堅(jiān)硬底板條件下鉆孔卸壓優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘 要：本文以貴州大方四平煤礦為背景，結(jié)合礦井實(shí)際地質(zhì)條件，利用數(shù)值模擬方法研究堅(jiān)硬底板條件下最優(yōu)鉆孔卸壓方案。通過研究可知：鉆孔卸壓可以有效解決堅(jiān)硬底板應(yīng)力集中，防止回采過程中底板出現(xiàn)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)；底板采用巷道兩側(cè)鉆孔卸壓時(shí)，孔深越大卸壓效果越明顯。

關(guān)鍵詞：堅(jiān)硬底板；鉆孔卸壓；應(yīng)力集中；優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.083

底板沖擊，即底板的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)是目前堅(jiān)硬底板應(yīng)力集中的研究熱點(diǎn)，我國(guó)學(xué)者也進(jìn)行了較為深入的研究和實(shí)踐。徐方軍，毛德兵[1]根據(jù)華豐煤礦底板沖擊礦壓工程背景，分析了底板沖擊礦壓發(fā)生的機(jī)理，認(rèn)為發(fā)生底板沖擊礦壓的必要條件有兩個(gè)，一是底板巖層強(qiáng)度高，二是存在高應(yīng)力作用在底板上。因此，可以通過破壞底板巖層和消除底板高應(yīng)力兩個(gè)途徑防治底板沖擊礦壓的發(fā)生，具體方法包括煤層爆破卸壓、煤層注水弱化及底板爆破卸壓等。牛寶林，邸建友，唐紹琴[2]對(duì)底板沖擊礦壓的特點(diǎn)進(jìn)行了描述，認(rèn)為開采煤層的頂板是使底板產(chǎn)生彈性變形的主要力源，即在頂板自重和垮落時(shí)的動(dòng)力載荷的作用下，底板蓄積了大量的能力，為沖擊礦壓的發(fā)生提供了必要的條件。另一方面，底板富有彈性，厚度大，強(qiáng)度高且完整，這是底板儲(chǔ)存彈性能的基本條件，并且指出破壞底板完整性是治理底板沖擊礦壓的有效手段。

大直徑鉆孔卸壓是在煤巖體應(yīng)力集中或潛在應(yīng)力集中區(qū)，施工一系列大直徑鉆孔，產(chǎn)生自由空間，改變煤巖體的應(yīng)力分布及其特性，使煤巖體圍巖系統(tǒng)儲(chǔ)存的彈性能量得到緩慢釋放的一種措施。但大直徑卸壓的參數(shù)大多都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，沒有進(jìn)行更加深入的研究，本論文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際研究鉆孔深度對(duì)煤巖體應(yīng)力集中的解危效果。

1 工作面概況及模型建立

為研究堅(jiān)硬底板條件下鉆孔卸壓的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，本文選取貴州大方四平煤礦12205工作面為工程背景，建立數(shù)值模擬模型。其地質(zhì)條件如下：主采煤層為K8下，煤層厚度3.50米，12205工作面平均埋深700m，煤層傾角僅為7°，為近水平煤層，礦井為高瓦斯礦井，煤層易自燃，地質(zhì)條件復(fù)雜，工作面附近存在斷層。該礦底板條件復(fù)雜，回采以來(lái)底板時(shí)常發(fā)生“沖底”現(xiàn)象，底板沖擊危險(xiǎn)大，主要是底板下方存在一層8m厚的火成巖，由于火成巖的入侵作用，造成底板應(yīng)力集中，進(jìn)而形成底板沖擊。為解決該問題，結(jié)合礦上現(xiàn)有條件提出鉆孔深度對(duì)堅(jiān)硬底板應(yīng)力集中解危效果研究。本數(shù)值模擬以12205工作面綜合地質(zhì)柱狀圖為基礎(chǔ)，并對(duì)其地質(zhì)條件簡(jiǎn)化，利用FLACD2D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬。

2 鉆孔卸壓優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬

鉆孔位置、鉆孔孔徑大小及鉆孔深度這三個(gè)條件對(duì)鉆孔卸壓效果影響較大，根據(jù)貴州大方四平煤礦現(xiàn)有條件，由于鉆孔位置及孔徑大小是固定的，本次研究主要是鉆孔深度對(duì)堅(jiān)硬地板應(yīng)力集中解危效果的研究。本次模擬孔徑設(shè)為100mm，孔深分別為3m，6m，9m，共三種不同的模擬方式，模擬結(jié)果如下。

從圖1～3看出，鉆孔深度越深卸壓效果越明顯，當(dāng)鉆孔深度為3m時(shí)，堅(jiān)硬底板的上部有所卸壓，但是較高的應(yīng)力都集中在了堅(jiān)硬底板的下部，對(duì)防治底板應(yīng)力集中還是不利的；當(dāng)鉆孔深度為9m時(shí)，堅(jiān)硬底板形成了大范圍的卸壓區(qū)，因此，對(duì)于堅(jiān)硬底板，在采取底板鉆孔卸壓措施時(shí)，盡量采取深孔卸壓，原則上要求鉆孔打穿堅(jiān)硬底板此時(shí)解危效果最好。

3 小結(jié)

結(jié)合數(shù)值模擬研究可知，鉆孔卸壓可以有效解決堅(jiān)硬底板應(yīng)力集中，防止回采過程中底板出現(xiàn)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)；底板采用巷道兩側(cè)鉆孔卸壓時(shí)，孔深越大卸壓效果越明顯，通過此研究以期為相似地質(zhì)條件煤礦提供借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐方軍，毛德兵.華豐煤礦底板沖擊地壓發(fā)生機(jī)理[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29（04）：41-45.

[2]牛寶林，邸建友，唐紹琴.底板沖擊礦壓發(fā)生機(jī)理與防治[J].煤礦開采，1999（01）：20-23.

作者簡(jiǎn)介：吳代兵（1993-），貴州遵義人，本科，主要從事礦山壓力等方面的研究。