东滩煤矿钻屑法检测冲击地压危险的认识

总第 3< 期
东滩矿判别冲击危险的钻屑量临界指标
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冲击危险指标的确定， 是 应 用 钻 屑 法 预 测 冲 击 地 压 的 关 键。钻屑法作为预测手段， 首要任务是建立钻屑量和煤体应力 之间的关系， 通过钻屑量了解煤体 应 力 状 态 ， 确定可能发生冲 击地压时的最大钻屑量； 其次是了 解 最 大 集 中 应 力 的 位 置 ， 即 出现最大钻屑量的位置到煤壁 距 离 ； 第 三 是 分 析 钻 屑 的 粒 度 组成、 钻进的难易程度、 卡钻、 震动和微冲击等动力现象与冲 击地压发生的可能联系。按照 上 述 三 个 条 件 建 立 冲 击 危 险 检 测指标， 判定冲击地压危险等级。
的增加而增大。在特殊情况下， 还能出现孔壁破损失稳现象， 钻屑量将数十倍地增加。关于这种 情 况 ， 库克曾作过阐述， 并 提出其发生条件为
) "’ ) ! ! " # （ ’"$ ） 式中 数；
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近似为常 %" 煤体非弹 性 区 的 应 力 " 应 变 曲 线 的 斜 率 ，
5"3 煤的弹性系数。 采用 ’ 6677 钻头钻孔，孔径一般为 68.9:77。 但 如 前
煤矿现代化
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东滩煤矿钻屑法检测冲击地压危险的认识
东滩煤矿 邓小林 摘 要 通过实验室测得东滩煤矿发生冲击地压的临界值， 利用钻屑量与应力之间函数关系确定矿井 理论的钻屑量临界值， 根据 钻 屑 量 临 界 量 所 处 钻 孔 的 位 置 确 定 是 否 存 在 冲 击 地 压 危 险 ， 并适时采取合适的 解危措施， 检测解危效果。 关键词 钻屑法 检测 冲击地压 用库仑 " 摩尔准则为钻孔后出现非弹性变形的屈服准则， 把 载荷视为静水压力状态下的轴 对 称 问 题 。 但 都 没 有 考 虑 煤 在 非弹性变形区所出现的应变软化性质。为了更符合实际， 考虑 煤的应变软化性质和非弹性变 形 区 的 扩 容 ， 来 建 立 煤 体 应 力 和钻屑量之间的函数关系。 考虑应变软化的扩容影响的钻屑量 & 与煤体应力 ’ 之间 的关系式为：
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理论计算临界钻粉量 根据公式（ $ ） （%） （ ! ）计算临界钻粉量。 通过钻孔冲击试验可知 ， 东 滩 矿 发 生 冲 击 的 临 界 压 力 为
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钻屑法检测的实施
根据东滩煤矿冲击显现 的 特 点 ， 确 定 潜 在 有 冲 击 危 险 的
区域。对 .! 上 ). （北）工作面通过经验类比法及支承压力叠 加应力计算， 确定该工作面的有冲 击 危 险 的 重 点 区 域 为 ： 一段 从 工 作 面 开 切 眼 开 始 到 .!)! 和 .!)/;$ 工 作 面 停 采 线 的 第 二 段 为 临 近 .! 上 ).;$ 停 采 线 时 的 :)2 范 围 内 。 对 %!<2； 确定了潜在有冲击危险的地段， 用钻屑法进行重点检测。 用功率为 $7%8= 的手持煤电钻打测试钻孔，采 用 螺 纹 式 联接的麻花钻杆， 每 节 长 $7$/2， 钻孔的深度 $ .%22 的 钻 头 ， 为 >#$<2。用剪开的胶结袋收集钻出的煤粉， 用容器称量煤粉 的体积， 每钻进 $2 测量 $ 次钻屑量。用专用表格记录打眼地 点、 时间、 钻屑排出量， 以及打眼过程中出现的钻杆跳动、 卡 钻、 劈裂声和微冲击等动力现象。
述， 煤体应力大， 孔径增大， 钻屑量增多。如果能在实验室测得 煤的力学参数， 在现场测得钻屑量 和 平 均 孔 径 ， 那么就可按式 （ # ）， 采用逐步逼近法求出相应的应力。把它和实验室测 （ !） 得的煤的强度值进行比较， 就可用 以 判 定 冲 击 地 压 危 险 程 度 ， 或与钻屑法实验室试验结果相验证， 确定钻屑指标。 一般情况下， 煤体 处 于 非 对 称 载 荷 下 ， 而 式（ ! ） （ # ）是 在 对称载荷下求得的煤体应力和 钻 屑 量 间 的 关 系 式 。 采 用 有 限 元法对非对称载荷下圆孔非弹 性 变 形 位 移 求 解 ， 按 所 求 值 计 算由于非弹性变形引起的相应 钻 屑 量 ， 再 把 它 与 对 称 载 荷 下 （ ( (! ）由非弹性变形引起的钻屑量进行比较， 当 ( (:-#; 时， 其误差不到 ;< ， 所以式（ ! ） （ # ）在不同侧 压 比 情 况 下 均 可 适 用， 并且精度能够满足工程上的要求。
