新疆作为我国煤炭资源主要储量的地区之一，为我国煤炭资源的供应做出了巨大贡献。但冲击地压作为煤炭开采的主要灾害之一，严重制约着煤炭开采。

目前，深部资源开发是我国能源发展战略之一[1],深部资源开发面临着冲击地压灾害的威胁，为了更好的对动力灾害进行治理，需要通过不同的卸压方式，对高应力集中区进行有效的卸压，从而降低动力灾害发生的可能性。对于冲击地压灾害治理，许多专家提出不同的方法。施峰等[2]研究开采层间距对上保护层卸压效果的影响；靖洪文等[3]采用颗粒流方法模拟了高应力及动载据合作用下煤巷冲击冒顶的细观演化特征。贾传洋等[4]通过对孔径、孔间距及孔深等参数进行实验研究，分析不同参数影响下试样破坏形态，表明裂纹扩展贯通导致的应力释放是钻孔产生卸压作用的根本原因。李金奎等[5]模拟小煤柱应力集中区钻孔卸压效果，得出钻孔周围位移与应力分布变化规律，表明合理的孔径能够使煤层结构性破坏，使应力峰值向深部转移，卸压效果显著。刘红岗等[6]采用数值模拟方法，分析了钻孔直径、长度等因素对高应力巷道稳定性的影响规律。钱七虎、周小平等[7-8]研究了静水压力和非静水压力情况下深部损伤围岩的破裂区与非破裂区的分布规律。谢和平等[9]认为深部开采时原岩应力趋于静水应力，围岩经历弹性变形破坏、脆塑性转变和大范围屈服等阶段。吴海等[10]认为深部倾斜岩层巷道围岩变形表现出明显的时序性特征，分析了不同倾角下巷道围岩非匀称变形的发展态势。谢广祥等[11]认为在采场底板围岩空间区域也存在高应力束，高应力束在三维空间形成了采场底板围岩应力壳，并推导了壳基高应力影响范围。耿宏波等[12]利用无限大薄板中裂纹周边受力分析方法对采空区围岩应力分布特征进行了研究。徐佑林等[13]认为强烈采动影响和支护设计不合理是造成巷道围岩强破坏的关键原因。

以准东二矿为工作背景，采用数值模拟的方法对巷道围岩进行大直径钻孔模拟分析，并对巷道围岩卸压前后的应力以及能量变化的情况进行对比分析，以验证大直径卸压孔对巷道围岩应力的释放作用。

1、工程背景

新疆准东煤田大井矿区位于奇台县城北100 km处，行政区划属奇台县管辖，大井矿区二井田(准东二矿)地处该矿区中南部，其勘查范围由8个勘查区块组成(五井田1至6区和六井田2区和5区),勘查面积为152.42 km2,二井田1至6区勘查证批准勘查许可面积158.80 km2。东西长12 km, 南北宽12.3～13 km, 面积152.25 km2。

1101工作面是11盘区的首个工作面，其北部为一、二分区煤柱，南部为一分区开拓大巷，西部为中部胶带运输机大巷保护煤柱，东部为1103工作面。1101工作面长度240 m, 走向长度2 570 m。1101工作面所属煤层为B1煤层，工作面煤层厚度在44.02～56.78 m之间，矿井初期开采范围内B1煤层平均51.8 m左右，煤层倾角0°～5°,通常将大于20 m的煤层定义为巨厚煤层。全部垮落法管理顶板，采用分层综合机械化放顶煤采煤工艺。工作面分层采高平均为18 m, 其中正常采高为4.5 m, 放煤高度13.5 m, 采放比为1∶3。1101工作面标高为+96～+125 m, 地面标高为+614～+669 m, 工作面煤层埋藏深度为518～544 m, 现工作面已推进到距开切眼位置400多米，1101首采面布置如图1所示。

