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摘 要:在巷道周围或工作面顶底板附近,打集束卸压孔,大量取出岩煤,在垂直钻孔的围岩断面上形成一个呈多孔状的弱面,在空间中形成一系列空岩管覆盖或围绕在一定距离的巷道周围或工作面顶底板中。当集中应力作用于巷道围岩时,首先破坏该弱面结构消耗能量,破坏后的该弱面会中断或减弱应力传递,并导致应力集中区向两侧深部岩体转移(采空区或较安全位置),保护巷道不产生或减少两帮挤进和底鼓。当发生地压冲击时,集中应力主要作用于两侧深部煤岩体,从而保护采掘巷道和局部工作面,确保人员设备安全与生产连续进行。
关键词:集束卸压孔 弱面结构 应力传递 消耗能量
中图分类号:TD713 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)04(a)-0129-01
目前,采煤工作面发生冲击地压的部位,一般都是在上超前和工作面上头,掘进工作面主要是在工作面后部一定范围内,防治冲击地压的方法,主要是采取对抗法或卸压法。对抗法因为材料等因素的局限,较难达到目的。卸压法确实能起到卸压作用,但不能真正消除冲击地压危险。为能够更好地防治冲击地压,认真分析现有防治冲击地压的技术方法,提出下面集束卸压孔防治冲击地压的方法。
现有的解决冲击地压方法中的对抗法,就是给棚加固法,增强巷道支护,包括架棚喷砼打锚索,以阻挡围岩的冲击。由于来自应力集中地段的围岩压力能量巨大,当地压冲击没来时,还可以维护巷道的完好,一旦发生冲击,面对强烈的地压冲击,这种对抗式支护几乎不起作用。而注水软化法和爆破预裂法,应当属于破坏岩体结构的一种卸压法,虽不属于对抗法,立意较好,但之所以效果不太好,是因为注水法不但没有减少压力集中区物质量,又注水使岩石产生膨胀附加应力而增强压力集中区的应力。爆破预裂法虽然能破坏岩石的单向结构,但取岩量不够,预裂的岩石因为碎胀,可能传递应力的能力进一步增强,并又附加了一个碎胀应力,所以目前的注水软化法和爆破预裂法,不但没有有效地减小高压区的压力或阻断压力传递,相反却增强了冲击地压发生的可能性与强度。
对于掘进工作面,可经过卸压钻场,向巷道周围一定范围内打足够量的钻孔,形成集束钻孔,将巷道周围的岩石除维护巷道结构的以外,足够量地取出,以形成能够被集中应力破坏的结构弱面,破坏的结构弱面不能传递或有效地传递应力,从而阻断应力传递和消除采场内高应力区,防止产生冲击地压。对于采煤工作面,在外部前方一定距离施工卸压钻场,经卸压钻场向( 将)需要消除高压和阻断顶板压力传递处打集束钻孔按量取岩形成结构弱面,并且可再对集束钻孔选孔装药进行结构破坏,因破碎的岩石无法充满取岩区域传递应力,从而达到卸压目的。
由于该法是在巷道或工作面的一定区域,在围岩取出位置人为形成一个弱面空间,当该位置进入应力集中区域时,集中的应力超过该弱面的结构强度时,该空岩管的围岩会压碎填充空岩管,对应于取岩量的多少,减少或不发生底鼓帮鼓。空岩管初次破坏后,即弱化或阻断该处应力传递,应力会发生重新分配,峰值部分会向深部或远离巷道处转移,远离需要保护的巷道或局部工作面。當发生地压冲击时,主要作用于破坏的集束岩管保护范围以外区域, 由于该弱面空间只受到较小的应力作用,并进一步产生破坏,消耗冲击能量,剩余的冲击能量则不足以破坏巷道或局部工作面或岩管之间预留的围岩,从而保护巷道不受冲击或减弱冲击破坏作用,确保巷道内的人员和设备安全,使生产得以连续进行。
集束卸压钻孔完工后,应通过微震仪反应,观察集中应力区的岩爆变化,如卸压作用不够明显,说明剩余孔边岩柱的强度还大于集中应力的破坏作用,有必要对卸压钻孔装药爆破,以便在岩体弱面内形成较好的阻断效果。
对于采煤工作面,施工集束卸压钻孔后,会出现应力集中区域从风巷附近向下部工作面和深部煤岩体转移现象,深部煤岩体在集中应力作用下,可能会出现岩爆,但不会影响到外部工作面。离开风巷的下部工作面,近硬帮处发生岩爆,可能对工作面还有一定影响,比起风巷处发生冲击地压,因为有液压支架支撑,则可以保护人员的安全。对于掘进工作面,两帮顶板施工集束钻孔卸压后,去掉了巷道两帮的应力,使两帮的应力转移到深部岩体,从而弱化对底板岩体的侧向应力作用,达到使底板岩体不发生应力蠕变底鼓或冲击底鼓的目的。