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钻屑量与应力之间的关系
建立钻屑量与煤体应力 之 间 的 定 量 关 系 有 不 少 学 者 在 这
方面进行了研究。一般都假设钻孔前煤体为均质、 各向同性的 弹性体， 视为具有圆孔的无限大平面应变问题进行处理。并采
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煤矿现代化
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冲击危险指标的确定
%<<( 年第 $ 期
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钻孔深度（2） 临界指标（9?2）
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［ % *" +&’（ !,&% *）］ $#( ’"$ # !) +"’ 式中
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! " 煤的容重； # " 成孔后半径； )" 非弹性区半径； *+" 扩容在内的孔内壁径位移； *)" 非弹性区和弹性区交界处的径向位移； 一般取 !-!.!-# ； , 为考虑扩容而产生的影响， / 系数， /( !012,& 3 ， & 煤的内摩擦角； !" 12,& $ " 泊松比； % 4" 煤的单轴抗压强度。
按上表规定， 参照东滩矿有 冲 击 危 险 地 点 的 开 采 条 件 ， 确 定应用的指标值见下表。 表%
钻粉率指数
东滩矿判别冲击危险的钻屑量指标
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钻孔深度（2）
钻粉率指数 & 每米实际钻粉量 ’ 每米正常钻粉量 钻粉率指数应折算成容 易 测 量 的 指 标 ， 一 般 以 测 量 煤 粉 的体积比较方便。正常钻粉量 是 在 支 承 压 力 影 响 带 范 围 以 外 测得的煤粉量， 选择不受采动影响 的 煤 体 中 的 巷 道 ， 测定五个 孔并取各孔煤粉量的平均值作 为 正 常 煤 粉 量 。 正 常 钻 粉 量 通 过现场测试和理论计算方法确定。
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钻屑量指标 在《冲击地压煤层安全开采 暂 行 规 定 》中 规 定 ， 用钻粉率
指数判别工作地点冲击危险性指标 ， 可参照下表确定， 结合实 际情况执行。在表中所列的钻孔测量深度内， 实际钻粉量达到 相应指标或出现钻杆卡死现象 ， 可 判 别 为 所 测 地 点 有 冲 击 危 险。 表$
钻粉率指数
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判别工作地点冲击危险性的钻粉率指标
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动力效应 指钻进过程中伴随出现的冲 击 响 声 、 钻杆跳动、 卡钻甚至
钻孔深度 ? 煤层开采厚度
钻杆卡死等现象。由于钻孔过程中孔壁周围煤体突然破裂， 挤 入孔内， 伴有冲击响声， 并造成钻 杆 跳 动 。 严 重 时 能 造 成 钻 杆 卡住， 甚至把钻杆卡死。钻杆卡持是钻孔周围煤体应力高度集 中或突然变化的标志。因此把 钻 杆 被 卡 死 作 为 鉴 别 冲 击 危 险 的一个指标。但是必须注意， 钻 杆 被 卡 死 除 与 煤 体 压 力 有 关 外， 还受施工钻具、 施工方法和施工经验的影响， 因此要由专 职人员采取正确的施工方法和凭借经验确认和鉴别冲击危 险。其它动力效应， 如推进力变化、 纯钻进时间变化、 钻孔冲击 等， 也可作为鉴别冲击危险的参考指标。 对于东滩矿的情况， 如果出 现 以 上 所 述 的 动 力 效 应 ， 应认 为存在冲击危险， 还应该在邻近处 另 打 检 测 孔 ， 或结合其它检 测方法综合判定。
