一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方法

摘要

本发明公开了一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方法，涉及矿山及隧道开挖过程中围岩控制领域。其通过将单一大直径钻孔转换成三个小直径钻孔，各小直径钻孔面积相同且面积之和与大直径钻孔面积值一致，且有效卸压范围得到显著提高。通过分析钻孔不同排列方式下试样的强度与应变能转化规律，对比分析小直径钻孔不同组合方式与单一大直径钻孔的卸压区的范围及卸压效果，确定等效钻孔面积下小直径钻孔最优组合方式；采用数值模拟方法研究钻孔三角布置方式下其钻孔直径与钻孔间距的比例对卸压效果影响程度，获得钻孔三角布置方式下钻孔直径与钻孔间距的最佳比例。本发明能够明显改善卸压效果，显著降低塌孔、卡孔危险性。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山及隧道开挖过程中围岩控制领域，具体涉及一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方法。

背景技术

目前，随着煤矿开采强度和开采深度的增加，加之煤田地质条件的复杂性，我国煤矿受冲击地压等动力灾害的威胁日益加剧，严重威胁煤矿安全生产和人员生命财产安全。现有理论及现场研究发现，降低围岩应力是维护深部巷道稳定的根本。现有冲击地压的防治技术主要包括以下三种：一是采用优化开拓布置、无煤柱开采等手段进行整体性预防冲击地压的发生；二是采用增大支护强度或改善支护方式等方法进行针对性地提高支护体的抗冲击能力；三是进行局部性解危，其目的是通过改变煤(岩)体物理力学性质减小煤体积聚变形能的能力从而降低煤体冲击危险性，主要方法包括钻孔卸压、深孔爆破等。

大直径钻孔卸压作为一种典型围岩高应力解危技术，具有其独特的优越性得到广泛运用。钻孔卸压法是指在煤层中布置深钻孔从而降低围岩所处应力环境或改变围岩应力分布，使支承压力峰值向围岩深部转移，降低煤体的应力集中程度、缓解冲击地压强度条件和能量条件。钻孔卸压作为一种典型的巷道围岩应力转移技术，工艺简单、施工方便、工程量小，并可为围岩膨胀变形提供有效补偿空间，一直被广泛应用于矿井冲击地压防治中。特别是对于一些极难维护的深部高应力巷道，钻孔卸压仍可取得较好的卸压控制效果。

现有研究大都通过室内试验、数值模拟和工程应用等三个方面进行分析，刘金海[强排煤粉防治冲击地压的机制与应用[J].岩石力学与工程学报，2014，(04)：747-754.]研究了强排煤粉防治冲击地压机制，表明随着钻孔数量和钻孔直径的增加其卸压效果越明显；张兆民[大直径钻孔卸压机理及其合理参数研究[D].山东科技大学,2011.]进行了不同采深条件下钻孔直径大小对缓解煤体应力积聚的规律研究，认为随着钻孔直径的增大，巷道卸压效果越好；李金奎[钻孔卸压防治巷道冲击地压的数值模拟[J].西安科技大学学报，2009，29(4)：424-432]基于ADINA软件模拟钻孔深度巷道垂直应力分布特征，认为钻孔深度越深，卸压效果越明显；贾传洋[大直径钻孔卸压机理室内及数值试验研究[J].岩土工程学报，2017，39(06)：1115-1122]基于室内及数值试验研究了不同钻孔参数条件下试样裂纹扩展形态及裂纹数量，认为裂纹扩展贯通导致的应力释放是钻孔产生卸压作用的根本原因；刘红岗[深井煤巷钻孔卸压技术的数值模拟与工业试验[J].煤炭学报，2007，32(l)：34–37.]、兰永伟[卸压钻孔数值模拟研究[J].辽宁工程技术大学学报，2005，24(增刊)：275–277.]进一步分析了钻孔深度、间距等因素对卸压效果的影响，发现合理布置的卸压孔可以有效的使围岩高应力向深部转移。在实际工程应用中，陈峰[利用钻屑法对卸压钻孔措施效果的分析评价[J].岩土工程学报，2013，(S2)：266-270.]采用钻屑法验证了卸压钻孔一定程度上降低了冲击地压危险性；宋希贤[动力扰动下深部巷道卸压孔与锚杆联合支护的数值模拟[J].中南大学学报(自然科学版)，201445(9)：3158-3165.]在分析钻孔卸压作用机理的基础上探讨卸压孔与锚杆联合支护技术；王猛[深部巷道钻孔卸压机理及关键参数确定方法与应用[J].煤炭学报，2017，42(05):1138-1145.]利用对FLAC3D软件二次开发，分析了深部巷道钻孔卸压机理，提出以应力转移效果及围岩变形控制效果作为卸压效果的直接评价指标。

