大孔径卸压孔倾角、间距、布设方式参数的优化

陈宝红,张怀山

潞安新疆煤化工集团有限公司砂墩子煤矿，新疆  839003

摘要：大直径钻孔卸压是防治冲击地压重要手段之一，合理的布置卸压孔可以导致巷帮围岩的结构性预裂破坏，从而使围岩高应力由巷帮向深部转移，煤层钻孔卸压是指在冲击危险区域施工一定数量的钻孔，为煤层应力或能量释放提供空间，当煤层应力或能量通过钻孔释放后，煤层应力向深部转移，浅部煤体通松动，形成卸压带，起到消除或减缓冲击地压危险的作用。通常来说，煤层大直径深孔卸压钻孔直径为120~150 mm 时，强冲击危险区域要求钻孔间距不大于1m，中等冲击危险区域要求钻孔间距不大于2m，弱冲击危险区域要求钻孔间距不大于3m，钻孔间距只是根据冲击危险性进行分类，同等冲击危险条件下并未根据煤体强度的不同而确定针对性的钻孔卸压间距。

N4105工作面为我矿N41采区孤岛工作面，该工作面东侧为N4104工作面采空区，西侧为N4106工作面采空区，该工作面经评价具有弱冲击危险性，该孤岛工作面上一个孤岛工作面为N4103工作面，N4103工作面经评价具有弱冲击危险性，本次优化以N4103孤岛工作面大孔径卸压孔设计为基础针对埋深、煤层倾角、煤岩物理特性等进行优化，并对比两工作面优化后后续进行效果验证，通过对比、检验、分析N4105工作面大孔径卸压钻孔设计优化在实际应用中的效果。

关键词：压孔倾角；布设；优化

1.N4103工作面大孔径卸压孔设计技术参数

N4103工作面卸压孔设计深度为20m，孔径Φ125mm，孔间距为1m，钻孔倾角为0°，钻孔成线布置，距离底板高度为1200mm，N4103工作面回风顺槽、胶带顺槽全巷施工大孔径卸压孔。

2.大孔径卸压孔参数优化思路

我矿通过对N4103工作面卸压孔施工以及应力监测系统、微震检测系统数据的收集、统计，通过以下几点思路对进行设计优化。
大孔径卸压孔卸压原理为完整的煤体可以积蓄较大的弹性能，发生塑性破坏的煤体积蓄弹性能的能力降低，钻孔卸压是人为制造弱面或弱化空间，进而诱发原先完整的煤体产生裂隙、破碎等塑性破坏，吸收煤体积蓄的弹性能转化为塑性能消耗，同时，钻孔卸压使浅部煤体的应力转移至深部，在深部冲击时，钻孔卸压区域的低蓄能煤体可作为巷道的保护煤柱，提供一定的阻抗作用。钻孔卸压后，浅部应力向深部转移深度、低蓄能煤体提供阻抗作用的能力，主要由钻孔深度决定。钻孔周边塑性区扩展范围、卸压效率等在很大程度上受钻孔间距的影响。在煤体中施工卸压钻孔，相当于在煤体中创造了新的自由面，自由面处的煤体原有应力解除，该区域处于低应力状态，距离钻孔较远的高应力煤体迫使钻孔周边处于挤压状态的煤体产生向自由面运动的趋势。

（1）N4105工作面根据初采期间、断层区域、一次见方区域、二次见方区域、巷道交叉点区域等因素划分危险区域，对N4105工作面划分出10处弱冲击危险区域，其他区域为无冲击危险区，针对危险区域采取解危措施，对于无危险区域采用微震、应力监测手段对微震事件、能量、应力值进行监测，不采用N4103工作面胶带、回风顺槽两巷全巷打设卸压孔进行超前治理， 本次优化只针对弱危险区域开展，一方面减少不必要的人工、材料、装备投入，另一方面通过应力、微震监测系统时时在线监测手段进行监测，确保回采安全。

（2）此次优化调整卸压孔参数，N4103工作面卸压孔深度为20m，考虑钻孔卸压使浅部煤体的应力转移至深部，在深部冲击时，钻孔卸压区域的低蓄能煤体可作为巷道的保护煤柱，提供一定的阻抗作用。钻孔卸压后，浅部应力向深部转移深度、低蓄能煤体提供阻抗作用的能力，主要由钻孔深度决定，故提出深度由20m变更为30m，增加卸压孔影响区域，提升卸压效果。N4103工作面大孔径卸压孔间距为1000mm，考虑钻孔周边塑性区扩展范围、卸压效率等在很大程度上受钻孔间距的影响，且根据一般要求弱冲击危险区域要求钻孔间距不大于3m，提出将钻孔间距由1000mm变更为2000mm。N4103工作面卸压孔钻孔倾角为0°，但4-1#煤层东西方向倾角平均在5-7°，N4105工作面回风、胶带顺槽均沿着煤层底板掘进，若N4105工作面胶带顺槽按照0°倾角施工将进入底板岩层中，失去卸压作用，回风顺槽将进入煤层顶板中，未能起到弱化工作面煤体蓄能效果，故提出卸压孔倾角回风顺槽按照-5-6°下山施钻，胶带顺槽按照5-6°上山施钻，提升卸压效果。

