鉆孔的有效影響半徑與布孔

1、鉆孔的有效影響半徑與布孔使用超前排放（卸壓）鉆孔一般孔徑不大于0.3m,所以其卸壓影響半徑一般都 不很大，且小于排放瓦斯有效影響半徑。在鉆孔形成的卸壓范圍內(nèi)，由于應(yīng)力降低， 煤體發(fā)生膨脹變形，透氣性也會增加，必然比較容易排除一部分煤體中的瓦斯。但 在沒有卸壓的煤體中雖然煤體透氣性較小，但同樣也能排除一部分煤體的瓦斯，所 以鉆孔瓦斯有效排放半徑一般要大于卸壓有效影響半徑。鉆孔應(yīng)力卸壓有效影響半徑到目前還沒有可供現(xiàn)場實際應(yīng)用的測定方法，僅從 2001年淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司和煤炭科學(xué)研究院重慶分院共同提出的“淮 南礦區(qū)突出煤層消除突出危險綜合治理技術(shù)研究報告”中，對卸壓鉆孔的卸壓范圍進(jìn) 行了

2、理論探討與計算，得出淮南C13煤層其塑性破壞區(qū)（卸壓區(qū)）的直徑為鉆孔直 徑的3.26倍。報告指出在鉆孔周圍的塑性變形區(qū)內(nèi)可以消除突出，可以作為鉆孔卸 壓的有效影響半徑超前鉆孔的有效影響半徑都是指在鉆孔排放瓦斯的作用下，再規(guī)定地時間內(nèi)， 能夠消除鉆孔周圍煤與瓦斯突出的范圍。鉆孔的排放有效影響半徑可用打排放鉆孔 前、后測量出的煤層中的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出初速度（q）及K1等指標(biāo)的變化 趨勢，或借助于突出時的臨界指標(biāo)值進(jìn)行判斷得出。突出礦井一般都要進(jìn)行各種直 徑鉆孔的排放有效影響半徑測定，得出符合本礦的適用數(shù)據(jù)。而影響半徑則指在排 放鉆孔周圍能夠受到的影響的范圍，其數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔排放有效影響半

3、徑。 煤巷掘進(jìn)防治突出措施-超前排放鉆孔 一、概述目前使用的超前排放鉆孔孔直徑多為中42 120mm,超過*120mm的因打鉆時 容易誘發(fā)突出，而較少使用，只用在特殊的擴(kuò)孔方法例如水力沖孔、水力擴(kuò)孔時才使 用.從理論與實踐過程中，人們認(rèn)識到大直徑的鉆孔其排放瓦斯與卸壓范圍都要比小 孔徑鉆孔好得多，但問題是突出的機(jī)率也要高得多，從目前所掌握的資料，*42（包括 *42）以上的各種鉆孔都發(fā)生過突出,因此在沒有任何安全措施的保護(hù)下，進(jìn)行打鉆是 有危險的.另外還要提醒一下，措施執(zhí)行完以后，必須進(jìn)行措施效果檢驗，只有措施檢 驗有效后方能用安全措施施工.超前排放鉆孔是突出礦井使用最多的防治突出措施，它不僅

4、應(yīng)用于各類煤巷、也 用于石門揭穿煤層和采煤工作面.其良好的防治突出效果為人們所公認(rèn)。但在大直徑 超前鉆孔周圍布置鉆孔或擴(kuò)孔時也會出現(xiàn)突出現(xiàn)象，這使人們感到十分困解，因而 對超前排放鉆孔的防治突出的效果提出質(zhì)疑，是不是超前排放鉆孔在有些突出煤層 并不適用。要想弄清楚此問題，首先要知道鉆孔影響半徑與有效影響半徑的的關(guān)系。 超前鉆孔防治煤與瓦斯突出一般認(rèn)為有兩種作用；一是鉆孔在煤層中成孔后，靠近 孔壁周圍的煤體，在地應(yīng)力的作用下會發(fā)生彈性恢復(fù)變形（膨脹變形），使靠近孔壁 周圍煤體中形成一定范圍的卸壓區(qū)，這就是人們通稱的鉆孔卸壓作用。該區(qū)的范圍 較小，一旦孔壁附近應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到平衡穩(wěn)定后，該卸壓范圍就不

