基于高壓水力順層鉆割技術(shù)的沖擊地壓防治實(shí)踐

買巧利，吳學(xué)松，丁 超，陸祖軍

(華亭煤業(yè)集團(tuán)公司 華硯煤礦，甘肅 華亭 744100)

0 引 言

煤炭開采過程中的沖擊地壓顯現(xiàn)問題是世界性采礦難題，一直威脅著礦井的安全生產(chǎn)。近年來，我國在沖擊地壓顯現(xiàn)的監(jiān)測、評(píng)價(jià)及防治方面取得了巨大進(jìn)步[1-3]，很多先進(jìn)的技術(shù)被廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果，例如，微震、地音、電磁輻射、地應(yīng)力監(jiān)測等監(jiān)測技術(shù)，基于模糊數(shù)學(xué)、灰度理論、未知測度理論等的危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)[4-9]以及爆破卸壓、煤體鉆孔、煤層注水等沖擊地壓防治技術(shù)[10-11]。針對(duì)沖擊地壓治理卸壓問題，經(jīng)過多年研究和工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：對(duì)煤體與頂板進(jìn)行弱化處理、誘導(dǎo)控制沖擊能釋放路徑與方式是沖擊地壓防治的最有效方式[12-13]。在沖擊地壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)治理措施上，常采用煤層注水、煤體鉆孔卸壓、煤體爆破卸壓等手段對(duì)區(qū)段高應(yīng)力進(jìn)行疏降，取得了較好效果，但是這些方法均存在自身缺陷，如煤層注水由于煤層滲透性能和潤濕性能差而導(dǎo)致效果不明顯；煤體卸壓爆破弱化范圍有限，只能在低瓦斯區(qū)域使用，并且存在深孔裝藥、封孔等工藝難度較大、施工工程量大等制約因素。某礦250203綜放工作面受采深、褶曲構(gòu)造影響，煤巖體靜壓大，積聚大量彈性能，工作面采用煤體爆破、注水的卸壓手段，卸壓效果有限，為了提高防沖效率與效果，消除爆破、存在注水的弊端，引入高壓水力順層鉆割技術(shù)進(jìn)行沖擊地壓防治卸壓工作。

1 高壓水力順層鉆割技術(shù)卸壓原理

根據(jù)能量準(zhǔn)則，沖擊地壓是煤體—圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時(shí)所釋放的能量大于所消耗的能量時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象[14-16]，可用式(1)表示

(1)

式中：UR為圍巖中儲(chǔ)存的能量；UC為煤體中儲(chǔ)存的能量；US為礦震能量；UB為沖擊地壓發(fā)生時(shí)消耗的能量,t為時(shí)間。

煤巖體中儲(chǔ)存的能量和礦震能量U可用式(2)表示，其中，σs為煤巖體中的靜載荷，σd為礦震形成的動(dòng)載荷，而沖擊地壓發(fā)生時(shí)消耗的最小能量Ub，min可用下式表示，其中，σb，min為發(fā)生沖擊地壓時(shí)的最小載荷。

U=(σs+σd)2/2E

(2)

Ub，min=σb，min/2E

(3)

因此，沖擊地壓的發(fā)生需要滿足如下條件，即

σs+σd≥σb,min

(4)

高壓水力順層鉆割技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，例如施工工藝簡單，不需要裝藥爆破，可以進(jìn)行定向切割，從而降低煤體整體性厚度以及強(qiáng)度，釋放積聚的彈性能，具有極強(qiáng)的針對(duì)性且作用范圍廣。高壓水力順層鉆割技術(shù)是以壓力高于30 MPa高度聚能的水射流束在煤巖上產(chǎn)生沖蝕、空化來實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖體的切割破碎，從而將一定煤體排出孔外，在鉆孔周圍形成一系列具有一定深度的螺旋縫槽，人為制造一定的卸壓空間使煤體卸壓，地應(yīng)力得到較好的釋放和轉(zhuǎn)移。為提升鉆割效果，鉆孔一般沿工作面傾向順煤層層理布置。對(duì)于綜采工作面，隨著工作面推采，采煤工作面前方形成的支承壓力，峰值可達(dá)原巖應(yīng)力的2～4倍，其影響范圍可達(dá)采煤工作面前方90～100 m[17]。鉆割技術(shù)形成卸壓空間，同時(shí)浸潤弱化煤體，在應(yīng)力集中區(qū)的作用下，鉆孔周圍的煤體首先由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄螤顟B(tài)，當(dāng)達(dá)到變形極限時(shí)，內(nèi)圈煤體就會(huì)破裂，形成破裂區(qū)，破裂區(qū)煤體的強(qiáng)度將明顯削弱，低于原巖應(yīng)力，最終鉆孔由內(nèi)而外形成破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，鉆孔引起的卸壓區(qū)主要集中在破裂區(qū)范圍內(nèi)。隨著塑性區(qū)及破裂區(qū)煤體變形量的不斷地增加，鉆孔逐層垮落，最終發(fā)生塌孔。伴隨著孔的變形、破碎、塌落，煤體中的應(yīng)力降低，積聚的彈性能得到釋放。煤巖體中的靜載荷降低，消除沖擊地壓發(fā)生條件，防止沖擊地壓發(fā)生。

