深部圍巖位移破壞及穿層鉆孔封孔優(yōu)化

王中華

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037）

深部圍巖位移破壞及穿層鉆孔封孔優(yōu)化

王中華1，2

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037）

基于深部和淺部巷道圍巖地應(yīng)力差異，理論分析了淺部巷道圍巖特征為單應(yīng)力峰值、單一破裂區(qū)，深部巷道圍巖特征為多應(yīng)力峰值、分區(qū)破裂?，F(xiàn)場觀測了深部巷道圍巖位移呈現(xiàn)波峰、波谷交替出現(xiàn)的規(guī)律，波峰部位為破壞區(qū)，波谷部位為非破壞區(qū)；破壞呈現(xiàn)破裂區(qū)和完整區(qū)間隔的分區(qū)破裂現(xiàn)象，破裂區(qū)一般為4～5個，破裂區(qū)范圍明顯大于淺部巷道圍巖破裂部位。優(yōu)化了穿層鉆孔封孔深度為8～10 m，通過單孔抽采量考察，結(jié)果表明穿層鉆孔單孔抽采純量高達(dá)28 m3/d，平均抽采濃度達(dá)20%以上，抽采量提高近10倍，抽采濃度提高4倍以上，抽采效果顯著提高。

深部圍巖 多應(yīng)力峰值 分區(qū)破裂 位移破壞 封孔深度 抽采效果

隨著煤礦開采深度的增加，巷道圍巖應(yīng)力逐漸增大，深部煤巖體處于三高一擾動，即高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯壓力和強(qiáng)烈開采擾動的賦存環(huán)境，使得圍巖應(yīng)力場更加復(fù)雜、圍巖出現(xiàn)大變形和強(qiáng)流變特性、動力響應(yīng)具有突變性、深部煤巖體的脆性—延性轉(zhuǎn)化，甚至巷道圍巖出現(xiàn)分區(qū)破裂現(xiàn)象。分區(qū)破裂現(xiàn)象首先是俄羅斯學(xué)者M(jìn).V.Kurlenya等在深部開采現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的。分區(qū)破裂自從被發(fā)現(xiàn)以來受到廣大學(xué)者的關(guān)注。劉高等得到在我國金川鎳礦區(qū)二礦區(qū)1200 m中段一試驗巷道中垂直于巷道側(cè)墻的鉆孔沿徑向方向的圍巖應(yīng)力實測結(jié)果；顧金才首次以模型試驗證實了分區(qū)破裂的存在，指出軸向高地應(yīng)力是產(chǎn)生分區(qū)破裂的重要原因；周小平和錢七虎把深部巷道的開挖看作動力問題，運(yùn)用彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)，確定了破裂區(qū)和非破裂區(qū)的寬度和數(shù)量；王明洋等研究了深部巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)能的量子化效應(yīng)；賀永年認(rèn)為分區(qū)破裂是深部高應(yīng)力隧洞圍巖的一種廣泛的規(guī)律性行為；張強(qiáng)勇等發(fā)現(xiàn)高地應(yīng)力下洞周圍巖應(yīng)變和位移的非單調(diào)性變化規(guī)律；戚承志等利用連續(xù)相變理論研究了分區(qū)破裂現(xiàn)象并提出運(yùn)用梯度塑性理論來解釋；陳坤福以彈塑性力學(xué)和能量角度研究了分區(qū)破裂現(xiàn)象成因，認(rèn)為主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)是導(dǎo)致該現(xiàn)象的重要因素。目前底板巖巷穿層鉆孔作為突出礦井區(qū)域防突的重要措施，其中封孔效果直接影響抽采防突效果。因此研究深部底板巖巷圍巖位移破壞特征，進(jìn)而優(yōu)化穿層鉆孔封孔方式對防突具有重要意義。

1　底板巖巷應(yīng)力破壞理論分析

1.1淺部巷道圍巖應(yīng)力破壞特征

礦井淺部開采地應(yīng)力水平相對較低，巷道圍巖一般依次分為破碎應(yīng)力降低區(qū)、塑性集中應(yīng)力增高區(qū)及原巖應(yīng)力彈性區(qū)。

基于圍巖松動圈理論，巷道圍巖在開挖過程中的動靜力作用，依次形成破碎區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性強(qiáng)化區(qū)及彈性區(qū)，如圖1所示。

