mm時鉆孔間煤體處于應力集中狀態，應力值為26.37 MPa。

可以看出，鉆孔直徑由96 mm 增大至130 mm 時，煤柱區應力值始終在下降但下降不明顯，而孔間應力集中程度顯著加大，可見鉆孔直徑過大會造成應力更加集中，相比96 mm和130 mm鉆孔直徑，108 mm孔徑更為合適。最終確定卸壓方案為在8705 工作面煤柱影響區2705 巷道內向三角煤柱區布置鉆孔進行單排卸壓，鉆孔直徑為108 mm，間距為0.5 m，孔深為20 m，如圖4所示。

圖4 8705工作面2705巷道卸壓鉆孔布置圖

5 礦壓監測結果

分別在8705 工作面5#、15#、25#、35#、45#、55#、65#液壓支架（型號為：ZZS-5600）配備了YHY60型礦用本安型數字壓力計，用于監測工作面開采過程中頂板應力變化情況。液壓支架平均初撐力統計見表2所示。

表2 支架平均初撐力統計表

支架型號為ZZS-5600 型，額定工作阻力為5 600 kN，初撐力為額定工作阻力的41.71%～78.16%，支架初撐力基本滿足要求。

以工作面35#支架監測數據為例，分析工作面開采階段時，工作阻力占整個開采階段變化情況，35#支架工作阻力統計見表3所示。

表3 支架工作阻力分布統計

（1）支架初期工作阻力：平均2 946 kN，頂板應力不大；（2）支架中期工作阻力：平均4 419 kN，頂板應力穩定增加；（3）支架末期工作阻力：平均5 401 kN，頂板應力達到峰值，支架安全閥部分開啟。

6 結論

（1）8705 工作面開采后三角煤柱區應力上升過高，發生動力災害可能性較大，通過數值模擬得出需鉆孔卸壓的范圍為距離工作面開切眼170 m～410 m處。

（2）受2705 巷鉆孔卸壓影響，8705 工作面開采過程中，監測的支架壓力穩定，工作面頂板應力與載荷平穩，無明顯礦壓顯現，未發生動載礦壓或沖擊地壓等動力顯現，說明使用108 mm直徑鉆孔卸壓具有一定有效性。