深井高應(yīng)力區(qū)鉆孔卸壓技術(shù)控制巷道變形數(shù)值模擬研究

1、中國礦業(yè)大學(xué)2011屆本科畢業(yè)論文 第15頁一、 緒論1.1課題研究的背景及意義我國是個能源消耗大國，在不斷推進(jìn)的工業(yè)化和城市化進(jìn)程中，能源問題愈來愈成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的“瓶頸”。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的消耗將不斷加大。從經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢來看，我國工業(yè)已進(jìn)入重工業(yè)化階段，按世界各國發(fā)展的歷史規(guī)律來看，重工業(yè)化階段的形成主要是因為居民消費水平提高、消費結(jié)構(gòu)升級、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加劇等中長期因素。重工業(yè)化的快速發(fā)展將使能源消耗迅速增長的階段不可逾越。據(jù)預(yù)測，到2020年我國的城市化率將由目前的不到45%提升到60%左右的水平，即城鎮(zhèn)化水平每年提高一個百分點，每年將增加至少1，

2、300萬城鎮(zhèn)人口。當(dāng)前，城鎮(zhèn)人口年均能源消耗量是農(nóng)村人口的3.5倍，隨著城鎮(zhèn)人口的不斷增加以及人均能源消費的增加，對能源的供給產(chǎn)生巨大壓力。在21世紀(jì)前50年內(nèi)，我國能源的發(fā)展趨勢仍將以化石燃料為主。隨著石油、天然氣資源的日漸短缺和潔凈煤技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，煤炭的重要性和地位還會逐漸提升。中國是以煤為主要能源的國家，據(jù)世界能源資料顯示，中國煤炭資源總量居世界第三位，煤炭儲量居世界第七位，而中國煤炭生產(chǎn)量和消費量位居世界第一。2009年中國累計進(jìn)口煤126億噸，比上年增長2119，出口煤2240萬噸，同比下降507 ；全年凈進(jìn)口煤炭103億噸，中國第一次成為煤炭凈進(jìn)口國1。專家預(yù)測，據(jù)有關(guān)部門預(yù)測

3、，到2005年，全國一次能源生產(chǎn)量為123億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭為785億噸標(biāo)準(zhǔn)煤(折合11億噸原煤)，仍占638%。專家預(yù)測，在本世紀(jì)前30年內(nèi)，煤炭在我國一次能源構(gòu)成中仍將占主體地位。 煤炭是我國最安全、最經(jīng)濟(jì)、最可靠的能源。我國煤炭資源總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過石油和天然氣資源；隨著高新技術(shù)的推廣應(yīng)用，煤炭生產(chǎn)成本正在并將繼續(xù)降低；潔凈煤技術(shù)已取得重大突破，這都將使煤炭成為廉價、潔凈、可靠的能源。 目前，世界石油價格居高不下，煤炭的成本優(yōu)勢更加明顯。歐佩克要把石油價格穩(wěn)定在每桶25美元到30美元之間，而煤炭通過直接液化制成的成品油成本是每桶15美元左右。 1999年我國石油凈進(jìn)口量為4000萬噸，去年進(jìn)

4、口7000萬噸（花費200億美元以上）。據(jù)預(yù)測，到2020年我國石油供需缺口將更大，全靠進(jìn)口不僅動用大筆外匯，而且受制于人，加大了能源安全供應(yīng)的隱患。因此，以煤炭液化生產(chǎn)的液體燃料和用水煤漿替代石油將是必然的趨勢。從這個意義上講，煤炭在未來我國國民經(jīng)濟(jì)中的地位將更為重要。因此煤礦的安全開采不僅對煤礦十分重要，對國家的經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展也十分重要。隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，軟巖巷道的數(shù)量越來越多，圍巖應(yīng)力越來越大，傳統(tǒng)的支護(hù)方法在深部軟巖巷道中往往難以達(dá)到理想的支護(hù)效果2。而采用卸壓的方法不失為解決這一難題的一種優(yōu)先選擇。卸壓技術(shù)是將巷道周邊圍巖內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而使高地應(yīng)力圍巖