圖1　圍巖松動圈示意圖

巷道圍巖松動區(qū)（r2）包含破碎區(qū)（r1）和塑性軟化區(qū)兩個部分，前者取決于開挖卸載所產(chǎn)生的動力作用，而后者取決于圍巖系統(tǒng)的靜力作用。在彈性應(yīng)力作用下，當(dāng)巷道周邊圍巖的拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變時發(fā)生拉裂破壞，圍巖由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為脆性拉裂狀態(tài)，由此可確定破碎區(qū)半徑r1。根據(jù)破碎區(qū)圍巖應(yīng)力及殘余強(qiáng)度理論，圍巖松動區(qū)半徑（r2）的計算公式為:

式中:r2——圍巖松動區(qū)半徑，m；

?——圍巖的摩擦角，（°）；

c——圍巖的黏聚力，MPa；

p0——靜水壓力，N；

p1——破碎區(qū)對塑性軟化區(qū)的支撐反力，N；

r1——圍巖破碎區(qū)半徑，m。

1.2深部巷道圍巖分區(qū)破裂機(jī)制

深部開采地應(yīng)力水平高，巷道開挖瞬間圍巖暫時處于彈性狀態(tài)，其周邊附近巖體出現(xiàn)應(yīng)力集中，發(fā)生脆性的張裂破壞，形成周邊卸壓區(qū)，如圖2（a）。

圖2　深部巷道圍巖分區(qū)破裂演化過程

由于深部水平地應(yīng)力高和煤巖流變性，應(yīng)力集中峰值區(qū)的應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度而破壞，彈性能進(jìn)一步釋放使塑性區(qū)和彈性區(qū)交界線（此處圍巖環(huán)向、徑向壓力最大，徑向應(yīng)變最大，稱支撐壓力線）逐漸后移，塑性區(qū)逐漸向深部發(fā)展，如圖2（b）所示，形成一條環(huán)帶狀連續(xù)縫。這條環(huán)狀連續(xù)縫外側(cè)圍巖又會因為應(yīng)力集中出現(xiàn)彈性轉(zhuǎn)化脆性的張裂破壞，如圖2（c）所示，這樣重復(fù)出現(xiàn)彈性轉(zhuǎn)化脆性的張裂破壞和由塑性轉(zhuǎn)化為脆性的拉裂環(huán)狀連續(xù)縫使得圍巖內(nèi)產(chǎn)生交替的破壞及未破壞區(qū)域，即分區(qū)破裂化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一直進(jìn)行到圍巖介質(zhì)內(nèi)由荷載作用產(chǎn)生的最大徑向拉應(yīng)變值小于圍巖的極限拉應(yīng)變時為止，如圖2（d）所示。因此，深部高應(yīng)力環(huán)境下煤巖體處于峰后特性狀態(tài)，巷道圍巖可能存在復(fù)雜應(yīng)力區(qū)，一定條件下巷道圍巖狀態(tài)有時發(fā)生膨脹帶和壓縮帶交替出現(xiàn)的情形，且其幾何尺寸（寬度）按一定比例遞增，出現(xiàn)區(qū)域破裂現(xiàn)象；巷道圍巖應(yīng)力峰值減弱，卸壓區(qū)寬度顯著增大。

淺部巷道在圖2（b）階段由于支撐壓力線處徑向拉應(yīng)變無法達(dá)到最大徑向拉應(yīng)變，塑性強(qiáng)化區(qū)完全可以支撐圍巖壓力，即只有一個破裂區(qū)和一個完整區(qū)，不會產(chǎn)生分區(qū)破裂化現(xiàn)象，僅為深部巷道分區(qū)破裂的第一個破裂區(qū)。因此，淺部巷道圍巖卸壓半徑遠(yuǎn)小于深部巷道。

深部巷道一般有若干個破裂區(qū)，巷道壁至最外側(cè)破裂區(qū)外邊界即為巷道的卸壓半徑。假設(shè)最外側(cè)破裂區(qū)為i，第i個破裂區(qū)內(nèi)邊界的表達(dá)式為:

第i個破裂區(qū)外邊界（巷道卸壓半徑）的表達(dá)式為:

ν——材料泊松比；

p0——原巖應(yīng)力，N。

綜上所述，礦區(qū)淺部與深部開采由于地應(yīng)力大小相差較大，巷道圍巖附近卸壓帶寬度存在差異。深部開采地應(yīng)力水平高，巷道圍巖附近可能形成分區(qū)破裂現(xiàn)象，卸壓帶寬度明顯增大。

