本發(fā)明屬于煤礦開(kāi)采領(lǐng)域，涉及一種卸壓鉆孔間排距的設(shè)計(jì)方法，可擴(kuò)展應(yīng)用于高應(yīng)力巷道卸壓、沖擊地壓防治與高瓦斯煤層增透等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，鉆孔卸壓技術(shù)主要應(yīng)用于沖擊地壓防治、高瓦斯煤層增透及高應(yīng)力巷道應(yīng)力等工程中，雖然在各類工程中的作用不盡相同，但原理上存在較大的相似度。如對(duì)于沖擊地壓的防治，主要是通過(guò)在煤巖層中人為施工大孔徑卸壓鉆孔，利用鉆孔的變形破壞，釋放聚集在煤巖體內(nèi)部的彈性變性能，消除或減緩沖擊地壓危險(xiǎn)性；在高瓦斯煤層中，通過(guò)布置密集卸壓鉆孔增加煤體破碎程度，進(jìn)而增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率；而對(duì)于高應(yīng)力巷道，卸壓鉆孔可在圍巖內(nèi)部形成一個(gè)弱化區(qū)，釋放應(yīng)力的同時(shí)，將圍巖周邊高應(yīng)力向深部穩(wěn)定圍巖中轉(zhuǎn)移，改善巷道應(yīng)力環(huán)境，并為圍巖膨脹變形提供有效的補(bǔ)償空間，達(dá)到減小巷道變形的目的。在現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用中，影響卸壓鉆孔工況效果的最主要因素之一為鉆孔間排距。目前，確定卸壓鉆孔間排距時(shí)主要以經(jīng)驗(yàn)類比法和經(jīng)驗(yàn)公式法，上述兩種確定方法均以依賴經(jīng)驗(yàn)成分居多，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的卸壓鉆孔間排距存在較大誤差，間排距過(guò)大起不到卸壓效果，間排距過(guò)小不利于維護(hù)煤巖體的穩(wěn)定，且增加了鉆孔工程量，因此，提出一種合理的卸壓鉆孔間排距設(shè)計(jì)方法對(duì)充分發(fā)揮鉆孔卸壓效果具有重要的意義。本發(fā)明提供一種卸壓鉆孔間排距的設(shè)計(jì)方法，不僅操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，同時(shí)有效提高卸壓鉆孔間排距設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，顯著降低鉆孔工程量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，即設(shè)計(jì)的卸壓鉆孔間排距存在較大誤差，間排距過(guò)大起不到卸壓效果，間排距過(guò)小不利于維護(hù)煤巖體的穩(wěn)定，且增加了鉆孔工程量，從而提供一種有效的卸壓鉆孔間排距的確定方法，提高卸壓鉆孔間排距設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，降低鉆孔工程量。

本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種卸壓鉆孔間排距的設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法分為三個(gè)步驟：首先，設(shè)計(jì)卸壓鉆孔間排距之前首先需要評(píng)估卸壓地點(diǎn)的應(yīng)力環(huán)境，計(jì)算工作面(巷道)圍巖支承壓力峰值σ_p及其位置L_p；其次，選取L_p處的圍巖作為分析對(duì)象，采用修正后的圍巖彈塑性解析解計(jì)算卸壓鉆孔塑性區(qū)擴(kuò)展半徑r_p，計(jì)算時(shí)鉆孔圍巖應(yīng)力邊界取值為工作面(巷道)圍巖支承壓力峰值σ_p，以r_p作為評(píng)價(jià)鉆孔單孔作用范圍的指標(biāo)，確定卸壓鉆孔的最大間排距為R≤2r_p；最后，采用圍巖彈塑性解析解計(jì)算鉆孔切向應(yīng)力σ_θ的演化曲線，取相鄰兩鉆孔切向應(yīng)力曲線相交點(diǎn)的應(yīng)力為σ_m，以試驗(yàn)地點(diǎn)原巖應(yīng)力p為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定鉆孔最小間排距R的條件為σ_m≥p。

進(jìn)一步，工作面和巷道圍巖支承壓力峰值σ_p和峰值位置L_p的計(jì)算方法如下式(1)(2)和(3)(4)所示：

①工作面

式中，m為工作面采高，m；A為側(cè)壓系數(shù)；為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；c為煤體內(nèi)聚力，MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均體積力，MN/m³；h為工作面埋深，m；P_x為工作面煤幫支護(hù)阻力，MPa。