此外，还对相关专利进行了检索，其主要研究成果及存在的利弊如下：

申请号：201610972903.5公开了一种基于钻孔卸压的深部高应力巷道卸压支护协调控制方法，其以时间为序分为一次让压支护、钻孔卸压和二次高强锚注支护三个步骤。针对巷道掘出后所处不同时期围岩变形方式的不同，采用不同支护和加固方式控制个阶段围岩变形，充分发挥围岩及支护结构自身的支护性能，减小深部高应力巷道围岩的大变形，实现巷道长期稳定。

该现有技术提供了一种基于钻孔卸压技术的让压及高强支护与钻孔卸压协调配合的巷道动力灾害防治的协调控制技术，减少高应力复杂地质条件下巷道变形量，减轻了动力灾害的可能性。但该专利重点在于锚杆支护及钻孔卸压协调控制技术的研究，仅仅提供了一种能够减轻巷道动力灾害危险性的方法，并不适用于工作面等环境，对于钻孔卸压具体情况没有进一步详细表述，且二次高强支护集注浆加固及锚杆索加强支护多个阶段，操作较为复杂。

申请号：201310465569.0公开了一种组合式石门揭煤方法，其公开的方法为：当石门掘进至与煤层垂距10m时，在石门迎头施工钻场，由钻场内向煤层施工钻孔，钻孔按割缝钻孔和普通钻孔间隔排列，割缝钻孔和普通钻孔的组合布置实现了煤体的均匀卸压增透。钻孔施工完成后连管抽采，降低煤层中的瓦斯含量和瓦斯潜能。瓦斯抽采达标后，将割缝钻孔作为注浆钻孔，向煤体内注入水泥砂浆强化煤体，实现割缝卸压与加固强化的组合。本发明在确保安全揭煤的条件下，能减少30％～40％的消突工程量，显著缩短瓦斯抽采时间和揭煤周期，安全揭煤速度提高40％～50％

该现有技术通过割缝钻孔与普通钻孔的组合布置，增大了钻孔有效影响范围，实现了煤层均匀卸压增透，显著缩短了瓦斯预抽时间。通过向割缝钻孔内注入水泥砂浆强化煤体，实现了割缝卸压与加固强化的组合，从降低地应力和瓦斯压力、提高煤体强度三方面综合考虑，全面消除了石门揭煤突出危险性。但该专利重点在于割缝钻孔与普通钻孔的间隔布置，增加煤层卸压增透情况随后进行切缝钻孔注浆，实现了割缝卸压与加固强化的组合，虽在一定程度上降低危险性，但未考虑钻孔量过多对巷道围岩稳定性及施工进度等造成的影响，以及现有高地应力环境钻孔极易出现卡钻、塌孔等问题，工艺流程复杂，施工进度慢，存在部分弊端。

申请号：CN201610919336.7公开了一种卸压钻孔间排距的设计方法，该方法分为三个步骤设计卸压钻孔间排距前首先需要评估卸压地点的应力环境，计算工作面(巷道)围岩支承压力峰值σ_P及其位置L_P；选取L_P处围岩作为分析对象，采用修正后的围岩弹塑性解析解计算钻孔塑性区半径r_P，以r_P作为评价钻孔单孔作用范围的指标，确定钻孔最大间排距为R≤2r_P；同时，采用弹塑性解析解计算钻孔切向应力σ_θ的演化曲线，取邻近钻孔切向应力曲线相交点的应力为σ_m，以试验地点原岩应力σ₀为评价指标，确定钻孔最小间排距R的条件为σ_m≥σ₀。该方法操作简单，实用性强，可有效提高卸压钻孔间排距设计的准确性，降低钻孔工程量，可应用于高应力巷道卸压、冲击地压防治与高瓦斯煤层增透等领域。

