孔型缺陷防治冲击地压力学机制

3.2　孔型缺陷防治冲击地压力学机制

孔型缺陷主要指钻孔，钻孔直径不大，在现场容易施工，可归类为线缺陷。孔型缺陷包括原始孔隙(洞)和人为制造的钻孔，原始孔洞具有不规则性和无序性，人为制造孔洞是工程施工中遗留下来的，有时候为消除动力现象专门施工这种孔型缺陷。

(1)孔型缺陷形成的应力分布

由于孔洞切断了介质的连续性，在采矿活动等外力扰动下，在孔洞周围形成应力集中现象。

假设在煤层中存在一个钻孔，介质材料为各向同性，相当于在无限域中开挖一直径2a圆孔，在上下两边受均布压力，集中度为q(图3-2)，则其应力按弹性力学的解答为：

图3-2　钻孔力学模型

从图3-2中孔周围应力分布可知，钻孔两侧边缘处应力最高，当应力达到介质材料的破坏强度时，在两侧边缘处首先发生破坏，随着应力的增加，破坏向深部扩展。

(2)孔型缺陷应力分布数值模拟分析

上述解答为均匀、各向同性、连续介质弹性材料假设条件下求解的，但煤岩介质属于含有缺陷的工程地质体，非连续介质。需要采用数值模拟计算获取数字解，图3-3是模拟煤层厚度2.0m、强度20.0MPa、均质度为2.0的主应力图，图3-4是声发射分布图，图3-5是沿孔心的垂直应力分布图。

从图3-3、图3-4及图3-5可知，钻孔周围出现应力集中现象，声发射主要分布在钻孔两侧，应力分布是峰值在孔边缘处的下降曲线，由于孔周围介质非完全同性，孔的两侧应力分布并非完全对称。

图3-3　钻孔主应力图

图3-4　钻孔声发射分布

图3-5　钻孔周围垂直应力分布

对于均质度变化较大、煤岩强度离散性大的煤岩层，缺陷形成的应力分布呈现明显差异，图3-6是模拟煤层厚度2.0m、强度20.0MPa、孔左侧煤层的均质度为1.1、孔右侧煤层的均质度为2.0的主应力图，图3-7是声发射分布图，图3-8是沿孔心的垂直应力分布图。

从图3-6、图3-7及图3-8可知，钻孔周围出现应力集中现象，应力分布出现明显的差异，孔右侧为峰值在孔边缘处的下降曲线，孔左侧没有明显的应力集中现象。声发射集中在钻孔左侧，钻孔右侧几乎没有声发射现象，说明大直径钻孔对煤层中的变形能量起到隔离作用，由于孔周围介质的差异性，孔的两侧应力分布出现突变。

图3-6　钻孔主应力图

图3-7　钻孔声发射分布

图3-8　钻孔周围垂直应力分布

(3)孔型缺陷在断层区域防治冲击地压的应用

实践表明，当工作面接近断层时，冲击地压危险性将大幅度增加，需要采取预先卸压措施，使断层周围的能量提前得到释放。

将断层视为天然缺陷，为使断层区域高能量得到充分释放，需要在断层区域人为制造缺陷，即施工孔型缺陷。当工作面接近断层，相当于对煤壁到断层线之间的煤柱施加压力，断层与人为制造缺陷体在附加外力作用下释放能量。

图3-9模拟工作面接近断层20m时的模型图，图3-10是断层与人为孔型缺陷体的主应力图，图3-11是断层与人为缺陷耦合作用的声发射图。从主应力图可知，断层周围出现应力集中现象，但随着煤岩体的破坏，应力会逐渐向深部转移；声发射图出现断层与人为缺陷体的贯通释放能量现象，说明断层和人为缺陷体产生应力、能量的耦合作用，使得断层与煤壁之间的煤柱的能量产生协调、均衡释放，冲击地压显现大为缓和。

图3-10　断层与人为缺陷耦合作用的主应力图

图3-11　断层与人为缺陷耦合作用的声发射图