图1 1101工作面开采布局

2、数值模拟分析的选取及模型构建

2.1 数值分析软件的选取及模型构建

FLAC3D是三维快速拉格朗日分析程序的英文缩写，是由美国ITASCA公司开发的三维快速拉格朗日分析软件。三维快速拉格朗日分析法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，可以用于模拟地质材料的三维力学行为。该分析法将计算区域划分为若干四面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系。如果单元的应力使材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形。

根据实际施工要求，结合准东二矿首采1101工作面的地质条件和煤岩体岩性及巨厚煤层厚度、倾角、煤层分布等赋存条件(表1)、巷道掘进每日进尺等生产条件建立了相对应的FLAC3D数值计算模型，鉴于1101工作面辅助运输顺槽和胶带输送机顺槽的支护及断面情况相近，故选取辅助运输顺槽进行开挖模型建立，如图2所示。

表1 主要煤岩体物理力学参数

图2 数值分析模型

准东二矿巨厚煤层的围岩构成以及数值计算要求与研究所需，根据开掘空间的影响范围为其跨度的3～5倍并排除模型的边界效应，设计模型的几何尺寸确定为100 m×50 m×50 m(长×宽×高)。模型建立均以六面块体网格(Brick)为模型的基本组成单元分步建模。根据FLAC3D的原理，模型划分的绝大部分Brick网格尺寸比例为0.5∶0.5∶1。

根据并按照地应力测量的数值给模型限定了边界条件并且设置了边界应力，垂直方向与水平方向应力。FLAC3D模型的边界条件为：模型Z方向顶部平面为上部边界，除顶面外，剩下5个平面均施加法向位移约束，且在模型顶部均布14 MPa等效载荷，等于施加530 m的岩层自重；又在Y方向施加21.09 MPa等效载荷，在X方向施加13.46 MPa等效载荷。Z方向施加重力，重力加速度取9.8 m/s2。并且在巷道模型开挖前对模型施加应力进行应力平衡计算及位移、弹塑性区清零处理。

2.2 辅助运输顺槽围岩变形及应力分布特征

2.2.1 巷道围岩应力演化规律

通过对巷道掘进面滞后5 m位置处的巷道底板的垂直应力进行分析，分析与研究顺槽在掘进过程中底板应力分布情况。巷道围岩垂直应力分布剖面云图如图3所示，巷道底板下方出现了较明显的破坏，迫使应力降低向巷道空间方向转移，底板应力最小为0.1 MPa, 在底板下方随着深度增加其应力也不断增大，在2～10 m范围内呈现了高应力集中区域，同时两帮出现了高应力集中区域。

图3 巷道围岩垂直应力分布剖面云图

巷道围岩垂直应力分布侧视云图如图4所示。巷道底板下方整体出现较明显的破坏，迫使应力降低向巷道空间方向转移，底板应力最小0.2 MPa, 在底板下方随着深度增加其应力不断增大，呈现了高应力集中区域，在掘进面前方出现了高应力集中区域。

图4 巷道围岩垂直应力分布侧视云图

2.2.2 巷道围岩能量分布特征

巷道围岩能量分布剖面云图如图5所示。通过图5可以看出，在巷道顶底板下方随着围岩深度的增加其能量以1×104J的能量级降低。在顺槽掘进时，巷道底板浅部释放大量的能量，其巷道底板的能量值为2.7×103J,这表明当巷道掘进时底板赋存的能量以不同的破坏形式释放出去。从剖面图能够看出其两帮出现了高能量聚集区域，在巷道底板下方2～10 m范围内随着深度的增加其能量不断增大。

图5 巷道围岩能量分布剖面云图

巷道围岩能量分布侧视云图如图6所示。由图6可以看出，在巷道顶底板上方和下方随着围岩深度的增加其能量以1×104J的能量级降低。在顺槽掘进时，巷道底板浅部释放大量的能量，这表明当巷道掘进时底板赋存的能量以不同的破坏形式释放出去，巷道随着掘进深度的增加其底板所剩余的能量值也越大。从侧视图能够看出其工作面前方出现了高能量聚集区域，在巷道底板下方2～10 m范围内随着深度的增加其能量不断增大。

