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巷道掘进中卸压钻孔设计的应用

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  摘 要:随着井下开采深度加深,矿山压力逐步增大,对巷道掘进具有重要影响。在实际生产中多采用卸压钻孔方式进行治理。本文采用理论分析法对巷道掘进中卸压钻孔方案进行设计。卸压钻孔方案设计主要从钻孔半径,钻孔深度及钻孔间距三个方面进行分析,并对其效果进行检验。
  关键词:巷道掘进;钻孔半径;钻孔深度;钻孔间距
  1 西曲矿概况
  本井田为多煤层矿井,主要可采煤层为上下两组,间距为35-53m,煤层赋存平缓,一般倾角为5°,井田南翼深部下组煤层在矿井生产后期另以900m水平开发,820m和900m水平间,900m和983m水平间以暗斜井联系,井田的北部以1150m辅助水平联合开发上、下组煤。由于上、下组煤间距大,联络斜巷过长,为了解决辅助运输,在井田中部与1072m水平处,设一辅助水平大巷,以解决材料、矸石、掘进煤以及人员等运输问题。983m水平与1072m水平间,1072m水平与1150m水平间以暗斜井联系。
  西曲矿的应力场类型主要为:σH>σV>σh型,最大水平主应力方向在N32°W,主要集中在N28°W~N34°W,其中σmax/σmin的比值在1.7~2之间,σmax/σV的比值在0.9~1.1之间。从地应力与深度关系图上可以看出,最大水平主应力随着深度的增加而增加,最小水平主应力也随着深度呈现近似线性的增加趋势。最大主应力全部超过11MPa,最大为17.22MPa,属于中等应力矿区。西曲矿矿井采深大,地应力高,矿井主要采用了钻孔卸压。本文主要针对钻孔卸压参数进行分析。
  2 巷道掘进中卸压钻孔参数设计
  卸压钻孔参数设计主要从钻孔半径,钻孔深度及钻孔间距三个方面进行理论设计。
  2.1 卸压孔径确定
  根据冲击地压规范规程,卸压孔半径计算公式为:
  (2.1)
  式中:R0为原始钻孔半径;Rc为破裂区半径;Rp为塑性区半径;U为钻孔围岩径向总变量;Rb为塌落区半径;Rb1为原始塌落区半径。
  根据矿山实际情况,钻孔半径90mm,经计算得:成孔半径为79.6mm。
  2.2 钻孔卸压孔间距确定
  卸壓钻孔间距根据公式2.2计算可得:
  R=βa(2.2)
  式中:a-钻孔半径;β-破裂范围系数,
  β=
  根据西曲矿煤层物理力学参数,通过公式计算可得破裂区贯通半径 R=855mm。
  2.3 钻孔卸压孔深确定
  根据《预防冲击地压规程》钻孔深度对于采掘工作面为煤层厚度(采高)的3倍,对于巷道侧帮为采高的4倍。钻孔要求尽可能打在高压区。根据东山煤矿煤层厚度,卸压钻孔长度选取14m即可符合冲击地压防治要求也满足实际生产要求。
  根据煤矿巷道实际掘进情况,卸压钻孔布置采用双排钻孔布置,其中下排钻孔距巷道底板0.5m,上排钻孔距巷道顶板1.8m。其中钻孔间距为0.5m,钻孔深度14m,钻孔半径90mm。根据巷道宽度,设计每排6个钻孔,上排钻孔向上与巷道掘进方向成15°施工,掘进迎头两侧各个向外成10°施工两个钻孔。下排钻孔设计向下与巷道掘进方向成10°施工,掘进迎头两侧各个向外成10°施工两个钻孔。钻孔深度为10m加上一个掘进循环,根据每天掘进进尺情况钻孔深度取14m。
  3 卸压效果分析
  煤矿巷道实际掘进卸压钻孔效果分析主要从理论分析和实际效果两个方面进行效果检验。其中理论分析主要从煤层软化角度出发进行分析,而实际效果分析主要从掘进迎头钻屑量S和钻屑瓦斯解吸指标K两个指标进行分析。
  3.1 煤层软化
  根据C.O巴布柯克经验公式,软化系数由下式计算:
  (3.1)
  式中:D-钻孔直径;W-钻孔之间的煤体宽度。
  经过计算可得:K=0.787
  K=0.787表明巷道掘进前方煤体大幅度的软化,煤层前方支承压力得到大幅度降低,煤体重的弹性能得到释放。而实际生产中钻孔间距为0.5m说明卸压钻孔间距合理。
  3.2 实际效果分析
  工作面顺槽属于煤矿3#煤层的工作面,顺槽标高-752m,走向长度2200m,倾向长200m,煤层平均倾角为6°。13063巷道掘进迎头进行钻孔卸压,方案试验了150m,经历了现场检验,掘进迎头钻屑量S、ΔS和K值减小,大幅度减低了巷道前方应力集中程度,使掘进巷道前方支承压力峰值区向煤体深部转移。从现场的工程实践证实,卸压钻孔方案设计合理,能够满足煤矿的安全生产要求,选取其中部分数据如下表所示。
  4 结论
  本文以巷道掘进中卸压钻孔方案进行设计为研究背景,通过采用理论分析法,对卸压钻孔参数进行分析,得出以下结论:
  ①在高压带钻孔时,通常伴随着冲击地压和煤瓦斯突出,在实际生产中尽量实现遥控钻进,同时在再接接长钻杆和更换钻头时,应注意井下安全;
  ②当巷道掘进过程中迎头遇地质条件变化,如过断层、顶板松软、破碎或巷道压力明显增大造成顶板离层、下沉达到或超过200mm时,应及时向调度室、安全科、技术科及有关领导汇报,同时加强巷道矿山压力监测;
  ③钻到预定孔深后,清孔,清除煤粉和泥岩;
  ④如遇断层、煤质变软地段的施工方法:首先在巷道顶部均匀打四个(具体数量可根据现场情况确定)钻孔,长8m,根据钻屑量S和钻屑瓦斯解吸指标K值大小。待确定无冲击地压后,再进行二次钻进。
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