2　底板巖巷圍巖位移破壞考察

2.1試驗區(qū)概況

尚莊煤礦為煤與瓦斯突出礦井，試驗地點505底板運(yùn)輸巖巷位于四水平（-650 m），屬于東三下山采區(qū)，埋深726～876 m，巷道斷面4.2 m×3 m（寬×高），巷道與煤層法向距離為19 m。頂板巖性由下向上依次為:淺灰色細(xì)砂巖與深灰色細(xì)粉砂巖互層，厚約8.8 m；淺灰色中粒砂巖，厚約1.2 m；淺灰色～深灰色薄層狀泥質(zhì)細(xì)粉砂巖，偶見菱鐵礦結(jié)核，厚5.0～6.0 m。B4煤層發(fā)育比較穩(wěn)定，煤層厚2.8～3.8 m，中間有0.4～0.6 m的夾矸，煤層傾角10°～13°，走向N70°～85°E，傾向SW。瓦斯絕對涌出量為6.01 m3/min，相對涌出量為14.46 m3/t，瓦斯壓力2.0 MPa，瓦斯含量為8.28～22.45 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為2.59 ×10-2～9.61×10-2m2/MPa2·d，屬難抽采煤層，煤塵具有爆炸性和自燃性，爆炸指數(shù)17.65%，自然發(fā)火期為4～6個月。地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，掘進(jìn)過程中揭露斷層6條，其中，落差大于2 m的有1條，落差0.5～2 m的有5條。

2.2圍巖位移特征

為了分析巷道圍巖內(nèi)部位移情況，采用DW-6型多點位移計來測量巷道圍巖不同深度的相對位移。共考察2個斷面，考察位置分別位于距掘進(jìn)工作面240 m和100 m處，每個斷面布置5個鉆孔，分別考察巷道中心線下幫15 m、下幫7.5 m、正上方、上幫7.5 m、上幫15 m處的圍巖位移量，每個鉆孔共6個觀測點，每個觀測點位于鉆孔內(nèi)部的不同深度，考察結(jié)果如圖3所示。

圖3　尚莊煤礦505底板運(yùn)輸巖巷圍巖位移

由圖3可知，同一鉆孔不同基點，由外向內(nèi)呈現(xiàn)為波峰和波谷變化的特點，這種變化規(guī)律不同于淺埋硐室圍巖位移與隨離硐壁距離的增大而逐漸減小的單調(diào)變化規(guī)律，初步判斷巷道開挖后圍巖內(nèi)部存在分區(qū)破裂現(xiàn)象，位移量較大的波峰部位為圍巖破壞區(qū)，位移量較小的波谷部位為圍巖非破壞區(qū)。

2.3圍巖破壞特征

為了能直觀地反映底板巖巷的破壞情況，以便觀測圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育，以及為分析圍巖內(nèi)部瓦斯運(yùn)移規(guī)律及抽采防突提供現(xiàn)實依據(jù)，決定采用YTJ20型巖層探測記錄儀探測圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其組成包括彩色攝像探頭、視頻傳輸線、導(dǎo)桿和主機(jī)等，應(yīng)用窺視儀探測圍巖內(nèi)部破壞時，須在巷道表面鉆孔，利用導(dǎo)桿人工沿鉆孔軸心推進(jìn)攝像探頭。通過彩色攝像探頭實測鉆孔內(nèi)巖層圖像，由視頻傳輸線將視頻信號傳輸?shù)街鳈C(jī)液晶顯示屏上，由導(dǎo)桿或鋼卷尺記錄鉆孔深度，顯示屏記錄鉆孔內(nèi)壁構(gòu)造。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)和圖像，用AUTOCAD軟件將每個鉆孔內(nèi)圍巖破裂的位置及程度由外向內(nèi)依次描繪在圖上，并且將間隔不大于0.2 m的破裂劃分為一個帶；每個破裂帶用多義線連接起來，并用十字網(wǎng)格充填，由外向內(nèi)依次為破裂帶編號，得到圍巖分區(qū)破裂情況。試驗巷道上方圍巖上下幫15 m范圍內(nèi)不同位置的圍巖破壞情況如圖4所示。

圖4　底板巷監(jiān)測斷面圍巖分區(qū)破裂

由圖4可知，每個巷道斷面圍巖破裂區(qū)一般有4～5個，有的破裂區(qū)較小，沒有貫穿，僅為零散分布，破裂區(qū)破裂大小程度依次為正上方、兩側(cè)7.5 m、兩側(cè)7.5～15 m。巷道表面范圍內(nèi)圍巖的破壞最為嚴(yán)重，以嚴(yán)重破碎和破碎為主，這個區(qū)域可認(rèn)為是傳統(tǒng)意義上的巷道圍巖松動圈。表面破壞區(qū)外是完整區(qū)，再往外進(jìn)入第二破裂圈，這一破裂分區(qū)圍巖的破壞也比較大，以破碎和裂隙為主。然后又是完整區(qū)，接著又是第三破裂區(qū)，這一破裂分區(qū)圍巖的破壞比較小，以裂縫為主。間隔完整區(qū)，進(jìn)入第四破裂區(qū)。間隔完整區(qū)，進(jìn)入第五破裂區(qū)，這一破裂區(qū)較小且不連續(xù)。破壞深度最大達(dá)8.47 m。