5、會再繼續(xù)擴(kuò)大，因 此可以認(rèn)為，應(yīng)力形成的超前鉆孔影響半徑（卸壓區(qū)范圍）與時間并沒有明顯的關(guān) 系。二是由排放瓦斯作用所形成影響半徑和有效影響半徑。鉆孔的排放有效影響半 徑和影響半徑.一般認(rèn)為都隨鉆孔孔徑的增大、隨排放時間的加長而增大，看起來似 乎合乎規(guī)律。但從理論與實踐都證明上述觀點需要加以修正，即它們之間并不是直 線關(guān)系，而是二次曲線關(guān)系。換句話說，在某一區(qū)段內(nèi)，鉆孔影響半徑（鉆孔有效影 響半徑）是隨鉆孔直徑加大或排放時間的增長呈直線關(guān)系，超出此區(qū)段則呈非直線關(guān) 系，隨鉆孔直徑增加或排放時間加長呈二次曲線關(guān)系，有效影響半徑與影響半徑趨 向于穩(wěn)定且出現(xiàn)的極大值。例如：紅衛(wèi)煤礦對煤道周邊的瓦斯壓力

6、分布進(jìn)行考查（巷道可以視為一大直徑排 放鉆孔）.其測定結(jié)果如圖所示.紅衛(wèi)煤礦巷道周圍煤層瓦斯壓力分布圖靠近煤壁的煤層中的瓦斯壓力與排放時間有關(guān)，暴露的時間越短，近煤壁的瓦斯壓力 就越高，隨著排放（或暴露）的時間加長,其排放影響半徑也逐漸加大，但不成直線關(guān)系, 到一定時間就會處于平衡狀態(tài).例如圖4-12-2-2中,排放了 50個月后距煤壁4m處的 瓦斯壓力為0.4Mpa,而距煤壁的距離2m僅排放了 4天煤層瓦斯壓力同樣也為0.4 Mpa。也就是說經(jīng)過將近四年左右的排放，排放半徑僅擴(kuò)大了 2m。隨著排放時間的 延長，排放影響半徑的擴(kuò)展速度發(fā)展是非常緩慢的。鉆孔的排放半徑與煤層的透氣 性有關(guān)。突出煤

7、層的透氣性系數(shù)一般都很低，排放瓦困難，容易形成高的瓦斯壓力梯 度，引起煤與瓦斯突出。這種觀點，經(jīng)現(xiàn)場實踐也證明了這點.紅衛(wèi)煤礦煤層的透氣性 系數(shù)約為0.004735m2/Mpa2*d.是個煤與瓦斯突出嚴(yán)重的礦井。但撫順龍鳳礦煤層的 透氣性系數(shù)極好,透氣性系數(shù)為140151m2/Mpa2*d,要比紅衛(wèi)礦的透氣性幾乎大3 萬倍，其鉆孔排放影響范圍也要比紅衛(wèi)大的多，突出也鮮有發(fā)生。但煤層的透氣性與 影響半徑的關(guān)系也不是呈正比關(guān)系.龍鳳礦煤層瓦斯壓力隨排放時間變化見圖 龍鳳礦煤層瓦斯壓力隨排放時間變化圖從圖中我們不難看出鉆孔的排放影響范圍也是有極大值的，龍鳳礦最大排放影 響半徑為230m,要比紅衛(wèi)最大

8、排放影響半徑(4m)大57.5倍.從有效影響半徑來看， 紅衛(wèi)突出時的臨界壓力值為0.4Mpa,其最大排放有效影響半徑為4m,如龍鳳礦用 0.74 Mpa作為突出時的臨界壓力值，經(jīng)過8個月的抽放，其最大抽放有效影響半徑 為130m,考慮到抽放的影響，估計其排放時的最大排放有效影響半徑至少為65m。 龍鳳礦鉆孔最大瓦斯排放有效影響半徑要比紅衛(wèi)大15倍。由此看來，龍鳳礦在工 作面前方不會造成高瓦斯壓力梯度，因而煤與瓦斯突出現(xiàn)象在該礦應(yīng)該是極少或沒 有的。事實上也是如此。從上述分析,鉆孔或巷道其排放半徑或有效影響半徑的大小與煤層的透氣性有 關(guān)。一般突出煤層的透氣性小于10m2/Mpa2*d,屬于難以抽