该现有技术提供了有效间排距的确定方法，提高了卸压钻孔间排距准确性，降低工作量，但仍未考虑大孔径卸压钻孔施工过程中对围岩造成的扰动，以及现有高地应力环境钻孔极易出现卡钻、塌孔等问题，仍会对安全施工造成影响。

上述力学实验、数值模拟和工程实践表明，钻孔卸压效果与钻孔直径、钻孔数量、钻孔深度等密切相关，增大钻孔直径、数量和深度，能够改善卸压效果。然而工程实践中，随着围岩应力的增大，大直径卸压钻孔钻进过程中容易塌孔、卡钻，钻进时难度逐年增加，使得施工速度显著下降，卸压效果不理想；同时，盲目增加卸压钻孔直径或数量不但增加工人的劳动量，降低巷道施工进度，又会对巷道围岩强度及一次支护结构产生较大扰动，容易诱发冲击地压或引发巷道大变形导致巷道超前支护失效，增加危险性，不适合高地应力地区的煤矿安全高效生产的需要，影响了该技术的推广应用。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方法，其能够明显改善卸压效果，显著降低塌孔、卡孔危险性，同时避免了对巷道围岩强度及一次支护结构产生较大扰动，简化了施工工艺。

为实现上述目的，所需克服的技术问题有：

现有技术中的大直径卸压钻孔在钻进过程中容易塌孔、卡钻，钻进时难度逐年增加，使得施工速度显著下降，卸压效果不理想；同时，盲目增加卸压钻孔直径或数量也不可行，盲目增加直接导致的后果为不但增加了工人的劳动量，降低了巷道施工进度，而且又会对巷道围岩强度及一次支护结构产生较大扰动，容易诱发冲击地压或引发巷道大变形导致巷道超前支护失效，增加危险性，不适合煤矿安全高效生产的需要。因此，如何确定一种合理的布置方法是本发明研究的重中之重。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方法，依次包括以下步骤：

a.选择某一冲击地压矿井进行取样，将取回的煤块加工成标准的圆柱形煤样，采用刚性力学试验机对煤样进行单轴、三轴、拉伸和剪切力学试验，获得煤样的基本力学参数；

b.配比获得与原煤试样力学性能相近的类煤岩材料，并将其制成长方形的试件，待试件烘干后进行力学试验；

c.制作单一大直径钻孔和等效钻孔面积下小直径组合钻孔，小直径组合钻孔的组合方式为横向排列、竖向排列或三角排列，对不同组合的小直径组合钻孔进行单轴加载试验，获得其应力-应变曲线，计算不同钻孔试件的强度折减指数和能量耗散指数，研究不同钻孔试件的强度及能量演化规律，对比分析单一大直径钻孔和小直径组合钻孔试件的破坏形式和卸压效果，从而确定小直径钻孔最优组合方式；

d.针对力学试验获得的小直径组合钻孔试件的三角布置的最优方式组合，基于数值模拟软件，分析确定最佳等效钻孔面积及该面积下小直径钻孔三角布置时巷道施工时合理间排距，在D/B＝2.0时，钻孔应力及影响分布范围达到最大值，得到最佳卸压方案并应用与现场；

e.选择合适位置布置测站进行现场实时监测，监测超前支承压力范围内顶底板离层、围压移近量、应力监测及钻孔变形监测以及煤体的宏观变形等情况，根据现场监测数据及时反馈，根据数据分析结果，适时调整最佳等效钻孔面积、钻孔直径D、间距B及不同组合间距以达到最优的卸压效果。