如前所述， 为了客观地评价 冲 击 危 险 程 度 ， 必须确定最大 支承压力区中的峰值大小， 以及峰值位置至煤壁的距离。煤岩 的三轴强度试验表明， 当围压达到 一 定 程 度 后 ， 煤 样“ 塑 化 ”， 几乎失去冲击倾向。当达到一 定 深 度 后 ， 即 使 在 该 处 形 成 冲 击， 由于该区至煤壁之间煤体构成 的 阻 力 大 ， 冲击部分的煤体 也不能抛向采掘空间。这种深 部 冲 击 的 动 力 效 应 只 是 产 生 震 动和响声， 危害有限。 根据东滩矿的煤岩性质 及 开 采 条 件 ， 确 定 有 冲 击 危 险 的 距离指标为 32，即如果在距煤壁 32 的范围内出现危险指标 临界值的情况， 可认为存在冲击危险。 超过 32 以后， 即使发生 冲击， 由于距煤壁较远， 阻力大， 只是 深 部 冲 击 ， 其动力效应仅 是深部的声响和震动， 不会出现冲击地压事故。
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估测支承压力 由于钻屑Байду номын сангаас能够估测煤 岩 体 应 力 大 小 和 分 布 ， 因 而 能 够
用于估测采掘工作面的支承压 力 大 小 和 分 布 规 律 。 支 承 压 力 的峰值大小， 峰值位置至煤壁的距 离 ， 以及支承压力显著作用 范围， 是支承压力的主要特征参数 。 如 前 所 述 ， 钻屑量的多少 与煤体压力有关。实测钻屑量 的 分 布 曲 线 反 映 了 支 承 压 力 带 的特征。
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钻屑法检测冲击危险的基本理论
钻屑法的基本理论， 受压煤 层 中 钻 小 直 径 钻 孔 ， 当钻孔进
入煤体高应力区时， 钻进过程呈现 动 态 特 征 ， 孔壁煤体部分可 能突然挤入孔内， 并伴有振动、 声响或微冲击等现象， 单位长 度排出的煤粉量大于正常量， 钻屑 粒 度 增 大 ， 可能出现的卡钻 现象。为了及时客观地评价采掘地点的冲击危险程度， 必须适 时确定支承压力带峰值大小和 位 置 。 但 是 直 接 测 定 煤 层 应 力 相当困难， 尚没有可靠方法。一般 采 用 相 对 评 价 的 方 法 ， 对处 于极限应力状态的边缘区进行 钻 进 ， 研 究 钻 进 过 程 中 的 动 态 效应与煤体应力之间的关系， 从而判定冲击危险。
实践表明， 采用相同钻头钻 孔 ， 成孔后的孔径随煤体应力
!" 钻屑排出量； #" 钻屑粒度变化； $" 打钻过程中的声响强度变化 图 ! 钻孔效应示意图
对煤体打钻至一定深度 后 ， 钻 孔 周 围 将 逐 渐 过 渡 到 极 限 应力状态， 如图 ! 所示。孔壁部分 煤 体 可 能 突 然 挤 入 孔 内 ， 并 伴有不同程度的响声和微冲击 。 打 钻 过 程 中 发 生 吸 钻 或 卡 钻 甚至卡死。出现这些变化的原因， 是钻孔周围煤体变形和脆性 破碎所致。煤层中的应力愈大， 煤的脆性破碎愈占优势。在钻 孔的 % 段， 孔周围煤体处于极限应力状态， 打钻过程中钻 屑 量 异常增多， 钻屑粒度增大， 响声和微冲 击 强 度 升 高 ， 孔径扩大， 这就是所谓的钻孔效应。粒度增大和钻进容易， 是因为在高应 力作用下， 打钻几乎不需要钻头参与就自动破碎， 勿需推力， 研磨也小， 造成钻屑块度变大。这种钻孔效应现象与巷道发生 的冲击地压相似， 只是尺寸、 规模 不 同 而 已 。 只 要 出 现 这 种 钻 孔效应， 就意味着应力集中带的出 现 。 在 应 力 集 中 带 钻 孔 ， 钻 屑量异常多， 钻孔冲击更强烈， 钻孔周围破碎带不断扩大。
以此值作为煤体压力 + 。 ! 煤的其它参数取值如下： 煤 ()*+,， 的 弹 性 模 量 -： 容重 ! ： 泊松比 " ： .)))*+,； $"!/0’12!； )"!) ； 内磨擦角 # ： 煤的单向抗压强度取 %)*+,； 钻孔成孔后半 !%! ； 径 ,： ； ； 经计算 。 %322 4&$"$ 5&!"%( 由于采 用 煤 体 压 力 为 ()*+,， 可 视 为 钻 孔 处 于 临 界 失 稳 状态， 所 以 可 采 用 式（ % ）确 定 钻 孔 周 围 的 非 弹 性 区 的 半 径 6 。 将 以 上 数 据 代 入 公 式（ $ ）， 可 计 算 出 在 临 界 压 力 ()*+, 的 条 件下， 在煤体中可钻取的临界钻粉量为 !7%.80， 换算为 ."$/9。 所以根据理论计算确定的临界钻粉量取为 .9。 !"$"% 统计现场测试的钻屑量数据 对现场实测的钻屑量进 行 分 析 ， 对 于 受 采 动 影 响 不 大 的 地点，绝大多数测点 $2 及 %2 的钻屑量数据为 %"(9 左右， 见 煤粉检测数据表。所以按现场 实 测 结 果 可 确 定 标 准 钻 屑 量 为