9、放的煤層.其鉆孔的排放 有效影響范圍不是很大的。鉆孔的排放有效影響半徑一般都要經(jīng)過實測得出,但各突 出礦井實測結(jié)果相差值并不很大，在孔徑不大于0.3m時.約為鉆孔直徑的45倍， 以松藻礦務(wù)局為例，其各種直徑的排放有效影響半徑實測結(jié)果見表松藻煤電有限責(zé)任公司部分礦井鉆孔排放有效影響半徑考察結(jié)果表序號名稱煤層孔徑有效排放半徑R考察地點備 注1排放鉆孔7中 45mm0.2m以內(nèi)打通二礦1T1T092排放鉆孔7H中120mm0.7m打通二礦1T1T09君敝時間llh3排放鉆孔8h中 86mm0. 5m打通二礦S18064排放鉆 孔8中120mm0. 6m石壕礦君僦時間Uh5排放鉆 孔VI4 300mm

10、0.941 . 0紅衛(wèi)煤礦2448h說明：松藻礦煤層的透氣性為0.013m2/Mpa2*d.紅衛(wèi)煤礦測試煤層的透氣性系數(shù) 為.004735m2/Mpa2*d.應(yīng)該說松藻大于紅衛(wèi)，但差值不算太大，從上表看出，隨著鉆 孔直徑的增加，而鉆孔排放有效影響半徑并不呈直線比例增加.因而盲目的加大鉆孔 直徑以增強防止突出地效果將將事與愿違，不但不能增強防治突出效果，且增加了打 鉆時的不安全因素.我門將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，可以發(fā)現(xiàn)鉆孔直徑與有效影響半 徑不呈直線比例得關(guān)系。假設(shè)排放有效影響范圍從鉆孔壁算起,并且排放影響范圍有 一個極限值時，可將表制成圖并得出經(jīng)驗公式如下： 松藻礦務(wù)局鉆孔排放有效影響半徑與鉆

11、孔直徑關(guān)系0102030鉆孔直徑的倒數(shù)1丹 門為j77=.aA/F 2.Lr1-鉆孔直徑與有效影響半徑關(guān)系 2-鉆孔直徑倒數(shù)與有效影響半徑倒 數(shù)關(guān)系 a=2.9,b=l. 66 R=abr/ (1 + brK=4. 76/1 + 1.66r)采用的經(jīng)驗公式類型為 _ abr_R 1 + bra=2.9,b=1.66式中:r-鉆孔直徑,m;R -有效影響半徑（從鉆孔壁算起），m;a,b為常數(shù)，鉆孔排放有效影響半徑各礦的實測值相差很大，追究其原因，除煤層的透氣性因素 影響外，測定與操作方法不同也是主要影響因素之一。因此各礦的鉆孔排放有效影 響半徑應(yīng)以實測為主?，F(xiàn)將全國部分礦井實測數(shù)據(jù)制成圖0102

12、030鉆孔直徑的倒數(shù)/月加1 -鉆孔直徑與有裁影響手徑關(guān)系 2-鉆我直強1數(shù)與有效影響半徑倒 數(shù)關(guān)系全國部分礦井鉆孔排放有效影響圖突出事例 在生產(chǎn)實踐中有些事例也間接地表明鉆孔有效影響半徑不是隨鉆孔直徑加大而增 大，也不隨排放時間的延長而無限擴(kuò)展。下面用松藻的兩次大直徑鉆孔突出說明此 問題。事例一情況介紹1998年8月21日在松藻礦務(wù)局打通二礦N2702E回風(fēng)立眼8#煤層打直徑42mm 超前排放鉆孔時，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。突出煤炭346t，瓦斯33530m3。此處埋 深295 525m，煤層傾角510度，煤層厚度01.4m ,平均0.8m。瓦斯壓力 3.25Mpa，瓦斯含量34m3/t。該回