5、轉(zhuǎn)化為可以支護(hù)的低地應(yīng)力圍巖，最終達(dá)到減小圍巖變形目的的一種支護(hù)技術(shù)。對處于膨脹變形較大的軟弱圍巖和高應(yīng)力圍巖內(nèi)的巷道，采用卸壓技術(shù)來控制圍巖變形是當(dāng)今最有效的圍巖維護(hù)方法之一。通常采用的巷道卸 方法主要有：在巷道周邊圍巖中開槽、切縫、鉆孔、松動爆破、無煤柱開采等。其中的鉆孔卸壓技術(shù)具有施工方便，施工速度較快，不影響施工工期等特點3。鉆孔卸壓技術(shù)是將巷道上方及周圍巖體的高應(yīng)力區(qū)及高應(yīng)力值降低,并將其高應(yīng)力區(qū)及高應(yīng)力的極大值向煤體深部轉(zhuǎn)移,使巷道上方及周圍巖體的應(yīng)力增高區(qū)變?yōu)閼?yīng)力降低區(qū)的一種高新技術(shù)4。其目的是減小礦山壓力對巷道圍巖及錨索錨桿等支護(hù)體的作用力,降低巷道圍巖應(yīng)力及變形量,優(yōu)化支護(hù)設(shè)

6、計,節(jié)約支護(hù)材料5。 鉆孔卸壓技術(shù)的設(shè)計思想是通過鉆孔等方法在巷道圍巖深部形成一個弱化區(qū)或弱化帶,為圍巖在應(yīng)力釋放過程中產(chǎn)生的膨脹變形提供一個補(bǔ)償空間,并且使支承壓力峰值向巷道圍巖深部有效地轉(zhuǎn)移。從而達(dá)到減小巷道圍巖變形,降低支護(hù)壓力的目的6。對于膨脹變形較大的軟弱圍巖和復(fù)雜條件下高應(yīng)力的圍巖巷道,采用卸壓技術(shù)來控制圍巖變形是當(dāng)今最有效的圍巖維護(hù)方法之一7。1.2 深井高應(yīng)力區(qū)巷道變形控制研究現(xiàn)狀1.2.1深井高應(yīng)力區(qū)巷道變形控制遇到的新問題隨著礦井開采逐漸向深部發(fā)展，在淺部呈現(xiàn)中硬巖變形特征的工程巖體在深部轉(zhuǎn)化為高應(yīng)力軟巖，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道位移顯著增大，圍巖破壞嚴(yán)重，巷道返修量劇增，巷道維

7、護(hù)變得異常困難8，常規(guī)支護(hù)方式已不能很好地控制巷道圍巖的變形。1.2.2深井高應(yīng)力區(qū)巷道變形控制方法降低巷道圍巖應(yīng)力，提高圍巖穩(wěn)定性以及合理選擇支護(hù)是巷道圍巖的基本途徑4。（1）采用卸壓技術(shù)，國內(nèi)外經(jīng)驗表明，卸壓技術(shù)可以改善巷道圍巖的惡劣應(yīng)力環(huán)境，使高地應(yīng)力圍巖轉(zhuǎn)換為較低地應(yīng)力圍巖從而達(dá)到減小圍巖變形的目的。特別是在深井巷道支護(hù)中可以達(dá)到較好的支護(hù)效果。（2）優(yōu)化巷道布置9時間和空間上盡量避開采掘活動的影響，最好將巷道布置在煤層開采后所形成的應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)。如不能上訴第一條要求，應(yīng)盡量避免支撐應(yīng)力疊加的強(qiáng)烈作用。在采礦系統(tǒng)允許的距離范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)定的巖層或煤層布置巷道，盡量避免和水、松軟膨脹巖

8、層直接接觸。巷道通過地質(zhì)構(gòu)造帶時，巷道軸向應(yīng)盡量垂直斷層構(gòu)造帶或向、背斜構(gòu)造相鄰巷道或硐室之間選擇合理的巖柱寬度。巷道的軸線方向盡可能與構(gòu)造應(yīng)力方向平行，避免與構(gòu)造應(yīng)力方向垂直。（3）改革支護(hù)技術(shù)與工藝傳統(tǒng)的支護(hù)形式、支護(hù)工藝與單一的支護(hù)結(jié)構(gòu)已不適應(yīng)深部地質(zhì)條件巷道，很難保證安全生產(chǎn)。為解決現(xiàn)在巷道失修狀況，已著手深部巷道新的支護(hù)方式。如錨網(wǎng)巷道采用高強(qiáng)錨桿支護(hù)材料；架棚巷道更新支護(hù)工藝，金拱支架由原來25U 提升為29U 重型鋼。該措施的采用，將大大提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，減少巷道維護(hù)量10。（4）常規(guī)措施對大巷礦壓觀測，發(fā)現(xiàn)冒落預(yù)兆，及時處理，保證安全。加強(qiáng)構(gòu)造區(qū)支護(hù)質(zhì)量。如斷層、褶曲受構(gòu)造應(yīng)力

