逐段卸压打钻施工技术研究

应力。当采掘空间附近煤体集中应力值达到其极限 强度后，就会发生屈服变形，并且向煤体深部进行集 中应力转移。经过一定时间，形成如图1所示的

“三区”状态，即卸压区、集中应力区和原始应力区。 在这“三区”中，煤体所受应力和变形性质各有差 ·..

2·..

异。图1中为距工作面的距离。 0 ／ ，．..

塑性变形区i 弹性变形区 卸压区应力集中区原始应力区

图1 工作面前方煤体的应力分布示意

通常紧靠采掘空间的煤体(即卸压区中的煤

体)所承受的应力达不到原岩应力，因此卸压区和 集中应力区的塑性变形区中的煤体所受的应力通常 处于极限平衡状态。林柏泉教授从卸压区煤体稳定 性条件出发，对“三区”进行理论分析，得出卸压

区的安全宽度为 n

D。≥.. 一In[tago(

、No-y+P—-or)+1] (1)

，1．..

二‘n --，l

从式(1)可以看出，掘进面附近卸压区范围的

大小和煤与瓦斯突出有直接关系。当钻孔在卸压区 和塑性变形区钻进时，由于该区域的瓦斯得到充分 释放，煤岩体应力也得到释放，通常不会产生喷孔、 卡钻、垮孔、堵孔，从而诱发突出；但是当钻孔进入弹 性变形区和原始应力区时，瓦斯压力较大，地应力较

大，就可能会产生喷孔、卡钻、垮孔、堵孔，并诱导突 出。

(2) 煤样的应力应变全程曲线分析。煤样的应 力应变全程曲线如图2所示。煤样的应力应变全 过程曲线可以分为5个阶段：原始空隙压密阶段 (OA段)、线弹性阶段(AB段)、弹塑性变形阶段 (BC段)、破坏阶段(CD段)和破坏发展阶段(DE 段)。在OA段中，煤样形成新裂隙。点为弹性极

限，从B点起，当应力在0．6o\以上时，煤样开始产 生新的裂隙，并呈现弹性变形，但BC段中破裂的传 播比较缓慢但稳定。从C点起，当应力在0．95tr一 以上时，新裂隙急剧增加并相互贯穿，破裂开始快速 传播，应变速度明显增大，同时声发射激增。在CD 段，贯穿裂隙继续发展，声发射继续变化。当载荷达 到应力峰值时(图2中D点，即强度极限R)，煤样 发生破坏并且出现明显的扩容膨胀现象。 由于采掘工作的影响，在掘进工作面前方形成

了“三区”结构分布，在应力集中区内产生煤体塑性 破坏，并且形成塑性极限应力带，其值一般在8—20

2009年第12期李国旗等：逐段卸压打钻施工技术研究总第168期

m之间。从以上分析可知，在CD段煤样内部新裂 隙急剧增加并且相互贯穿，因此当应力处于CD段 时，煤体具有良好的瓦斯流动通道。由于工作面前 方煤体的应力分布与煤样的应力应变全程曲线很相 似，所以在塑性极限应力带，煤体发生破坏并且出现 明显的扩容膨胀现象，这为掘进工作面抽放瓦斯创 造了有利条件。 O

图2 煤样的应力应变全程曲线

(3)利用钻孔释放和转移地应力。在地应力的

作用下，煤层积蓄了相当大的储存能，而地应力在打 钻过程产生的突出等动力现象中所起的作用有：.. ①地应力的作用使煤体产生流变，并且使其从稳定 流变进入到失稳流变，从而使突出延时；②围岩或煤 层的弹性变形潜能做功，使煤体破坏；③地应力场控 制瓦斯压力场，促进瓦斯破坏煤体；④高地应力决定 了煤层的低透气性，以致瓦斯泄漏减慢，造成瓦斯梯 度增高，煤体一旦破坏对突出有利。因此，地应力是 打钻过程中动力现象产生的主要原因，由前述钻孔 动力现象原因分析也证实了地应力在打钻过程中所 起的作用。包括我国在内的许多国家都确认超前钻 孔能有效释放和转移煤层地应力，特别是在我国，许 多高突矿井都是通过钻孔来释放地应力和瓦斯压力 的，并且试验中通过大直径钻孔的方法进行应力释 放所取得的效果已被确认。所以在卸压区和塑性变 形区打钻，再通过这些卸压钻孔释放弹性变形区和 原始应力区的瓦斯压力和地应力，使弹性变形区和 原始应力区后移，经检测确认充分卸压并且达到安 全要求后，再进行第2阶段打钻，可以避免上述动力 现象的发生。 2．2 试验研究

根据上述打钻过程的动力现象产生的原因及掘

进工作面“三区”分布规律、煤样的应力应变全程曲 线和扩容膨胀情况、钻孔释放地应力等分析结果可

知，要实现突出煤层复杂构造区域打深钻孔的目的，.. 最简单和最有效的措施就是逐段卸压打钻施工。经 过现场试验，获得了较合理的钻孔布置参数和抽放

参数。钻孔布置参数和抽放参数包括钻孔深度、抽 放影响半径、抽放时间、钻孔直径、钻孔抽放负压、钻 孔布置方式、钻孔施工顺序、钻孔流量变化规律 等[。

(1)钻孔深度。抽放钻孔要穿过卸压区和塑性

变形区进入弹性变形区。根据对义马煤业集团公司 所属5对突出矿井掘进面现场实测结果，采掘工作 面前方卸压区宽度一般为4～5m，.. 塑性极限应力区 宽度一般为8～10m，.. 工作面最佳抽放范围为工作 面前方5—20m处，所以采掘工作面抽放的钻孔深 度应为8—20m。

(2)抽放影响半径。此次采用负压法测定工作

面钻孔抽放影响半径。根据研究结果，钻孔抽放影 响半径由煤层动力性质系数确定，通过实测值可以 计算出在不同抽放时间的抽放影响半径。钻孔抽放 影响半径r可用式(2) 表示 r= (2)

式中，t为钻孔抽放时间，min；为反映煤层瓦斯动 力性质的系数，m ·min ，其大小根据现场测试确 定。

(3)抽放时间。钻孔流量衰减情况决定钻孔的

抽放时间，所以根据实际测定的钻孑L流量衰减指标，.. 可确定钻孔的抽放时间。此次主要是通过测定钻孔 流量衰减情况来确定抽放时间。

(4) 钻孔直径。增大钻孔直径可以提高钻孔抽

放量，但钻孔直径越大，越不利于钻孔施工，并且使 发生突出的危险性增加。由于工作面动压抽放钻孔 要穿过工作面前方的卸压区进入塑性极限应力区，

钻孑L深度一般为8～20m，.. 所以钻孑L直径不宜超过 100mm，.. 钻孔直径为75～100mm比较合适。 (5) 钻孔抽放负压。抽放负压对动压抽放效果

有重要影响，抽放负压越大，越有利于抽放。由于在 卸压区附近抽放瓦斯，负压过高容易导致钻孔周围 漏气，达不到抽放效果。根据工作面超前抽放的经 验，抽放负压不低于2500P a即可。

(6) 钻孔布置方式。根据钻孔抽放时间、抽放

半径、抽放钻孔间距来设计钻孔布置方式，在打8～ 20m的短钻孔后，进行封孔抽放，经检测确认充分 卸压并且达到安全要求后，再进行第2阶段打长钻 孔；直到钻进过程出现困难时，停止打钻，再封孔进 行抽放，经检测确认充分卸压并且达到安全要求后，.. 再进行第3阶段打长钻孔。通过前3阶段的打钻，..