3　穿層鉆孔封孔優(yōu)化

3.1封孔優(yōu)化

目前，底板巖巷抽采鉆孔封孔長度按照抽采設(shè)計規(guī)范要求不少于5 m，但實際實施過程中容易漏氣，抽放效果差。根據(jù)上述對尚莊煤礦圍巖位移、破壞特征的觀測，圍巖位移破壞范圍最大達(dá)8.47 m（即卸壓范圍），為確保抽采效果，抽采鉆孔封孔長度應(yīng)大于卸壓范圍；因此封孔長度由不少于5 m優(yōu)化為8～10 m，封孔工藝如圖5所示。

圖5　穿層抽采鉆孔封孔優(yōu)化示意圖

3.2封孔效果考察

采用優(yōu)化的封孔方式后，對上述觀測鉆孔單孔的瓦斯抽采量進(jìn)行觀測，如圖6所示。

圖6　穿層鉆孔抽采瓦斯純量變化曲線

煤層在封孔深度優(yōu)化前，鉆孔單孔抽采量僅為3～5 m3/d，抽采不穩(wěn)定，抽采濃度僅有5%左右。由圖6可知，采用優(yōu)化的封孔方式后，底板穿層鉆孔的單孔抽采量均較大，最大達(dá)28 m3/d，且抽采比較均勻，平均抽采濃度達(dá)20%以上，根據(jù)擬合曲線可知，抽采量符合瓦斯衰減規(guī)律，抽采效果顯著。

4　結(jié)論

（1）礦井淺部與深部地應(yīng)力大小相差較大，分別呈現(xiàn)單應(yīng)力峰值、多應(yīng)力峰值特征；淺部圍巖只有一個破裂區(qū)，深部巷道圍巖可能形成分區(qū)破裂現(xiàn)象，淺部圍巖破裂區(qū)寬度遠(yuǎn)小于深部。

（2）深部巷道圍巖位移不同于淺埋硐室圍巖位移與隨離硐壁距離的增大而逐漸減小的單調(diào)變化規(guī)律，呈現(xiàn)波峰、波谷交替出現(xiàn)的特征，位移量較大的波峰部位為圍巖破壞區(qū)，位移量較小的波谷部位為圍巖非破壞區(qū)。

（3）通過觀測深部圍巖出現(xiàn)分區(qū)破裂現(xiàn)象，破裂區(qū)和完整區(qū)間隔出現(xiàn)，破裂區(qū)一般為4～5個，破裂區(qū)明顯大于淺部巷道。

（4）基于深部圍巖位移、破壞特征，優(yōu)化穿層鉆孔封孔深度為8～10 m，通過考察，穿層鉆孔單孔抽采純量高達(dá)28 m3/d，平均抽采濃度達(dá)20%以上，抽采效果顯著提高。

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（責(zé)任編輯 張艷華）

Displacement failure of deep surrounding rock and optimization of sealing process of through holes

Wang Zhonghua1，2
（1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Shapingba，Chongqing 400037，China；2.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Shapingba，Chongqing 400037，China）

Based on the difference of ground stress between deep surrounding rock and shallow surrounding rock，the features of surrounding rock of roadway were theoretically analyzed，which were single peak stress and single disintegration of shallow surrounding rock and multi peak stress and zonal disintegration of deep surrounding rock.Field observation shows the displacement of deep surrounding rock of roadway takes on alternative appearance of the peak and trough of stress，the position corresponding to the peak of stress is disintegration zone and the positon corresponding to the trough of stress is not disintegration zone；the disintegration takes on zonal disintegration which disintegration zone and integration zone intervally appear，the disintegration zone is generally 4 to 5 and the disintegration range of deep surrounding rock is obviously greater than the disintegration range of shallow surrounding rock.The optimal sealing depth of through hole is 8 to 10 meters，the investigation results of quantity of drainage of single through hole show that net quantity of drainage of through hole reaches up to 28 m3/d，increasing by about 10 times，the methane gas concentration of drainage reaches more than 20%，increasing by more than 4 times，the effect of drainage is obviously improved.

deep surrounding rock，multi peak stress，zonal disintegration，displacement failure，sealing depth，gas extraction effect

TD713.3

A

王中華（1984-），男，山東棗莊人，助理工程師，碩士，現(xiàn)工作于中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，主要從事煤礦安全技術(shù)及工程研究。