9、影響的地段，采取有效措施，提高支護(hù)質(zhì)量及支護(hù)強(qiáng)度10。（5）現(xiàn)場礦壓觀測表明，針對高應(yīng)力、節(jié)理化、強(qiáng)膨脹特征的軟巖巷道，利用數(shù)值分析得到的放矸卸壓范圍，并結(jié)合錨桿+圍巖注漿加固技術(shù)，有效地控制了其圍巖的強(qiáng)烈變形1.3鉆孔卸壓技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1與鉆孔卸壓有關(guān)的理論現(xiàn)在鉆孔卸壓技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已得出許多理論，主要集中于對卸壓范圍、卸壓系數(shù)、擴(kuò)孔研究。（1） 卸壓范圍的確定瓦斯災(zāi)害已成為我國煤礦事故的主要原因之一, 鉆孔卸壓抽采瓦斯是解決瓦斯災(zāi)害的有效方法。由于卸壓帶內(nèi)的地層壓力已傳遞給此帶以外的巖層, 該帶內(nèi)的煤層承受壓力不斷減小, 煤體發(fā)生膨脹變形, 透氣性增加, 瓦斯加劇解吸,

10、涌出量不斷增加并達(dá)到高峰值; 在卸壓區(qū)邊界及其以外, 煤體透氣性系數(shù)變化不大,基本上等于原始透氣性系數(shù)。研究表明11-15 , 煤層的透氣系數(shù)在卸壓區(qū)域內(nèi)可看作以負(fù)指數(shù)規(guī)律變化, 并且距離鉆孔越近透氣系數(shù)越大, 卸壓半徑越大鉆孔對煤層瓦斯?jié)B流的影響也就越明顯?？梢? 鉆孔卸壓區(qū)域的確定對瓦斯抽采效果具有重大意義16。求解卸壓區(qū)半徑，首先從理論上分析鉆孔周圍的應(yīng)力和卸壓區(qū)范圍, 然后應(yīng)用全量理論18，屈服條件為庫侖- 莫爾條件19彈塑性力學(xué)理論得到了軸對稱情況下卸壓區(qū)半徑的解析解。1924年H.亨奇從變分原理出發(fā)，得出了一組關(guān)于理想塑性材料的全量形式的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（即本構(gòu)關(guān)系）。此后,蘇聯(lián)的A

11、.A.伊柳辛提出簡單加載定理，使全量理論更為完整。全量理論認(rèn)為在加載過程中，若應(yīng)力張量各分量之間的比值保持不變，按同一參數(shù)單調(diào)增加，則加載稱為簡單加載，不滿足這個條件的叫復(fù)雜加載。在簡單加載下，用全量應(yīng)力和全量應(yīng)變表達(dá)的本構(gòu)方程為：分別為應(yīng)力偏量的分量和應(yīng)變偏量的分量。庫侖- 莫爾條件先由庫侖在1773年提出，后來莫爾用新理論加以解釋。該理論認(rèn)為當(dāng)壓力不大時（一般<10MPa）,可用斜直線強(qiáng)度曲線推導(dǎo)出其強(qiáng)度準(zhǔn)則的表達(dá)式式中、巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。（2）卸壓系數(shù)對卸壓系數(shù)研究的有李金奎, 劉東生, 李學(xué)彬, 熊振華的小煤柱應(yīng)力集中區(qū)鉆孔卸壓效果的數(shù)值模擬。文獻(xiàn)19 在分析鉆孔卸壓機(jī)理的

12、基礎(chǔ)上, 用ADINA模擬了小煤柱應(yīng)力集中區(qū)鉆孔卸壓效果, 得出了鉆孔周圍位移與應(yīng)力分布變化規(guī)律。通過小煤柱應(yīng)力集中區(qū)鉆孔卸壓效果模擬表明: 合理鉆孔孔徑和孔距的卸壓孔可以導(dǎo)致煤層結(jié)構(gòu)性破壞, 從而使應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移。研究表明: 鉆孔對小煤柱應(yīng)力集中區(qū)卸壓效果十分顯著。（3）擴(kuò)孔研究 對擴(kuò)孔研究的有王書文，毛德兵，任勇的鉆孔卸壓技術(shù)參數(shù)優(yōu)化研究20。本文獻(xiàn)20 通過分析鉆孔圍巖變形破壞機(jī)理, 得出鉆孔最終成孔半徑的計算公式， 在此基礎(chǔ)上通過ANSYS軟件對相同鉆孔密度下不同布置方式(單排、三花、四方) 的卸壓效果進(jìn)行模擬, 從水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力兩方面進(jìn)行卸壓效果分析, 通過5個指標(biāo)綜合評價,