打这种取岩卸压孔,需要保证在垂直钻孔的横断面上,达到一定的取岩量。参照回采冒落岩石膨胀系数一般为1.2～1.3,提示取岩量应当达到0.2～0.3。如果采用直径200mm钻孔,达到单位断面上0.2的岩石取出量,则相邻孔边距为200mm。如果在19m×2m范围内,则需要237个钻孔。这相当于在垂直风巷断面工作面顶底板围岩中,取出了3.8m×2m断面的岩量,足以减小风巷上下帮和顶底板向巷道内的膨胀或冲击。如采用0.3m孔径,孔边距0.3m,单位断面上也为0.2取岩量,效果与上述相同,只需要约106个孔。为保证钻机钻进中途不出现交叉,可以先打100mm细孔,然后扩孔达到所需单位断面取岩量。每孔长70m打106个钻孔,每孔施工时间2个小班( 二次成孔,先打一较小直径的钻孔,再进行扩孔达到要求直径),需要71天。三台钻机同时施工则约需要24天。以上为参照回采冒落岩石碎胀系数为1.2时,确定的单位断面的取岩钻孔直径和数量。由于巷道的围岩并没有沿重力线发生明显的冒落,只是破碎后基本处于原位附近,碎胀系数应小于0.2,所以单从阻断应力传递方面,钻孔直径可能可以选小一些,钻孔间距可能还可以选大些,实际施工时也许会更方便些—— 有利于避免钻孔交叉现象。如考虑巷道围岩挤入问题,孔径相对于孔边距也许应选大些。这些数值问题,可在实际工作中进行总结,根据效果加以调整。实际施工中可能还会因为裂隙导通,出现邻孔返水情况,可以封闭已施工返水钻孔解决。还可能在应力集中区出现塌孔卡钻现象,可能需要在钻头后部圆周安装合金牙,以便解决如钻头进入应力集中区时出现的塌孔现象。
卸压钻孔装药爆破,需要特制形状的火药,火药直径和钻孔直径应匹配;每隔一定距离需要一个起爆雷管,雷管脚线长度,从70m到10m,应该有依次相差2～3m的不同规格。
在施工钻孔取岩时,在单位断面或容积内取岩量需要达到一定值,必须近距离平行施工钻孔。这有一定的难度,需要操作熟练的钻机工,依靠长期打钻过程中积累的经验(采取准确固定钻机、扩孔法等)及性能良好的钻机,确保平行钻孔能够按参数施工,防范可能出现的卡钻问题,确保取岩工作能够顺利进行。
关键词:集束卸压孔 弱面结构 应力传递 消耗能量
中图分类号:TD713 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)04(a)-0129-01
目前,采煤工作面发生冲击地压的部位,一般都是在上超前和工作面上头,掘进工作面主要是在工作面后部一定范围内,防治冲击地压的方法,主要是采取对抗法或卸压法。对抗法因为材料等因素的局限,较难达到目的。卸压法确实能起到卸压作用,但不能真正消除冲击地压危险。为能够更好地防治冲击地压,认真分析现有防治冲击地压的技术方法,提出下面集束卸压孔防治冲击地压的方法。
现有的解决冲击地压方法中的对抗法,就是给棚加固法,增强巷道支护,包括架棚喷砼打锚索,以阻挡围岩的冲击。由于来自应力集中地段的围岩压力能量巨大,当地压冲击没来时,还可以维护巷道的完好,一旦发生冲击,面对强烈的地压冲击,这种对抗式支护几乎不起作用。而注水软化法和爆破预裂法,应当属于破坏岩体结构的一种卸压法,虽不属于对抗法,立意较好,但之所以效果不太好,是因为注水法不但没有减少压力集中区物质量,又注水使岩石产生膨胀附加应力而增强压力集中区的应力。爆破预裂法虽然能破坏岩石的单向结构,但取岩量不够,预裂的岩石因为碎胀,可能传递应力的能力进一步增强,并又附加了一个碎胀应力,所以目前的注水软化法和爆破预裂法,不但没有有效地减小高压区的压力或阻断压力传递,相反却增强了冲击地压发生的可能性与强度。