13、風(fēng)立眼1996年7月用天井鉆機(jī)施工，直徑1m , 長54m。根據(jù)生產(chǎn)需要，于1998年（鉆孔打完兩年后）決定將立眼直徑刷大到2m。 8月4日開始由下向上刷大。8月11日刷到距8#煤層底板1.5m處停止。由于由下 向上過8#突出煤層在吊盤內(nèi)施工各種防突鉆孔難以施工，故改為由上向下刷大。8 月20日刷到進(jìn)入8#煤層時并未發(fā)生突出，但煤炭松碎，垮落嚴(yán)重。8月21日夜班， 在立眼周邊8#煤層內(nèi)打直徑42mm，深4m預(yù)測孔8個，見圖。其中1#、7#、8# 三個孔2m后噴孔（噴出距離為0.3-1m此時距大直徑鉆孔壁2m,距鉆孔中心2.5m）, 測得K1值為0.74-0.76 , S值5.4-6.8Kg/m

14、。據(jù)此判斷本工作面為突出危險工作面。 8月21日早班在預(yù)測超標(biāo)部位布置17個直徑42mm的排放鉆孔，其中13個孔為 2m , 4個孔為4m，中班，施工人員將深2m的鉆孔加深到4m，在加深42mm鉆 孔過程中發(fā)生煤與瓦斯突出。詳見預(yù)測、排放孔竣工圖、事故現(xiàn)場示意圖、突出空 洞見圖。預(yù)測、排放孔竣工圖事故現(xiàn)場示意圖?-SJS 17T1 鑒篇理；K站牌站突出孔洞圖突出事故技術(shù)分析技術(shù)分析從預(yù)測指標(biāo)可以看出，孔深4m處（距鉆孔中心位置5m）的測得K1值為0.74-0.76,（將K1值0.74-0.76的均用灰分、水分加以校正后K1=0.9375），煤層的堅固性系數(shù)為f = 0.2,利用經(jīng)驗公式計算Ki

15、=APminB式中：Pmin -煤層突出時所需的最小瓦斯壓力，Mpa ;A、B -系數(shù)，一般經(jīng)實驗室試驗獲得，亦可按下列公式確定： A=3.352e-2.953f B=1.1736e-0.864fF-煤的最小堅固性系數(shù)將f=0.2代入A=1.857, B=0.987將K1值0.9375的均值代入上式，則P為0.5226Mpa,煤層中的瓦斯壓力超過了按 f=0.2計算出的最小突出壓力0.44 Mpa .從實測的K1指標(biāo)判斷，證實了在距鉆孔中心2.5m處，已是煤與瓦斯突出危險的地段. 即1m大直徑鉆孔的有效影響半徑經(jīng)2年的排放后不足2.5m （由鉆孔中心算起）。 另外用鉆孔直徑與有效排放半徑的經(jīng)驗

16、公式計算從公式計算得出為有效影響范圍R =1.785m.距鉆孔中心2.2325 m.大于此值時，就進(jìn)入突出危險區(qū)。從上述兩種計算 方法得出的結(jié)論是一致的，即1m的大直徑排放鉆孔，經(jīng)長時間的排放,其有效排放半 徑是不大的約1.7m左右（從鉆孔壁算起），這紅衛(wèi)礦巷道煤層瓦斯壓力分布的規(guī)律 有相似之處.即排放半徑在短時間內(nèi)是隨時間的延長而增大，時間稍長,則發(fā)展緩慢. 由以上分析，不難看出，在靠近大直徑鉆孔附近的高瓦斯地帶，在打小直徑鉆孔時由于 沒有足夠的安全屏障（不小于5m），以及打排放鉆孔未能一次到位,在加深鉆孔時，對 高瓦斯地區(qū)進(jìn)行了人為的擾動，在沒有安全屏障的保護(hù)下，而誘發(fā)出煤與瓦斯突出.事例