13、 最終確定了在設(shè)定地質(zhì)條件下最優(yōu)的鉆孔布置方案。1.3.2與鉆孔卸壓相關(guān)的實驗工作文獻(xiàn)21先對鉆孔卸壓進(jìn)行模擬，然后對為平頂山煤業(yè)集團(tuán)十一礦己l6_17 煤層22040工作面風(fēng)巷實驗，工業(yè)試驗表明，鉆孔卸壓和錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)完全適用于深井高應(yīng)力厚煤層沿底掘進(jìn)巷道，可以取得較好的支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益，可為礦井“高產(chǎn)高效”建設(shè)提供技術(shù)保障卸壓鉆孔的參數(shù)優(yōu)化和確定還需進(jìn)一步研究，一般應(yīng)該根據(jù)具體的地質(zhì)條件結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場施工與觀測確定。文獻(xiàn)22對濟(jì)三礦應(yīng)用鉆孔卸壓技術(shù)，通過工程實踐，得到鉆孔卸壓減緩了沖擊危險文獻(xiàn)23為解決進(jìn)入深部開采的觀音堂煤礦巷道中出現(xiàn)的狀況，諸如片幫、底鼓及頂板壓力問題, 造成

14、了腿、梁彎曲、棚扭斜，而松幫卸壓窩工費時，修復(fù)工程量大，采取了鉆孔卸壓技術(shù)，應(yīng)用后減少了巷道變形，保證了巷道的安全。1.3.3與鉆孔卸壓相關(guān)的數(shù)值模擬文獻(xiàn)24 基于AD INA 有限元分析軟件, 對某礦巷道沖擊地壓應(yīng)力集中區(qū)鉆孔卸壓效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究; 根據(jù)實際開采條件建立了AD INA有限元模型, 通過模擬3, 5, 8 m不同鉆孔深度, 得到了巷道垂向應(yīng)力圖, 分析了不同鉆孔深度的卸壓效果。數(shù)值模擬結(jié)果表明: 在3種鉆孔深度的對比下, 鉆孔深度越深, 卸壓效果越明顯。沖擊地壓應(yīng)力集中區(qū)鉆孔卸壓數(shù)值模擬對工程應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)25利用FLAC 軟件對擴(kuò)孔后煤體周圍卸壓情況進(jìn)行了數(shù)

15、值模擬分析，重點研究了擴(kuò)孔后應(yīng)力降低區(qū)域及不同位置應(yīng)力的變化情況。研究得出，煤層進(jìn)行擴(kuò)孔后整體卸壓面積提高了20 倍，卸壓范圍呈“8”字形，在距離鉆孔邊緣115mm處出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。文獻(xiàn)26通過對鉆孔周圍應(yīng)力分布的研究，指出“瓶塞效應(yīng)”是制約其影響范圍的主要因素，割縫可以消除此效應(yīng)；數(shù)值模擬表明割縫高度對縫槽上方煤體卸壓影響不顯著，考慮到蠕變等因素要求縫槽高度不低于16 mm； 縫槽深度對縫槽上方煤體卸壓起到顯著影響，當(dāng)縫槽深度從0. 227 m增大到0. 770 m 時，縫槽上部1. 03 m 處煤體應(yīng)力由6. 2 MPa 降低到3. 1 MPa，通過增大縫槽深度以增加鉆孔的影響范圍

16、是可行的；由于鉆孔割縫后其影響范圍增加, 相鄰鉆孔間相互影響使得鉆孔影響范圍進(jìn)一步增大, 必須把多個鉆孔當(dāng)作一個整體來研究布孔情況。文獻(xiàn)27分析了偃龍礦區(qū)軟巖巷道難以支護(hù)的原因, 針對三軟煤層巷道底鼓問題, 采用數(shù)值計算方法對底板卸壓鉆孔深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計, 并給出了具體的解決方案, 即位于底板中部直徑為150 300 mm 的卸壓鉆孔, 深度應(yīng)大于巷道底板寬度的一半, 小于錨索錨固段的作用范圍。文獻(xiàn)2通過三維離散元分析軟件3DEC( 3 Dimensiona lDistinct Element Code) ,針對卸壓孔在不同孔徑下的圍巖變形情況,較為詳細(xì)地分析了鉆孔卸壓在深部巷道中的效果。模擬