上述技术方案直接带来的有益技术效果为：

将单一大直径钻孔转换成几个小直径钻孔，保持小直径钻孔面积之和与大直径钻孔面积值一致，通过试验分析钻孔不同排列方式下试样的强度与应变能转化规律，并基于数值模拟方案结果得出小直径钻孔三角布置时能够得到最佳卸压效果。通过发明人进行大量实验室室内实验、数值模拟及现场应用结果表明，将大尺寸钻孔转化为不同形式的等效面积小钻孔组合形式，特别是对于三角形布置方式，能够明显改善卸压效果，显著降低塌孔、卡孔危险性，同时避免了对巷道围岩强度及一次支护结构产生较大扰动，简化了施工工艺，增加施工速度，具有显著的经济和社会效益。

所采用的钻孔卸压评价指标，提出了强度折减指数概念和新型能量耗散指数，强度折减指数用以定量评价钻孔卸压降低煤(岩)体极限破坏强度，其定义为完整试样峰值强度与钻孔试样峰值强度的比值，其计算公式为：

K_σ＝(σ₁-σ₂)/σ₁

式中：σ₁为完整试样峰值强度；σ₂为钻孔试样峰值强度。

能量耗散指数用以定量评价钻孔卸压降低煤(岩)体能量累积程度，其定义为完整试样峰前应变能与钻孔试样峰前应变能的差值跟完整试样峰前应变能的比值，其计算公式为：

K_E＝(U₁-U₂)/U₁

式中：U₁为完整试样峰前应变能；U₂为钻孔试样峰前应变能。

强度折减指数指在完整试样峰值强度σ₁一定的前提下，钻孔试样峰值强度越小，其强度折减指数越大，卸压效果越好。

能量耗散指数是指在完整试样峰前应变能U₁一定的前提下，钻孔试样加载过程中耗散的能量越多，其能量耗散指数越大，卸压效果越好。

作为本发明的一个优选方案，圆柱形煤样的尺寸为Φ50mm×100mm。

作为本发明的另一个优选方案，步骤b试件的长宽比为2:1。

进一步的，小直径组合钻孔试件的组合方式为三角排列。

进一步的，步骤c中，小直径组合钻孔的面积之和与大直径钻孔面积相等，如式(1)，即：

πR²＝nπr²>

式中：R为大孔径卸压钻孔半径，n为小孔径钻孔数量，r为小孔径钻孔半径。

本发明所带来的有益技术效果为：

与现有技术相比，本发明可用于矿山及隧道开挖过程中围岩控制施工，涉及一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方式及施工方法。本发明将大尺寸钻孔转化为不同形式的等效面积小钻孔组合形式，特别是对于三角形布置方式，能够明显改善卸压效果，显著降低塌孔、卡孔危险性，同时避免了对巷道围岩强度及一次支护结构产生较大扰动，简化了施工工艺，增加施工速度，减少巷道内设备数目，减轻工人工作强度，改善现有大孔径钻孔卸压的不足，降低安全隐患。在现场应用中能大幅度提高钻孔卸压效果，在本技术领域内具有广泛的实用性，具有显著的经济和社会效益。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是本发明一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置流程图；

图2中(2a)、(2b)、(2c)是本发明中钻孔卸压支承压力整体结构原理示意图；

图3是完整试样与钻孔试样应力-应变曲线图；

图4是单轴压缩状态下钻孔应力分布图；

图5是等直径相邻两钻孔切向应力分图；

图6中(6a)、(6b)是本发明中试验时不同形式强度示意图；

图7中(7a)、(7b)是试验参数与钻孔组合方式图；

图8是本发明中三角布置形式钻孔卸压数值模拟图；

图中，1、卸压前采动应力曲线，2、卸压后采动应力曲线，3、卸压钻孔，4、煤层；5、完整试样峰值前应力-应变曲线，6、打钻试样峰值前应力-应变曲线，7、完整试样峰前应变能U₁，8、钻孔试样峰值应变能U₂，9、完整试样与钻孔试样峰前应变能的差值△U，10、大孔径布置卸压钻孔强度特征，11、横向布置卸压钻孔强度特征，12、竖向布置卸压钻孔强度特征，13、三角型布置卸压钻孔强度特征，14、D钻孔直径，15、B孔边距离，16、抗压强度，17、弹性模量，18、峰前应变能，19、三角钻孔卸压模拟影响范围。

