深部巷道围岩钻孔卸压与围岩控制技术研究

深部巷道围岩钻孔卸压与围岩控制技术研究郑贺;王猛;徐少辉【摘要】To counter to a series problems that the ground stress of the roadway surrounding rock and the fractured rock mass increased and the surrounding rock deformation was difficult to be under effective control by traditional support methods, a pressure-relief model for deep roadway by boreholes was established by using the finite difference method FLAC3D , and analysis was made on the stress distribution rules and deformation failure characteristics of roadway surrounding rock before and after pressure relief by boreholes. The results showed that the pressure-relief technique by boreholes can effectively release the deformation failure energy in the high-stress zone of the roadway surrounding rock, spur the high stress in the shallow surrounding rock to be transferred into the deep rock mass, and significantly improve the stress environment of surrounding rock. Based on the simulation analysis of the pressure-relief boreholes, the technical parameters of pressure relief by boreholes and the active support were rationally determined. Filed tests showed that the surrounding rock deformation was effectively controlled with this technology.%针对深部开采条件下巷道围岩地应力增加、破碎岩体增多等一系列问题，导致传统支护手段难以有效控制围岩变形的现象，采用有限差分软件FLAC3D建立深部巷道钻孔卸压模型，对钻孔卸压前后巷道围岩应力分布规律与变形破坏特征进行了分析，结果表明，钻孔卸压技术可有效释放巷道围岩应力增高区的变形破坏能量，促使浅部围岩高应力转移至深部煤岩体中，显著改善围岩应力环境。

基于对卸压钻孔参数的模拟分析，合理确定出钻孔卸压与主动支护技术参数。

工程实践表明，该技术围岩控制效果显著。

【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P51-55)【关键词】深部巷道;钻孔卸压;应力转移;围岩控制【作者】郑贺;王猛;徐少辉【作者单位】中国矿业大学孙越崎学院，江苏徐州221116;中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116;中国矿业大学孙越崎学院，江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TD322+.5随着能源需求与开采强度的不断加大，我国浅部煤炭资源日益枯竭，许多矿井已转入深部开采阶段。

随着煤矿开采深度的不断增加，由围岩变形导致的巷道变形现象时有发生，采用传统的支护形式无法有效控制深部巷道围岩变形［1－4］，巷道维护非常困难，这些问题已成为制约煤炭资源安全高效开采的瓶颈［5－6］。

据顿涅茨矿区资料介绍，为解决井深增加带来的影响，15年内尽管支护强度增加1倍，费用增加1.4倍，但矿井巷道复修量仍超过40%以上［7］。

我国统计的深部巷道翻修率甚至高达200%，一些巷道因难于维护而被遗弃，如开滦赵各庄矿－980 m水平和新汶孙村矿－1 100 m水平煤巷［8－9］。

研究表明，卸压技术可以改善巷道围岩的恶劣应力环境，使高地应力围岩转化为低地应力围岩，从而达到减小围岩变形的目的，特别是在深井巷道中可以达到较好的支护效果。

在我国采用的卸压方法主要有卸压槽法、松动爆破法、开掘卸压巷道或硐室法、跨采法等，而钻孔卸压法在前苏联、日本等国的研究和应用较多，该方法具有卸压工程量小、施工方便、施工速度较快、不影响工期等优点。

但在国内则很少有报道［10－13］，基于此，笔者采用 FLAC3D软件，建立深部巷道钻孔卸压数值计算模型，通过对钻孔卸压前后巷道围岩应力分布规律与变形破坏特征的分析，确定出钻孔卸压与主动支护技术参数，并成功应用于现场实践，围岩控制效果显著。

1 生产地质条件某矿岩巷埋深1 180 m，设计长度630 m，岩层走向为300°～310°，岩石倾角30°～34°。

煤岩层柱状图如图1所示。

图1 煤岩层柱状图巷道采用穿层掘进，在掘进过程中揭露煤8～煤11之间的煤岩层。

巷道断面为墙高2 m、宽4 m的半圆直立拱形。

自重应力24 MPa，属于典型深部高应力巷道。

巷道采用锚网索喷联合支护，施工巷道铺设经纬金属网后打设螺纹钢高强锚杆，其规格为Φ22 mm×2 400 mm，锚杆间排距为800 mm×800 mm。

锚索排距为1 600 mm×2 400 mm，锚索规格为Φ17.8 mm×5 000 mm，每根锚索配专用锚扣紧固。

靠近岩面使用400 mm×400 mm碟形钢板锚盘。

锚索支护后铺设钢筋网，喷射总厚150 mm混凝土喷层。

在支护结束后，通过对60 d内的矿压观测数据分析(见图2)得知，巷道掘进后的最初30 d内，围岩变形剧烈，为巷道变形剧烈期，巷道围岩变形主要集中在该阶段内;在30 d到60 d的时段内，围岩变形速度趋向缓和。