17、結(jié)果表明,對巷道兩幫鉆孔卸壓以后,應(yīng)力集中區(qū)域由兩幫轉(zhuǎn)移到了圍巖深部,且集中在了卸壓孔的末端,對深部巷道起到了很好的保護(hù)作用,為深部高應(yīng)力巷道卸壓支護(hù)提供了依據(jù)。文獻(xiàn)28闡述巷道超前卸壓爆破技術(shù)現(xiàn)狀，分析了神寧集團(tuán)棗泉煤礦11201 工作面回風(fēng)巷出現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力的影響因素，提出了采用超前卸壓爆破技術(shù)在掘進(jìn)前釋放圍巖應(yīng)力的方法和措施，通過對其進(jìn)行總結(jié)分析，從而為其他類似巷道的圍巖應(yīng)力釋放積累寶貴的經(jīng)驗。沖擊地壓是一種復(fù)雜的礦井動力現(xiàn)象，一直是巖體力學(xué)及礦山防治研究的難點之一。近年來隨著煤礦采深的增加，出現(xiàn)沖擊地壓顯現(xiàn)的礦井明顯增多，給礦井生產(chǎn)和安全帶來了極大的威脅，因而有必要對沖擊地壓的防治進(jìn)行深入

18、研究29。文獻(xiàn)29采用現(xiàn)場測試?yán)碚摲治黾皵?shù)值模擬等研究方法，建立力學(xué)模型，研究了重力場中支承壓力分布影響因素。通過分析煤樣單向抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)實驗室試驗和基于weibull分布的數(shù)值試驗結(jié)果，得出了影響任意煤樣強(qiáng)度的兩個系數(shù)和由標(biāo)準(zhǔn)煤樣強(qiáng)度計算原煤強(qiáng)度及煤體強(qiáng)度的回歸公式。模擬了鉆孔卸壓顯現(xiàn)過程，對鉆孔卸壓防治沖擊地壓進(jìn)行了深入地研究。以數(shù)值模擬研究為基礎(chǔ)，通過RFPA軟件分析了在不同煤層強(qiáng)度、不同支承壓力(垂壓)情況下開孔,對鉆孔破壞半徑的影響，通過理論分析和回歸分析得出了鉆孔破壞半徑與煤層強(qiáng)度、煤層壓力(垂壓)和鉆孔直徑之間的關(guān)系。通過理論分析和數(shù)值回歸分析擬合出了各自的數(shù)學(xué)表達(dá)式。計算

19、結(jié)果對于防治沖擊地壓有重要的理論指導(dǎo)意義。以東灘礦為應(yīng)用背景，研究了現(xiàn)場鉆孔卸壓應(yīng)用情況，得出鉆孔卸壓解除沖擊危險效果好，可預(yù)先采取措施對生產(chǎn)影響小，適用于各種煤層條件及開采條件，對沖擊地壓的防治具有指導(dǎo)作用。文獻(xiàn)30通過理論分析和現(xiàn)場實際考察分析了煤炭開采頂板覆巖垮落變形動態(tài)變化規(guī)律, 分析了覆巖關(guān)鍵層的層位及巖體特性對煤層回采后頂板巖層的垮落區(qū)、裂隙區(qū)的擴(kuò)展影響特征; 結(jié)合現(xiàn)場工程實際, 提出了針對低滲透性煤層提高煤層瓦斯抽放率的一種新的頂板覆巖卸壓抽放技術(shù), 分析影響瓦斯抽放量的因素, 給出了頂板卸壓鉆孔的合理布置區(qū)域。文獻(xiàn)31 根據(jù)簡化的應(yīng)變線性軟化特性和線性擴(kuò)容特性以及煤的全程應(yīng)力一