②巷道

其中：

式中：為煤巖體內(nèi)摩擦角，(°)；c為煤巖體內(nèi)聚力，MPa；r為巷道圍巖任意點(diǎn)的半徑，m；r_p為塑性區(qū)半徑，m；p為原巖應(yīng)力，MPa；α為煤巖體塑性擴(kuò)容系數(shù)；K為煤巖體峰后應(yīng)變軟化曲線斜率；r₀為巷道半徑，m；為煤巖體殘余內(nèi)摩擦角，(°)；c^*為煤巖體殘余內(nèi)聚力，MPa；P₀為巷道支護(hù)反力，MPa；G為巖體剪切彈性模量，GPa。

進(jìn)一步，采用修正后的圍巖彈塑性解析解計(jì)算卸壓鉆孔塑性區(qū)擴(kuò)展半徑r_p時(shí)，采用式(4)計(jì)算，計(jì)算時(shí)鉆孔圍巖應(yīng)力邊界取值為工作面(巷道)圍巖支承壓力峰值σ_p，將計(jì)算得出的單孔塑性區(qū)擴(kuò)展半徑r_p作為評(píng)價(jià)鉆孔單孔作用范圍的指標(biāo)，由此確定設(shè)計(jì)卸壓鉆孔的最大間排距為R≤2r_p，此時(shí)鄰近卸壓鉆孔切向應(yīng)力分布曲線將以單峰形式存在。

進(jìn)一步，采用圍巖彈塑性解析解計(jì)算鉆孔切向應(yīng)力σ_θ的演化曲線時(shí)，采用式(3)計(jì)算，以巷道圍巖任意點(diǎn)的半徑r為自變量，繪制卸壓鉆孔切向應(yīng)力σ_θ的演化曲線；同時(shí)，在鉆孔間排距R≤2r_p條件的限制下，鄰近鉆孔切向應(yīng)力分布曲線以單峰形式存在，且隨著鉆孔間排距的進(jìn)一步減小，鄰近鉆孔切向應(yīng)力曲線相交點(diǎn)的應(yīng)力σ_m將逐漸減小，此時(shí)，以試驗(yàn)地點(diǎn)原巖應(yīng)力p為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定卸壓鉆孔最小間排距R的條件為σ_m≥p。

本發(fā)明的有益效果：

此種卸壓鉆孔設(shè)計(jì)方法以理論計(jì)算為基礎(chǔ)提出的，設(shè)計(jì)過(guò)程中省略了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等眾多繁瑣緩解，且理論計(jì)算式設(shè)計(jì)參數(shù)較少，僅需獲取卸壓地點(diǎn)煤巖體一些基本物理力學(xué)參數(shù)即可完成卸壓鉆孔間排距的設(shè)計(jì)，同時(shí)，確定卸壓鉆孔間排距的評(píng)價(jià)指標(biāo)少而簡(jiǎn)單，應(yīng)用性較強(qiáng)，可在高應(yīng)力巷道卸壓、沖擊地壓防治與高瓦斯煤層增透等領(lǐng)域推廣應(yīng)用，由該方法設(shè)計(jì)的卸壓鉆孔間排距亦可保證在較少的鉆孔工程量條件下最大限度發(fā)揮卸壓鉆孔工效，提高卸壓鉆孔間排距設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1為工作面圍巖支承壓力分布示意圖。

圖2為巷道圍巖支承壓力分布示意圖。

圖3為間排距R＞2r_p下鄰近孔間支承應(yīng)力分布示意圖。

圖4為間排距R＝2r_p下鄰近孔間支承應(yīng)力分布示意圖。

圖5為間排距R＜2r_p(σm≥p)下鄰近孔間支承應(yīng)力分布示意圖。

圖6為間排距R＜2r_p(σm＜p)下鄰近孔間支承應(yīng)力分布示意圖。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1～6對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，一種卸壓鉆孔間排距的設(shè)計(jì)方法，該方法分為三個(gè)步驟：