17、二情況介紹2004年4月14日在石壕煤礦E1625機(jī)巷溜煤立眼采用天井鉆機(jī)擴(kuò)孔至43.5 米，進(jìn)入8#煤層2.5米時，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。突出煤粉堆積長度為40米， 涌出瓦斯約1.8萬m3 ,突出煤量約170噸。機(jī)巷溜煤立眼施工前，在立眼下口的南二皮帶巷，于2004年2月27日3月22日打了 13個預(yù)排孔，控制1200mm的立眼周壁5.0米范圍，其中預(yù)測7個孔， 取樣測定8#煤層K1值最大為0.478（用孔長44m效驗，K1值最大為0.615，已處于 突出危險地帶）打孔正常。機(jī)巷溜煤立眼由上向下施工250mm導(dǎo)向孔與南二皮帶巷貫穿，孔深61米。 在施工導(dǎo)向孔過8#煤層時，無噴煤、噴瓦斯、卡鉆

18、等異常現(xiàn)象。導(dǎo)向孔打穿后，采用1200mm米刀盤由下向上刷擴(kuò)，當(dāng)擴(kuò)孔至43.5米時已進(jìn)8# 煤層2.5米時，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。技術(shù)分析該區(qū)域位于羊叉灘背斜軸附近，地應(yīng)力集中，煤層透氣性系數(shù)低。且穿層預(yù)排鉆孔 控制立眼周邊外只有5米，預(yù)排時間只有1.5個月，預(yù)排時間短并未采取預(yù)抽措施, 因而排放效果差，突出后的情況見圖用公式計算出當(dāng)鉆孔直徑為0.25m時,其影響 范圍為R=0.84m，當(dāng)使用大鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔時，一次擴(kuò)大到1。2m，在沒有比較充分 的排放情況下，鉆孔直接進(jìn)入高瓦斯地區(qū)，（鉆頭半徑為0.6m , 0.25m的排放鉆孔 的有效影響范圍的計算值為0.84按鉆孔中心計算為0.965 m，

19、與鉆孔切削半徑緊相 差0.36m，在沒有安全屏障的條件下，1.2m鉆頭打鉆時所產(chǎn)生劇烈震動，會造成 的垮孔，勢必會誘發(fā)突出的產(chǎn)生.石壕煤礦E1625機(jī)巷溜煤立眼突出情況圖鉆孔影響半徑的規(guī)律鉆孔影響半徑不會因排放時間的延長而無限制的擴(kuò)大影響范圍.一般有個極限值, 并與煤層的透氣性有關(guān),容易抽放的煤層可達(dá)220m，可透氣性較小的突出煤層，則非 常小，排放了解50個月的煤壁巷道排放有效影響范圍僅有4 m,（紅衛(wèi)煤礦在這種情 況下,4 m處的瓦斯壓力已具備突出危險）.2。鉆孔孔徑的加大，其影響范圍也不是無限制的擴(kuò)大,1 m以上的大直徑鉆孔最大影 響范圍距孔壁34m .因此大直徑鉆孔擴(kuò)孔，在煤層段擴(kuò)孔時

20、,要分階段將鉆孔擴(kuò)大 到所需要的直徑.或在大直徑鉆孔影響范圍外的5m的范圍內(nèi)，按使用排放鉆孔的有 效影響半徑，布置抽放鉆孔，形成安全屏障后再打大直徑鉆孔，以防打大直徑鉆孔 時誘發(fā)的突出事故。3。瓦斯有效影響半徑大于應(yīng)力有效影響半徑。超前鉆孔有效影響半徑（范圍）的測定方法超前大直徑排放鉆孔的有效影響半徑的測定，通常采用下述方法：（一）瓦斯壓力判定法本法以煤層瓦斯壓力的下降趨勢來判斷超前大直徑鉆孔的有效影響半徑，其測定步 驟如下：1 .在工作面打直徑42毫米、深810m米的測定煤層瓦斯壓力的鉆孔不少于 2個，鉆孔開口于硬煤中，而終孔于軟分層中?？椎琢?.3-0.5m作為測壓室，用 直徑為6mm、壁