对于掘进工作面,可经过卸压钻场,向巷道周围一定范围内打足够量的钻孔,形成集束钻孔,将巷道周围的岩石除维护巷道结构的以外,足够量地取出,以形成能够被集中应力破坏的结构弱面,破坏的结构弱面不能传递或有效地传递应力,从而阻断应力传递和消除采场内高应力区,防止产生冲击地压。对于采煤工作面,在外部前方一定距离施工卸压钻场,经卸压钻场向( 将)需要消除高压和阻断顶板压力传递处打集束钻孔按量取岩形成结构弱面,并且可再对集束钻孔选孔装药进行结构破坏,因破碎的岩石无法充满取岩区域传递应力,从而达到卸压目的。
由于该法是在巷道或工作面的一定区域,在围岩取出位置人为形成一个弱面空间,当该位置进入应力集中区域时,集中的应力超过该弱面的结构强度时,该空岩管的围岩会压碎填充空岩管,对应于取岩量的多少,减少或不发生底鼓帮鼓。空岩管初次破坏后,即弱化或阻断该处应力传递,应力会发生重新分配,峰值部分会向深部或远离巷道处转移,远离需要保护的巷道或局部工作面。當发生地压冲击时,主要作用于破坏的集束岩管保护范围以外区域, 由于该弱面空间只受到较小的应力作用,并进一步产生破坏,消耗冲击能量,剩余的冲击能量则不足以破坏巷道或局部工作面或岩管之间预留的围岩,从而保护巷道不受冲击或减弱冲击破坏作用,确保巷道内的人员和设备安全,使生产得以连续进行。
集束卸压钻孔完工后,应通过微震仪反应,观察集中应力区的岩爆变化,如卸压作用不够明显,说明剩余孔边岩柱的强度还大于集中应力的破坏作用,有必要对卸压钻孔装药爆破,以便在岩体弱面内形成较好的阻断效果。
对于采煤工作面,施工集束卸压钻孔后,会出现应力集中区域从风巷附近向下部工作面和深部煤岩体转移现象,深部煤岩体在集中应力作用下,可能会出现岩爆,但不会影响到外部工作面。离开风巷的下部工作面,近硬帮处发生岩爆,可能对工作面还有一定影响,比起风巷处发生冲击地压,因为有液压支架支撑,则可以保护人员的安全。对于掘进工作面,两帮顶板施工集束钻孔卸压后,去掉了巷道两帮的应力,使两帮的应力转移到深部岩体,从而弱化对底板岩体的侧向应力作用,达到使底板岩体不发生应力蠕变底鼓或冲击底鼓的目的。
打这种取岩卸压孔,需要保证在垂直钻孔的横断面上,达到一定的取岩量。参照回采冒落岩石膨胀系数一般为1.2～1.3,提示取岩量应当达到0.2～0.3。如果采用直径200mm钻孔,达到单位断面上0.2的岩石取出量,则相邻孔边距为200mm。如果在19m×2m范围内,则需要237个钻孔。这相当于在垂直风巷断面工作面顶底板围岩中,取出了3.8m×2m断面的岩量,足以减小风巷上下帮和顶底板向巷道内的膨胀或冲击。如采用0.3m孔径,孔边距0.3m,单位断面上也为0.2取岩量,效果与上述相同,只需要约106个孔。为保证钻机钻进中途不出现交叉,可以先打100mm细孔,然后扩孔达到所需单位断面取岩量。每孔长70m打106个钻孔,每孔施工时间2个小班( 二次成孔,先打一较小直径的钻孔,再进行扩孔达到要求直径),需要71天。三台钻机同时施工则约需要24天。以上为参照回采冒落岩石碎胀系数为1.2时,确定的单位断面的取岩钻孔直径和数量。由于巷道的围岩并没有沿重力线发生明显的冒落,只是破碎后基本处于原位附近,碎胀系数应小于0.2,所以单从阻断应力传递方面,钻孔直径可能可以选小一些,钻孔间距可能还可以选大些,实际施工时也许会更方便些—— 有利于避免钻孔交叉现象。如考虑巷道围岩挤入问题,孔径相对于孔边距也许应选大些。这些数值问题,可在实际工作中进行总结,根据效果加以调整。实际施工中可能还会因为裂隙导通,出现邻孔返水情况,可以封闭已施工返水钻孔解决。还可能在应力集中区出现塌孔卡钻现象,可能需要在钻头后部圆周安装合金牙,以便解决如钻头进入应力集中区时出现的塌孔现象。
卸压钻孔装药爆破,需要特制形状的火药,火药直径和钻孔直径应匹配;每隔一定距离需要一个起爆雷管,雷管脚线长度,从70m到10m,应该有依次相差2～3m的不同规格。
在施工钻孔取岩时,在单位断面或容积内取岩量需要达到一定值,必须近距离平行施工钻孔。这有一定的难度,需要操作熟练的钻机工,依靠长期打钻过程中积累的经验(采取准确固定钻机、扩孔法等)及性能良好的钻机,确保平行钻孔能够按参数施工,防范可能出现的卡钻问题,确保取岩工作能够顺利进行。