(S1)煤礦卸壓鉆孔應(yīng)用場(chǎng)所一般位于工作面與巷道及其鄰近位置，在設(shè)計(jì)卸壓鉆孔間排距前首先需要評(píng)估卸壓地點(diǎn)的應(yīng)力環(huán)境，計(jì)算工作面或巷道圍巖支承壓力峰值σ_p及其位置L_p。對(duì)于工作面圍巖支承壓力峰值σ_p及其位置L_p的計(jì)算方法如式(1)和(2)所示，根據(jù)工作面采高m、側(cè)壓系數(shù)A、煤體內(nèi)摩擦角煤體內(nèi)聚力c、應(yīng)力集中系數(shù)k、上覆巖層平均體積力γ、工作面埋深h、工作面煤幫支護(hù)阻力P_x等指標(biāo)，即可計(jì)算得到工作面采空區(qū)邊緣圍巖支承壓力峰值σ_p及其位置L_p。對(duì)于巷道圍巖支承壓力峰值σ_p及其位置L_p的計(jì)算方法如式(3)和(4)所示，根據(jù)煤巖體內(nèi)摩擦角煤巖體內(nèi)聚力c、塑性區(qū)半徑r_p、原巖應(yīng)力p、為煤巖體塑性擴(kuò)容系數(shù)α、煤巖體峰后應(yīng)變軟化曲線斜率K、為巷道半徑r₀、為煤巖體殘余內(nèi)摩擦角煤巖體殘余內(nèi)聚力c^*、巷道支護(hù)反力P₀、巖體剪切彈性模量G等指標(biāo)，即可計(jì)算得到巷道圍巖支承壓力峰值σ_p及其位置L_p；

工作面和巷道圍巖支承壓力峰值σ_p和峰值位置L_p的計(jì)算方法如下式(1)(2)和(3)(4)所示：

①工作面

式中，m為工作面采高，m；A為側(cè)壓系數(shù)；為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；c為煤體內(nèi)聚力，MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均體積力，MN/m³；h為工作面埋深，m；P_x為工作面煤幫支護(hù)阻力，MPa。

②巷道

其中：

式中：為煤巖體內(nèi)摩擦角，(°)；c為煤巖體內(nèi)聚力，MPa；r為巷道圍巖任意點(diǎn)的半徑，m；r_p為塑性區(qū)半徑，m；p為原巖應(yīng)力，MPa；α為煤巖體塑性擴(kuò)容系數(shù)；K為煤巖體峰后應(yīng)變軟化曲線斜率；r₀為巷道半徑，m；為煤巖體殘余內(nèi)摩擦角，(°)；c^*為煤巖體殘余內(nèi)聚力，MPa；P₀為巷道支護(hù)反力，MPa；G為巖體剪切彈性模量，GPa。

(S2)選取工作面或巷道圍巖支承應(yīng)力峰值位置L_p處的圍巖作為分析對(duì)象，采用修正后的圍巖彈塑性解析解(式4)計(jì)算卸壓鉆孔塑性區(qū)擴(kuò)展半徑r_p，計(jì)算時(shí)鉆孔圍巖應(yīng)力邊界取值為工作面(巷道)圍巖支承壓力峰值σ_p，將計(jì)算得出的單孔塑性區(qū)擴(kuò)展半徑r_p作為評(píng)價(jià)鉆孔單孔作用范圍的指標(biāo)，由此確定設(shè)計(jì)卸壓鉆孔的最大間排距為R≤2r_p，此時(shí)鄰近卸壓鉆孔切向應(yīng)力分布曲線將以單峰形式存在，對(duì)應(yīng)圖4所示的應(yīng)力狀態(tài)；圖3所示的應(yīng)力狀態(tài)顯示，鄰近鉆孔單孔作用范圍并未疊加，說(shuō)明此時(shí)卸壓鉆孔間排距過(guò)大，卸壓效果不好，不可取。

(S3)當(dāng)卸壓鉆孔間排距的減小至一定程度后，將會(huì)對(duì)圍巖強(qiáng)度產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致卸壓過(guò)度,設(shè)計(jì)卸壓鉆孔最小間排距時(shí)，首先采用圍巖彈塑性解析解(式3)計(jì)算鉆孔切向應(yīng)力σ_θ的演化曲線，定義相鄰兩鉆孔切向應(yīng)力曲線相交點(diǎn)的應(yīng)力為σ_m，同時(shí)以試驗(yàn)地點(diǎn)原巖應(yīng)力p為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定鉆孔最小間排距R的條件為σ_m≥p，對(duì)應(yīng)圖5所示的應(yīng)力狀態(tài)；圖6所示的應(yīng)力狀態(tài)顯示，鄰近鉆孔切向應(yīng)力曲線相交點(diǎn)的應(yīng)力為σ_m已小于原巖應(yīng)力p，此時(shí)將對(duì)圍巖整體強(qiáng)度造成損傷，圍巖處于過(guò)度卸壓狀態(tài)，同樣不可取。

以上是為了使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解本發(fā)明，而對(duì)本發(fā)明所進(jìn)行的詳細(xì)描述，但可以想到，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋的范圍內(nèi)還可以做出其它的變化和修改，這些變化和修改均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。