具体实施方式

本发明提出了一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

首先对本发明钻孔泄压机理做详细说明。

钻孔卸压法是指在煤层中布置深钻孔从而降低围岩所处应力环境或改变围岩应力分布，使支承压力峰值向围岩深部转移，降低煤体的应力集中程度、缓解冲击地压强度条件和能量条件，本发明中钻孔卸压支承压力整体结构原理如图2(2a)、(2b)、(2c)所示。1是卸压前采动应力曲线，2是卸压后采动应力曲线，3是卸压钻孔，4为煤层。

一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方式及施工方法，其特征在于，本发明所解决其技术问题时所涉及到的技术原理包含钻孔卸压机理、单孔卸压机理及多孔卸压机理。

1)钻孔卸压机理

钻孔卸压改变煤(岩)体物理力学性质机理如图3所示，图中曲线5为完整试样峰值前应力-应变曲线，曲线6为打钻试样峰值前应力-应变曲线，7为完整试样峰前应变能U₁，8为钻孔试样峰值应变能U₂，9为完整试样与钻孔试样峰前应变能的差值△U，σ₁为完整试样峰值应力，σ₂为钻孔试样峰值应力，ε₁为完整试样峰值应力对应的应变值，ε₂为钻孔试样峰值应力对应的应变值。由图3可知，钻孔卸压主要作用是减小试样极限破坏强度和能量积累的能力。极限破坏强度可通过应力-应变曲线获得，峰前应变能可通过以下公式获得：

2)单孔卸压机理

室内试验单轴压缩状态下钻孔应力σ₂＝0，由此得θ＝0°、90°轴线上的径向应力与切向应力的分布图，如图4所示。

钻孔顶底部出现拉应力区，在钻孔两侧的最大主应力集中系数达到3。当θ＝90°时，拉应力最大，钻孔开挖后，钻孔顶底部出现应力集中，当周围应力超过钻孔围岩应力时，钻孔发生破坏，为围岩应力释放提供了空间，起到了卸压作用。

3)多孔卸压机理

相邻两钻孔的应力及影响范围叠加分布。由单个钻孔切向应力分布形态可知，远离钻孔中心切向应力的分布具有衰减的趋势，当超过钻孔围岩的弹性极限时，围岩进入塑性状态。一般以大于5％原岩应力位置为影响半径，当在同一应力场中的相邻钻孔，如果两钻孔之间的距离大于2倍影响半径，则钻孔之间不会形成相互叠加的影响，巷道周边的应力分布状态也将和单孔的情况基本相同。反之，钻孔围岩产生的塑性区产生叠加，此时钻孔围岩的破坏具有区域性协同作用。

图5所示为相邻两钻孔间距小于2倍影响半径时产生相互影响的关系图。图中令B＝D，则两钻孔之间周边上产生的切向应力集中系数为3.26，而在单孔时为2.5，如图中虚线所示。在钻孔间距的中点处应力集中系数为1.7，相比单孔时的1.2增长了41.7％。由此可以看出，钻孔联合作用卸压时，钻孔周围的应力集中系数大于单个钻孔，在两个钻孔中间点处，钻孔的集中应力比单个钻孔时有了明显的增长，钻孔的破裂程度更强，卸压效果优越，因此钻孔联合作用卸压效果优于单钻孔卸压。

钻孔卸压可以降低煤(岩)体极限破坏强度和能量累积的能力，但降低到什么程度是一个关键问题，因此，进一步的，一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方式及施工方法，包括本发明解决其技术问题所采用的钻孔卸压评价指标，其特征在于，提出了强度折减指数概念和新型能量耗散指数，强度折减指数用以定量评价钻孔卸压降低煤(岩)体极限破坏强度，其定义为完整试样峰值强度与钻孔试样峰值强度的比值，其计算公式为：