巷道掘进60 d后，顶底板移近量累计达637 mm，两帮移近量累计达345 mm。

2 钻孔卸压效果模拟分析2.1 模型的建立图2 巷道围岩变形曲线按试验巷道的生产地质条件，建立X·Y·Z为30 m×20 m×30 m 的模型，上部施加24.05 MPa的垂直应力，模拟1 000 m埋深条件。

除上界面外，其余全部约束界面位移。

本构模型采用model－mohr材料模型。

开挖断面为墙高2 m、净宽4 m的半圆直立拱形巷道，模拟模型及参数见图3和表1。

图3 模拟模型示意图表1 模拟岩体力学参数弹性模量/GPa密度/(kg/m3) 泊松比内摩擦角/垂直应力/(°)黏聚力/MPa MPa 1.5 2 500 0.18 30 2.4 24.052.2 巷道围岩应力演化与变形特征为分析巷道围岩应力演化与变形特征，提出两种数值模拟方案:①巷道不做处理后开挖;②在巷道开挖后，同一垂直面内，在巷道两帮距底板2 m的位置和顶板中央分别开挖孔深为6 m不同孔径的钻孔。

分别对这两种方案下的数值模型进行巷道开挖计算，计算平衡后，切取模型垂直应力分布云图和巷道围岩位移分布云图，见图4～5。

图4 巷道垂直应力分布云图图5 巷道围岩位移分布云图1)由图4可知，相比于无钻孔巷道，钻孔卸压的巷道围岩应力增高区被钻孔切断，部分应力得到释放，同时大部分应力被转移至更稳定的煤岩深部，应力增高区峰值由34 MPa以上减小至30 MPa以下且应力增高区范围有所减小，钻孔起到了释放高应力的作用，使应力峰值区往围岩深部进一步转移，明显改善了巷道围岩的支护环境。

2)由图5可知，相比于无钻孔巷道围岩位移量，有钻孔的巷道顶板位移量减小140.8 mm、两帮侧移量减小219.1 mm、底板位移量减小474.7 mm，与无钻孔巷道相比，钻孔卸压巷道顶板位移量减小60.1%，两帮侧移量减小 53.4%，底鼓量减小65.8%，表明钻孔卸压后可有效减小巷道围岩变形量，围岩控制效果明显。

综上所述，深部巷道采用钻孔卸压技术后，不仅可以释放聚积在围岩中的破坏变形能量，诱使应力峰值区往围岩深部进一步转移，改善巷道围岩应力环境，同时可有效地减小巷道围岩的变形。

3 钻孔卸压技术参数的确定3.1 卸压钻孔直径的确定巷道开挖后，在巷道两帮距底板2 m的位置和顶板中央分别开挖孔深为6 m不同孔径的钻孔。

为确定巷道卸压钻孔直径，分别建立模型模拟开挖深度为 6 m，直径分别为 50、100、150、200 mm 钻孔，巷道围岩变形曲线如图6所示。

图6 不同卸压钻孔直径的巷道围岩位移曲线由图6可知，围岩位移在孔径0～200 mm内呈“V”形分布，孔径为100 mm 时，巷道围岩的变形量相对于其他3个孔径钻孔时变形量最小，围岩控制效果最好。

由此可知:孔径过小时，围岩还未明显卸压就已经将钻孔压实，没有起到卸压的作用;孔径过大时，会导致钻孔周围的裂隙发育，巷道围岩更易破碎，反而会使钻孔卸压的围岩控制效果减弱。

3.2 卸压钻孔深度的确定为确定巷道卸压钻孔深度，分别建立模型开挖直径为 100 mm，深度分别为 1、2、2.5、3、3.5、4、5、6、7、8 m的钻孔。

收集围岩变形数据得图7。

图7 不同卸压孔深下巷道围岩位移曲线切取模型得钻孔深度为3.5、6、8 m的巷道垂直应力云图，见图8。

由图8得到在钻孔深3.5 m时围岩控制的综合效果最好。

在孔深为3.5 m时，相比于无钻孔的位移变化:巷道顶板位移减小59.7%，两帮侧移量减小53.1%，底鼓量减小64.3%。

以上数据证明，钻孔可有效控制巷道围岩变形。

由图8可知:当孔深为3.5 m时，虽然巷道围岩变形量较小，但应力分布没有明显的改善，应力增高区基本上未发生偏移;孔深为6 m的条件下，则应力峰值降低至30 MPa以下，同时应力增高区向深处转移，巷道围岩处于应力量值较小的卸压区内。

如图8(b)所示，将钻孔深度从3.5 m增加至6 m后围岩并没有变得更加难以控制而是仍处于相对稳定的状态。

当钻孔深度增加至8 m时，从应力演化规律与变形量方面分析，效果并没有比孔深为6 m时有明显的改善，且钻孔深度增加将增加生产成本与工程量。