21、厚為1mm的紫銅管與測壓室聯(lián)接.除測壓室外，其余全部用特制的 黃泥（含水分較少的炮泥）充堵夯實，并用壓力表測定煤層中的瓦斯壓力。2.待煤層鉆孔中的瓦斯壓力基本趨于穩(wěn)定后，在測壓孔周圍平行或不平行于 測壓鉆孔，打大直徑排放鉆孔。應(yīng)該著指出的是當(dāng)打完測壓孔進(jìn)行測壓時，必須詳 盡制定大直徑鉆孔測定其有效影響半徑的鉆孔布置方案。在打大直徑鉆孔時，必須 詳細(xì)記載大直徑鉆孔的位置、方位，鉆孔深度與相應(yīng)的測壓孔中瓦斯壓力的變化。 這些都作為判斷有效排放半徑的依據(jù)。3 .在規(guī)定時間內(nèi)（通常為24h），煤層中的瓦斯壓力須下降到0.74Mpa以下， 如達(dá)不到上述指標(biāo)，必須縮小有效排放半徑，或增加排放時間。因鉆孔瓦

22、斯壓力上升到穩(wěn)定值需要較長的時間，除此之外，測試又較繁瑣，技術(shù)要 求又較高因此突出礦井多不進(jìn)行測試 當(dāng)孔徑為75 120mm時多采用0.5 - 0.75m 作為設(shè)計超前排放鉆孔的有效影響半徑。（二）用工作面預(yù)測方法來測定大直徑超前鉆孔的有效影響半徑隨著工作面預(yù)測手段的不斷完善，各國也都先后采用工作面預(yù)測手段來檢查防突措 施的有效性或考察各種防突措施的有效影響范圍。其使用指標(biāo)有鉆孔瓦斯涌出初速 度、鉆粉解析特征（K1 ）和鉆屑量等，其測定步驟如下：1、 在煤巷工作面，沿軟分層打長度為8 10m、孔徑為42mm的鉆孔，分段測定 其鉆屑量、鉆孔涌出初速度或K1值及指標(biāo)的最大值；2、打完考察孔后，在特

23、定的時間內(nèi)（通常為24h），在距考察鉆孔周邊為0.4、0.7、 1.1、1.4m處，先遠(yuǎn)后近打4個直徑為42mm的鉆孔，同樣利用預(yù)測預(yù)報方法求出 其最大鉆粉量和最大鉆孔瓦斯涌出初速度或K1值。1、使用鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)，當(dāng)測定的鉆孔瓦斯涌出初速度增大時，表明此 距離已受影響，但仍有危險，必須增加排放時間或縮小影響半徑，其他指標(biāo)只有指 標(biāo)下降到符合規(guī)程要求時,此考察孔距大直徑鉆孔的最小距離，就是超前大直徑 鉆孔的有效影響半徑。超前大直徑排放鉆孔的有效影響范圍，通常上小下大， 呈卵形、且沿傾斜向上延伸，用這種方法測出的超前大直徑鉆孔（孔徑250mm ） 不同方向的有效影響范圍見圖所示鉆孔有效影

24、響半徑形狀圖超前鉆孔的鉆孔布置超前鉆孔是否效果明顯，取決于鉆孔布置，鉆孔孔數(shù)又取決于鉆孔有效影響半徑. 鉆孔的有效影響半徑是隨著排放時間增長而呈二次曲線而變化.所謂鉆孔有效影響 半徑是指在規(guī)定的時間內(nèi)，能使煤層中的突出三大因素下降到安全范圍內(nèi)當(dāng)鉆孔直徑為60 75mm時，有效影響半徑,多采用0.50.75m（排放時間為10個小 時）,鉆孔直徑越小，其有效影響半徑越小，例如:當(dāng)直徑為42mm時，有效影響半徑僅為 0.2m.通常鉆孔有效影響半徑為鉆孔直徑的45倍（鉆孔直徑小于0.3m）通常超前鉆孔直徑多采用60 120mm，最佳的鉆孔施工長度（水平投影）為1 0m,其鉆孔布置見圖。超前鉆孔布孔示意圖之一超前鉆孔布孔示意圖之二當(dāng)突出嚴(yán)重也可采用長短鉆孔