K_σ＝(σ₁-σ₂)/σ₁

式中：σ₁为完整试样峰值强度；σ₂为钻孔试样峰值强度。

能量耗散指数用以定量评价钻孔卸压降低煤(岩)体能量累积程度，其定义为完整试样峰前应变能与钻孔试样峰前应变能的差值跟完整试样峰前应变能的比值，其计算公式为：

K_E＝(U₁-U₂)/U₁

式中：U₁为完整试样峰前应变能；U₂为钻孔试样峰前应变能。

所述强度折减指数指在完整试样峰值强度σ₁一定的前提下，钻孔试样峰值强度越小，其强度折减指数越大，卸压效果越好。

所述能量耗散指数是指在完整试样峰前应变能U₁一定的前提下，钻孔试样加载过程中耗散的能量越多，其能量耗散指数越大，卸压效果越好。

本发明，一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方法，如图1所示，依次包括以下步骤：

a.选择某一冲击地压矿井进行取样，将取回的煤块在实验室加工成标准的圆柱形煤样(煤样尺寸Φ50mm×100mm)，采用刚性力学试验机对煤样进行单轴、三轴、拉伸和剪切力学试验，获得煤样的基本力学参数。

b.采用模型石膏、微硅粉、碳酸钙等材料，配比获得与原煤试样力学性能相近的类煤岩材料，通过实验模具制成长方形的试件，试件的长宽比为2:1，待试件烘干后进行力学试验；

c.采用电钻制作单一大直径钻孔和等效钻孔面积下小直径组合钻孔试件，小直径钻孔组合方式为钻孔横向排列、竖向排列和三角排列三种形式，对钻孔试件进行单轴加载试验，获得钻孔试件的应力-应变曲线，为了更加直观清楚的说明研究效果，我们选取20mm大孔径试件条件为例进行分析，如图6(6a)、(6b)所示，计算不同钻孔试件的强度折减指数和能量耗散指数，图6中，10为大孔径布置卸压钻孔强度特征，11横向布置卸压钻孔强度特征，12竖向布置卸压钻孔强度特征，13三角型布置卸压钻孔强度特征。所述详细试验参数与钻孔组合方式见图7中(7a)、(7b)，钻孔不同组合方式下试样的试验参数见表1，研究不同钻孔试件的强度及能量演化规律，对比分析单一大直径钻孔和小直径组合钻孔试件的破坏形式和卸压效果，从而确定小直径钻孔最优组合方式；

d.针对力学试验获得的小直径钻孔三角布置的最优方式组合，基于数值模拟软件，分析确定最佳等效钻孔面积及该面积下小直径钻孔三角布置时巷道施工时合理间排距，在D/B＝2.0时，钻孔应力及影响分布范围达到最大值，优选的三角钻孔布置模拟图见图8所示，得到最佳卸压方案并应用与现场，图8中19为三角钻孔卸压模拟影响范围。

e.选择合适位置布置测站进行现场实时监测，监测超前支承压力范围内顶底板离层、围压移近量、应力监测及钻孔变形监测以及煤体的宏观变形等情况，根据现场监测数据及时反馈，根据数据分析结果，适时调整最佳等效钻孔面积、钻孔直径D 14、间距B(B孔边距离15)及不同组合间距以达到最优的卸压效果。

图7中，有单轴抗压强度16、弹性模量17及峰前应变能18，由表1和图7可知，与完整试样相比，钻孔不同组合下试样单轴抗压强度16均减小，钻孔横向排列、竖向排列、三角排列时，抗压强度分别为14.87MPa、13.81MPa、10.70MPa，其强度折减指数分别为19.1％、24.8％、41.8％。钻孔横向排列、竖向排列、三角排列时，峰前应变能分别为0.040J·cm^-3、0.043J·cm^-3、0.021J·cm^-3，其能量耗散指数分别为36.5％、31.8％、66.7％。三种不同组合方式下，钻孔三角排列时，其峰值强度和峰前应变能降低最多，卸压效果最好。