20、應(yīng)變曲線, 對鉆孔周圍塑性區(qū)和殘余強(qiáng)度區(qū)的大小影響后煤的力學(xué)性狀、鉆粉量的解析表達(dá)式、突出煤層卸壓鉆孔防止煤和瓦斯突出的可行性一一進(jìn)行了討論和分析, 結(jié)合理論分析曲線譜, 指出多孔釋放應(yīng)力鉆孔對預(yù)防煤和瓦斯突出是可行和有效的。1.4本文研究內(nèi)容及技術(shù)路線本論文在研究和總結(jié)前人的研究的基礎(chǔ)上，通過理論計算，數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)研究深井高應(yīng)力區(qū)鉆孔卸壓技術(shù)的效果，巷道圍巖的穩(wěn)定性和對錨桿受力的影響，具體研究路線如下：（1） 幾種常用圓孔排列方式卸壓的效果（2） 鉆孔卸壓技術(shù)對巖體的影響2.鉆孔卸壓理論2.1鉆孔卸壓的力學(xué)機(jī)理巷道開挖前，深部巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，具有較高的強(qiáng)度。但是在巷道開挖后，水

21、平應(yīng)力解除后，巷道周圍圍巖徑向應(yīng)力變?yōu)榱悖優(yōu)槎驊?yīng)力，強(qiáng)度明顯下降。且由于開挖巷道，破壞了原有承載結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巷道圍邊圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，圍巖受力變形。當(dāng)集中應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時，巷道周邊圍巖遭到破壞，其承載力降低，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中程度隨之減弱，又由于破碎巖體的影響，所以深部圍巖的徑向應(yīng)力從開始處逐步增加，深部圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，巖石具有較高強(qiáng)度，抵御破壞強(qiáng)度增強(qiáng)。于是在高應(yīng)力區(qū)形成自承載結(jié)構(gòu)，承受掘巷引起的集中應(yīng)力。同時，在它的支撐和保護(hù)下，又使卸壓區(qū)內(nèi)的巖體得以保持穩(wěn)定。另一方面，結(jié)構(gòu)和完整性并未遭到完全破壞的卸壓區(qū)內(nèi)的圍巖，仍然存在一定的殘余強(qiáng)度，并向巖體自乘結(jié)構(gòu)提供側(cè)向約束力，增

22、加巖體自乘結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而使圍巖的穩(wěn)定性得到顯著提高?；驹砣鐖D2-1所示頂板巖層作用在煤體上，表示工作面前方煤體上的壓力，表示發(fā)生沖擊礦壓的極限應(yīng)力值。當(dāng)煤層上覆的應(yīng)力達(dá)到了最大值接近極限應(yīng)力值，沖擊礦壓危險性很大。為了巖體的穩(wěn)定，采用鉆孔卸壓技術(shù)，其直徑，長為，鉆孔中部受擠壓的長度為，結(jié)果使鉆孔煤體的壓力降為。應(yīng)力越高，鉆孔受擠壓移動的程度就越大。在支承壓力區(qū)域內(nèi)，用大直徑鉆頭鉆孔，降低其應(yīng)力值，而鉆孔局部范圍出現(xiàn)小的應(yīng)力集中，當(dāng)該應(yīng)力超過鉆孔壁的強(qiáng)度時，隨著時間的推移，鉆孔間煤體風(fēng)化與壓裂，在鉆孔周圍形成直徑為的卸壓帶。因此，在布置鉆孔時，其間距S至少等于D。這樣，在一定范圍內(nèi)

23、，應(yīng)力降低。應(yīng)力最高點距煤壁的距離移至。研究表明，在鉆孔中注水，可以軟化鉆孔圍巖，加大卸壓范圍，減少鉆孔數(shù)量。應(yīng)當(dāng)注意，鉆孔形成的卸壓帶使煤體松動，不能聚集彈性能以及形成永久屈服變形。2.2孔周應(yīng)力和卸壓范圍的確定基本假設(shè)：由于煤層在整個鉆孔和壓裂過程中垂直方向的位移受各層巖石影響，可忽略，因此，將模型簡化為平面應(yīng)變模型，模型如圖1所示。設(shè)煤層所在平面內(nèi)有：，側(cè)向壓力系=1時，可以按軸對稱問題處理;煤層為理想彈塑性材料，可應(yīng)用全量理論32 。屈服條件為庫侖- 莫爾條件 19， 式中：、分別為最大、最小主應(yīng)力；為煤體粘聚力；為煤體的內(nèi)摩擦角。（1）彈性區(qū)應(yīng)力和位移根據(jù)彈性力學(xué)理論，直接應(yīng)用平面軸