图6 巷道围岩能量分布侧视云图

3、大直径钻孔下顺槽围岩变化特征

3.1 大直径钻孔卸压机理

高应力巷道发生冲击地压原因在于高应力状态下，巷道帮部煤岩体较硬，能够集聚大量的弹性能，在达到帮部煤岩体其承载极限时发生冲击。针对此类情况大多采用帮部卸压的方式控制冲击地压，如图7所示。一般是在硬岩冲击地压巷道实施空孔/爆破卸压，其原理主要是通过实施大直径空孔和钻孔爆破卸压，将巷道围岩帮部的高应力向深部转移，同时降低帮部的应力峰值，实现了对巷道帮部高应力的转移与调控。

图7 高应力空孔卸压

3.2 大直径钻孔布置

在掘进巷道中，根据生产条件及进度每隔2～3 m 在掘进工作面后方底板布置施工大直径卸压钻孔，每组1个钻孔，钻孔直径150 mm, 钻孔深度设计为10 m。当实施底板大直径钻孔卸压斜孔时，其倾斜孔深不得小于12 m, 滞后掘进迎头不得超过40 m, 一分区东翼大巷底板卸压钻孔平、剖面图如图8所示。

图8 一分区东翼大巷底板卸压钻孔平、剖面图

底板大直径钻孔卸压设计参数见表2。根据现场实际掘进过程中动力显现和冲击地压监测情况，定期分析总结卸压效果，可适当调整底板卸压钻孔设计参数。

表2 底板大直径钻孔卸压设计参数

12 60 150 3

大直径卸压钻孔施工示意如图9所示。对弱冲击区域，采用底板预卸压及超前钻屑孔措施后，效果不明显，出现巷道变形压力大，煤爆频繁，掘进迎头顶板垮落等现象时，需增加对巷道帮部和迎头实施大直径钻孔卸压。

图9 大直径卸压钻孔施工示意

3.3 模型构建

根据实际施工要求，结合准东二矿首采1101工作面的地质条件和煤岩体岩性及巨厚煤层厚度、倾角、煤层分布等赋存条件、巷道掘进每日进尺等生产条件建立了相对应的FLAC3D数值计算模型，鉴于1101工作面辅助运输顺槽和胶带输送机顺槽的支护及断面情况相近，故选取辅助运输顺槽进行开挖模型建立，数值模型如图10所示。

3.4 辅助运输顺槽围岩变形及应力分布特征

3.4.1 巷道围岩应力演化规律

巷道围岩垂直应力分布剖面云图以及两帮垂直应力曲线如图11、图12所示。从图11、12中可以看出，垂直应力分布曲线均在0～3.0 m范围上先急速增加达到应力峰值，随后降低至14.5 MPa左右稳定分布。巷道两帮围岩在巷道左右两帮深部3.0 m位置处垂直应力峰值分别为22.9 MPa和22.8 MPa。巷道左右两帮在大直径钻孔的卸压方式下整体应力低于未采取卸压措施的围岩应力，可以看出两帮大直径钻孔对应力起到了有效的释放。

巷道围岩垂直应力分布俯视云图如图13所示，在掘进面前方2～4 m范围内为高应力集中区。由图14可以看出，掘进面前方垂直应力呈现出先增大然后达到应力峰值，随后垂直应力逐渐随着巷道深度的增加逐渐降低，最后稳定在15 MPa左右。

图10 1101工作面辅助运输顺槽大直径钻孔卸压数值模型

图11 巷道围岩垂直应力分布剖面云图

当煤巷掘进时，在超前掘进工作面前方2.5 m位置，垂直应力为21.3 MPa。在掘进工作面超前6 m 位置上，其垂直应力为15.7 MPa。这表明超前工作面深部范围在大直径钻孔卸压的方式下应力得到释放。