结合图6、7中可以看出，为了更加直观清楚的说明研究效果，选取20mm大孔径试件条件为例进行分析，钻孔直径为20mm时，其卸压面积为S＝314mm²，不同组合方式下钻孔卸压面积S＝339.12mm²，两者基本接近，可认为是等效钻孔面积。相比单一钻孔直径为20mm时，等效钻孔面积下横向排列和竖向排列钻孔试样峰值强度和峰前应变能均增加，钻孔横向排列时试样峰值强度增加18％，峰前应变能增加14.3％；钻孔竖向排列时试样单轴抗压强度增加9.6％，峰前应变能增加22.9％，说明等效钻孔面积下单一钻孔卸压效果要优于横向排列和竖向排列；等效钻孔面积下三角布置排列钻孔试样峰值强度和峰前应变能均明显减小，其峰值强度减小15.1％，峰前应变能减小40.0％，说明等效钻孔面积下三角排列卸压效果明显大于单一钻孔。

进一步的，上述小直径钻孔面积之和应与大尺寸钻孔面积相等，即

πR²＝nπr²,

式中：R为大孔径卸压钻孔半径，n为小孔径钻孔数量，r为小孔径钻孔半径。

即：

进一步的，上述组合方式经试验验证、数值模拟和现场应用，最终确定选择等效钻孔面积下钻孔卸压效果三角布置方式较其他布置方案卸压效果更加显著，等效钻孔面积下三角布置钻孔方式卸压为最优方案；

上述步骤b所采用力学性质相似的类煤岩材料进行试验是因为考虑到由于煤体内部存在大量的原生裂隙，加之受采动的影响，导致原煤试样力学性质离散性较大，难以对实验结果进行有效对比，且原煤试样难以加工成标准大尺寸长方形试样等情况。

上述步骤e所需要布置矿压监测站根据实际需要合理布置，必要时辅助采用钻孔窥视仪监测钻孔收敛情况。

进一步的，通过采用数值模拟及室内试验进行合理等效面积、布置方式及钻孔D、B尺寸的选择。常见组合如大尺寸钻孔，三孔横排、三孔竖排和三角布置等，如图6所示。具体选用方法采用石膏、微硅粉、碳酸钙等材料，配比获得与原煤试样力学性能相近的类煤岩材料，制作类煤试件进行实验室试验，通过试验分析该地质条件下的钻孔不同布置方式下试样的强度特征与应变能转化规律，研究特定地质条件下强度折减指数和能量耗散指数，进而获得等效钻孔面积下钻孔卸压效果三角布置方式明显优于其他布置方式；随后基于数值模拟软件，分析确定最佳等效钻孔面积及该面积下小直径钻孔三角布置时巷道施工时合理间排距，在D/B＝2.0时，钻孔应力及影响分布范围达到最大值，得到最佳卸压方案并应用与现场；最后，基于现场监测、反馈并修正最佳等效钻孔面积、钻孔直径D、间距B及各三角组合间距以达到最优的卸压效果。本发明所带来的有益技术效果为：与现有技术相比，本发明可用于矿山及隧道开挖过程中围岩控制施工，涉及一种等效钻孔面积下小直径钻孔联合卸压布置方式及施工方法。本发明将大尺寸钻孔转化为不同形式的等效面积小钻孔组合形式，特别是对于三角形布置方式，能够明显改善卸压效果，显著降低塌孔、卡孔危险性，同时避免了对巷道围岩强度及一次支护结构产生较大扰动，简化了施工工艺，增加施工速度，减少巷道内设备数目，减轻工人工作强度，改善现有大孔径钻孔卸压的不足，降低安全隐患。在现场应用中能大幅度提高钻孔卸压效果，在本技术领域内具有广泛的实用性，具有显著的经济和社会效益。

表1钻孔不同组合方式下试样的试验参数

补充说明：本文具体实施方式及说明书附图中选择20mm孔径、试件制作尺寸选择2:1及D、B比值等条件进行分析，仅仅是综合考虑现场、实验室具体情况以及文章篇幅等具体原因，以及在该情况下出现的具体情况，为了更加清楚直观表达，进行的具体举例分析，并不起到限制作用，并不排除根据不同地质、试验及模拟情况选择不同参数的可能性。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。