24、對稱問題的解如下： 扣去原始位移得到相對位移： 其中: 為距圓心的距離；為塑性區(qū)半徑；為彈性區(qū)軸向應(yīng)；為彈性區(qū)切向應(yīng)力；為塑性區(qū)外邊緣的軸向應(yīng)力。（2）塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力根據(jù)塑性力學(xué)理論, 在塑性區(qū)內(nèi)有 32：平衡方程: ，且令，；屈服條件：式；邊界條件：，為鉆孔半徑。聯(lián)立求解上訴關(guān)系得： (3)塑性區(qū)半徑根據(jù)塑性區(qū)和彈性區(qū)的交界連續(xù)條件可以求得塑性區(qū)的半徑。當(dāng)時：，所以有：式中為原地應(yīng)力 由式可以看出, 卸壓區(qū)半徑與鉆孔半徑成正比； 當(dāng)確定，時, 煤層的粘聚力越大鉆孔的卸壓半徑就越小；當(dāng)確定，時, 煤層周圍的地應(yīng)力越大卸壓半徑越大，近似為正比變化，可見埋藏較深和地應(yīng)力較大的煤層更容易卸壓，而且地應(yīng)

25、力較大的煤層也更容易發(fā)生煤和瓦斯的突出，有鉆孔卸壓的必要性和迫切性；當(dāng)確定，時，天然巖石材料的摩擦角的取值為2040之間，這個范圍摩擦角對卸壓半徑的影響很小，因此煤層摩擦角變化對鉆孔半徑的影響可以忽略。（2）卸壓系數(shù)的確定當(dāng)在高應(yīng)力煤體內(nèi)進(jìn)行鉆孔時, 鉆孔周圍煤體在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂隙并發(fā)生破裂, 在鉆孔周圍形成1 個比鉆孔直徑大得多的破裂區(qū), 當(dāng)這些破裂區(qū)互相連通后, 在煤體內(nèi)形成1 條卸壓帶, 使得應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移, 起到卸壓作用。煤體鉆孔卸壓原理見如圖1所示33 。卸壓后鉆孔周圍煤體處于破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。3 區(qū)煤體應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)滿足Mohr􀀂Coulomb 準(zhǔn)則

26、 34, 35 , 可統(tǒng)一表示為 式中、為材料參數(shù)。破裂區(qū)應(yīng)力應(yīng)變方程 塑性區(qū)應(yīng)力應(yīng)變方程 上訴3式中，為采用極坐標(biāo)徑向、環(huán)向的應(yīng)力；，分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角；下標(biāo)，分別表示破裂區(qū)和塑性區(qū)由于鉆孔周圍煤體產(chǎn)生了稠密的破斷裂隙，這部分煤體變形模量將比原生煤體的變形模量大幅度降低，兩者的比值可稱作卸壓系數(shù)。它是鉆孔卸壓效果的標(biāo)志，鉆孔其周圍煤體產(chǎn)生裂隙及破碎是產(chǎn)生卸壓作用的根本原因。根據(jù)C. O. 巴布柯克經(jīng)驗公式 36, 卸壓系數(shù)由下式計算圖1煤層中鉆孔卸壓的效果 式中為鉆孔孔徑，mm；為鉆孔邊界距離, mm；為鉆孔中心距, mm, 顯然鉆孔周圍煤體的卸壓程度取決于鉆孔中心距, 越小, 越大。三

27、、數(shù)值模擬3.1軟件簡介FLAC3D由美國Itasca公司開發(fā)的。FLAC3D是二維的有限差分程序FLAC2D的護(hù)展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)變形和移動（大變形模式）。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。 3.2模擬模型模型1為無孔的煤體，長8m，寬4m，高6m。模型2為單排孔煤體，長寬高不

28、變，在模型前后方向正中間有一排孔，孔徑20cm，孔距80cm。模型3為雙排孔煤體，長寬高不變，雙排孔各在距上下邊界1m處得位置。上述3個模型的材料參數(shù)相同，為體積模量，剪切模量，內(nèi)摩擦角30度，內(nèi)聚力，抗拉強(qiáng)度。在模型頂部施加的應(yīng)力，固定模型左右方向兩邊界面。FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USASettings: Model Perspective19:58:27 Sun May 01 2011Center: X: 3.500e+000 Y: 2.000e+000 Z: 0.000e+000Rotation: X

29、: 0.000 Y: 0.000 Z: 210.000Dist: 2.462e+001Mag.: 1Ang.: 22.500Surface Magfac = 0.000e+000模型2Settings: Model PerspectiveItasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USASettings: Model Perspective17:03:08 Mon May 02 2011Center: X: 3.500e+000 Y: 2.000e+000 Z: 1.500e+000Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.