图12 巷道两帮垂直应力曲线

图13 巷道围岩垂直应力分布俯视云图

图14 超前工作面前方垂直应力分布

巷道围岩垂直应力分布侧视云图如图15所示。从图15中可以看出其随着巷道围岩深度的增加，巷道顶底板的垂直应力范围就越小。通过图16巷道底板的垂直应力特征曲线，在垂直底板下方0～1 m范围之内其垂直应力有效释放，在底板下方深处1～6 m范围内垂直应力明显低于未采取卸压措施下的垂直应力，随着距巷道底板距离增加其垂直应力逐渐稳定在12.4 MPa左右。

图15 巷道围岩垂直应力分布侧视云图

图16 巷道底板垂直应力特征曲线

3.4.2 巷道围岩能量分布特征

巷道围岩能量分布剖面及两帮能量特征曲线如图17、图18所示。由图17和图18可以看出，巷道两帮浅部围岩能量较低，随着距两帮距离的增加能量呈现先逐渐增大，然后再3 m的位置处达到能量峰值，随后逐渐降低，最后在深部12 m处趋近于稳定。距离巷道两帮深3 m处达到峰值，其能量均为1.86×105J,打孔后的能量值明显低于打孔前的能量值。

巷道围岩能量分布俯视图如图19所示，超前掘进面前方能量特征曲线如图20所示。从图19中可以看出，巷道迎头布置的大直径钻孔对迎头应力起到了超前释放的作用。从图20超前掘进面15 m范围内的能量曲线可以看出，巷道迎头前方能量先从5 622 J逐渐增大，在巷道掘进面前方2.5 m处达到峰值，其能量为1.66×105J,然后开始逐渐降低，最后在深部10 m处趋近于稳定。

图17 巷道围岩能量分布剖面图

图18 巷道两帮能量特征曲线

图19 巷道围岩能量分布俯视图

巷道围岩能量分布侧视图及巷道底板能量特征曲线如图21、图22所示。从图21、22中可以看出，在巷道底板深部1.5 m位置处其能量为6 594 J,可以看出在巷道底板浅部随着巷道掘进能量得到一定的释放，这表明当巷道掘进时底板赋存的能量以不同的破坏形式释放出去。当在巷道底板布置大直径钻孔时，在钻孔附近的能量得到有效释放，使得巷道围岩深部的能量降低。

图20 超前掘进面前方能量特征曲线

图21 巷道围岩能量分布侧视图

图22 巷道底板能量特征曲线

4、结论

主要围绕准东二矿1101工作面辅运顺槽开采扰动时的应力分布及能量演化规律展开研究，通过对顺槽两帮、底板及迎头进行大直径钻孔卸压，掌握其下压后的应力分布及能量演化规律，得到以下结论。

(1)通过分析辅助运输顺槽掘进期间的底板应力及能量特征得出在底板深部2～10 m范围内形成了高应力、高能量区域，验证了底板的破坏规律。巷道底板、迎头和两帮的应力峰值分别为12.4 MPa、23.4 MPa和23.8 MPa。巷道底板、迎头和两帮的能量峰值分别为5.91×104J、1.77×105J和1.97×105J。为后续底板进行有效的卸压防冲措施，提供了理论依据。

(2)通过数值分析软件模拟顺槽两帮、底板及迎头布置大直径钻孔时，发现大直径钻孔有效的降低了巷道围岩的应力和能量。得出巷道底板、迎头和两帮的应力峰值分别为12.4 MPa、21.3 MPa和22.8 MPa。巷道底板、迎头和两帮的能量峰值分别为5.48×104J、1.66×105J和1.86×105J。

(3)通过对比发现，施加卸压措施后的辅运顺槽两帮、底板及迎头的垂直应力及弹性能量均有明显的下降，大直径钻孔的卸压方式简单，卸压防冲效果好。

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文章来源:夏宏根.巨厚煤层开采扰动特征及大直径钻孔卸压效果研究[J].陕西煤炭,2024,43(12):1-8.