（3）N4103工作面卸压孔于帮部呈直线布设，考虑到钻孔在空间层位呈线性布设不利于煤体产生裂隙、破碎等塑性破坏，同时也不利于吸收煤体积蓄的弹性能转化为塑性能消耗，故提出采用“三花”布设卸压孔，一组布设于底板以上1200mm位置，一组布设于底板以上1600mm位置，呈“三花”布设。

（4）根据以上思路提出N4105工作面弱冲击危险区域卸压孔设计方案并实施。

3.N4105工作面

大孔径卸压设计优化

根据以上思路，由卸压孔设计长度、倾角、间距、布置方式、施工区域等方面入手，提出以下设计优化方案。

（1）N4105工作面卸压孔设计长度由原先20m变更为30m，通过增加卸压孔深度，提升钻孔卸压区域的低蓄能煤体深度，提升卸压区域，提升卸压效果。

（2）N4105工作面卸压孔倾角由原先0°布置变更为沿煤层倾角布置，N4105工作面回风顺槽卸压孔倾角为-6°，N4105工作面胶带顺槽卸压孔倾角为6°，布设于煤层同一层位中对于卸压钻孔效果较为有利，应力释放均匀，且钻孔不会进入煤层底板或顶板中，造成施工难度增加、卸压效果减弱情形。

（3）卸压孔间距增加至2000mm，在不降低卸压孔效果前提下增加卸压孔间距，降低施工工作量，卸压孔布置方式由原先“一字布置”变更为“三花布置”，第一排距离底板1.2-1.5m，第二排距离底板1.6-2.0m，两排交错布置，形成“三花布置”，对于不同层位开展卸压，降低煤层内应力分布状态。

（4）N4105工作面根据初采、断层影响区、巷道交叉点、一次见方区、二次见方区域划定出10处弱冲击危险区，本次N4105工作面只对弱冲击危险区域开展卸压孔超前卸压作业，对无冲击危险区不打设卸压孔进行卸压，采用微震、应力监测手段对微震事件、能量、应力值进行监测，若在无危险区域微震或应力值超标则开展解危卸压措施。

4.基于应力监测数值对N4103工作面与N4105工作面卸压效果进行对比、分析、总结

通过对N4103工作面、N4105工作面过二次见方区域期间应力监测系统应力值进行对比。N4103工作面通过二次见方区域期间最大应力值为7.42MPa，平均应力值为5.3MPa，N4105工作面通过通过二次见方区域期间最大应力值为5.45MPa，平均应力值为4.75MPa，N4103工作面过二次见方区域期间最大值较N4105工作面二次见方期间应力最大值高36%，平均值较N4105工作面高11.6%。

经对比，卸压孔优化后，应力值变化平稳、应力值基本在3.5至6 MPa区间，应力值趋于平稳、且未发生一次预警事件，通过对卸压孔设计优化后应力监测系统应力值下降明显，且工作面应力趋于平稳，证明了此次优化设计取得了实效。

5.结束语

（1）N4103工作面共计施工4080组卸压孔，N4105工作面经过优化设计，只需对弱冲击危险区施工卸压孔，N4105工作面施工470组卸压孔即可满足安全生产需求，通过大孔径卸压孔设计优化，人工费用共计可节省60万元，工程措施费用对比节省近200万元。

（2）N4105工作面经过优化设计，调整孔深、孔间距、角度等参数，超前组织大孔径卸压钻孔预卸压施工，至今未发生一次冲击地压预警事件，且应力监测系统在弱冲击危险区应力值有明显下降，且工作面应力趋于平稳，证明了此次优化设计取得了实效，帮部煤岩体产生裂隙、破碎等塑性破坏，吸收煤体积蓄的弹性能转化为塑性能消耗，应力向深部转移。

（3）此次大孔径卸压孔设计优化方案的提出、实施、后期通过应力监测、微震监测分析，钻屑孔法验证等手段证明此次优化设计的适用性、可行性、有效性、达到了“安全可靠，科学合理、降本增效”的效果，同时也为我矿乃至集团公司冲击地压防治工作积累了宝贵经验。

参考文献：

1.基于不同强度煤体的合理卸压钻孔间距研究，【采矿与安全工程学报】，盖德成，李东，蒋福兴，王存文

2.深部高应力巷道破坏机理及置孔卸压支护技术研究，孙雁新，李彦斌