30、000Dist: 2.412e+001Mag.: 1Ang.: 22.500Surface Magfac = 0.000e+000模型33.3模擬結(jié)果FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 1000115:26:09 Sun May 01 2011History 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0x104-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2x10-4 2 Z-Displacement Gp 1913 Linestyle -1.813e-004 <-> -1

31、.795e-005 Vs. Step 1.000e+001 <-> 1.000e+004數(shù)據(jù)1：無孔，z方向位移FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 1000120:17:16 Sun May 01 2011History 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0x104-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2x10-4 2 Z-Displacement Gp 2458 Linestyle -1.824e-004 <-> -6.704e-007 Vs.

32、 Step 1.000e+001 <-> 1.000e+004 數(shù)據(jù)2單排孔z方向位移FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 1000120:50:15 Mon May 02 2011History 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0x104-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2x10-4 2 Z-Displacement Gp 2268 Linestyle -1.840e-004 <-> -1.767e-005 Vs. Step 1.000e+

33、001 <-> 1.000e+004數(shù)據(jù)3：雙排孔z方向位移FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 1000115:27:08 Sun May 01 2011History 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0x104-4.0-3.0-2.0-1.0 0.0 1.0 2.0x10-7 3 Y-Displacement Gp 1913 Linestyle -4.658e-007 <-> 2.358e-007 Vs. Step 1.000e+001 <-> 1.000e+0

34、04數(shù)據(jù)4：單排孔的y方向位移FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 1000120:19:16 Sun May 01 2011History 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0x104-9.0-8.0-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.0 0.0 1.0x10-8 3 Y-Displacement Gp 2458 Linestyle -9.820e-008 <-> 1.486e-008 Vs. Step 1.000e+001 <-> 1.000e+004數(shù)據(jù)5

35、單排孔的y方向位移FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 1000120:51:52 Mon May 02 2011History 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0x104-4.0-3.0-2.0-1.0 0.0 1.0 2.0x10-8 3 Y-Displacement Gp 2268 Linestyle -4.112e-008 <-> 2.336e-008 Vs. Step 1.000e+001 <-> 1.000e+004數(shù)據(jù)6雙排孔的y方向位移參考文獻(xiàn)1 劉雅馨，張用德

36、，呂古賢。后石油時代，中國新能源戰(zhàn)略的思考J。當(dāng)代世界，2010：59-602 劉紅崗，徐金海。煤巷鉆孔卸壓機(jī)理的數(shù)值模擬與應(yīng)用J，2003（4）：37-383 王懷新. 深井主要巷道支護(hù)方式的研究與應(yīng)用J.煤礦安全, 2003, 34 ( 8) : 1 - 3.4 趙軍.破碎煤體內(nèi)的巷道支護(hù)與加固技術(shù)J. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2002, 30: 2 - 3.5 吳鑫, 張東升,王旭鋒,張煒,王冠.深部高應(yīng)力巷道鉆孔卸壓的3DEC模擬分析J。煤礦安全，2008：15-256 王大田. 高應(yīng)力失穩(wěn)巷道支護(hù)技術(shù)J. 礦業(yè)快報,2006, 445: 1 - 3.7 李德忠,夏新川,等. 深部礦井開采技術(shù)

37、M. 徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社: 2005.8 王建團(tuán)，劉宗超，深井高應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù)實踐J。能源技術(shù)與管理2010,2:23-249 錢鳴高，石平無，鄒喜正，許家林。礦山壓力與巖層控制M。徐州： 中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003,212-21310 王曉輝，深部巷道變形損傷因素與支護(hù)對策分析J。價值工程，2010：21411 李華煒. 煤礦抽放瓦斯實踐對煤層氣開發(fā)的啟示與借鑒 J . 煤炭工程, 2006 ，( 5) : 31-33.12 王凱, 俞啟香, 蔣承林. 鉆孔瓦斯動態(tài)涌出的數(shù)值模擬研究 J . 煤炭學(xué)報, 2001, 26( 3) : 279-284.13 王凱, 俞啟香. 煤與瓦斯突出的非線性特征及預(yù)測模型M . 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2005.14 孫培德. 煤層瓦斯流場流動規(guī)律的研究 J . 煤炭學(xué)報, 1987, 1