2 技術(shù)實(shí)踐

2.1 工作面概況

250203綜放工作面是某礦2502采區(qū)第4個(gè)回采工作面，所采區(qū)域煤層總厚度變化較大，為20.4～42.6 m，平均厚度為38.8 m，采用傾斜分層開采，該工作面開采上分層。經(jīng)鑒定具有強(qiáng)沖擊傾向性工作面煤層厚度為10～15 m，平均厚度13.8 m，直接頂為灰-灰黑色泥巖，厚度為3.2～6.5 m，基本頂為淺灰-灰白色粉砂巖，厚度為8.0～18.2 m，直接底為灰白-黑褐色含礫砂巖，厚度為1.6～11.6 m，基本底為灰白-灰黑色砂巖，厚度為1.7～9.7 m，煤層及頂?shù)装迩闆r見表1。經(jīng)沖擊傾向性鑒定，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，其頂、底板具有弱沖擊傾向性。工作面采用120架ZF12000/23/35H型反四連桿低位放頂煤中間支架和6架ZFG12000/24/35型反四連桿過渡支架支護(hù)頂板，兩巷巷道整體采用錨-網(wǎng)-索聯(lián)合支護(hù)。工作面在回采過程中多次發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。為加強(qiáng)卸壓效果，改善開采作業(yè)環(huán)境，在該工作面沖擊地壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)性較強(qiáng)的運(yùn)輸巷運(yùn)用高壓水力順層鉆割技術(shù)進(jìn)行卸壓解危工作。

表1 250203工作面煤層及頂?shù)装迩闆rTable 1 Top and bottom plate conditions of 250203 working face

2.2 施工設(shè)備

高壓水力鉆割工藝流程為：供水管→水箱→連接管→注水泵→高壓水管→鉆機(jī)及鉆割裝置→防噴裝置→鉆孔→煤體鉆割?，F(xiàn)場施工時(shí)，先利用?94 mm水力射流一體化鉆頭按設(shè)計(jì)進(jìn)行打鉆，施工至設(shè)計(jì)深度后，連接好高壓管路，開啟高壓乳化液泵，旋轉(zhuǎn)鉆桿實(shí)施水力鉆割作業(yè)，切割的煤渣由水流從鉆孔中沖出。管路，設(shè)備見表2。施工的主要設(shè)備有鉆割泵、鉆機(jī)、連接管路，施工設(shè)備見表2連接方式如圖1所示。

表2 施工設(shè)備Table 2 Construction equipment

圖1 設(shè)備連接Fig.1 Device connection

2.3 鉆割方法

鉆割方法主要有2種，如圖2所示：①定點(diǎn)切割：鉆桿軸向與徑向運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，在一定位置進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)切割周圍煤體，形成圓盤狀卸壓空間；通過鉆桿的軸向運(yùn)動(dòng)和一定間距的分段切割，可以形成多段圓盤狀卸壓空間。②反復(fù)動(dòng)態(tài)切割：鉆桿軸向與徑向運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，對(duì)一段煤體持續(xù)鉆割，形成具有一定直徑的孔洞。在鉆割過程中，先采用方法一進(jìn)行定點(diǎn)切割，再采用方法2進(jìn)行往復(fù)鉆割，形成孔洞式卸壓空間，出煤量在0.4～0.7 t/m，總出煤量控制在2.0～3.5 t，在煤層內(nèi)形成半徑為300～400 mm的孔洞。

圖2 水力割縫方法Fig.2 Hydraulic slotting method

2.4 施工設(shè)計(jì)

在運(yùn)輸巷工作面下口向外300 m每隔3 m垂直巷道內(nèi)幫沿傾向布置1鉆孔，鉆孔直徑94 mm，深度30 m，仰角5°～7°。在鉆割過程中，靠近巷幫區(qū)域設(shè)置8 m保護(hù)帶(鉆孔0～8 m不鉆割)，鉆割方式為定點(diǎn)靜態(tài)鉆割和前后反復(fù)動(dòng)態(tài)鉆割相結(jié)合，定點(diǎn)鉆割時(shí)間為15 min/m(每米均分為3段，每段5 min，共15 min)，前后反復(fù)動(dòng)態(tài)鉆割時(shí)間為10 min。高壓水力順層鉆割技術(shù)鉆孔布置平面如圖3所示。

圖3 運(yùn)輸巷卸壓布置示意Fig.3 Schematic of unloading arrangement of headentry

現(xiàn)場施工一次鉆孔寫實(shí)：早班施工30 m一個(gè)孔，中班由外向里沖孔，每米分3段定點(diǎn)切割，每點(diǎn)5 min，拉動(dòng)5 min，共20 min。從8 m開始沖孔，8～11 m孔內(nèi)出煤量少，效果不明顯；12～15 m孔內(nèi)出煤量增大，無爆聲；16～18 m孔內(nèi)出煤量大，有煤爆聲；18～20 m出煤量大，煤粒涌出，效果明顯；22～24 m孔內(nèi)出煤量大，有聲響，頂部掉渣，煤量大，效果明顯，總出煤量為2.2 t。

3 卸壓效果

3.1 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步明確高壓水力順層鉆割技術(shù)的卸壓效果，探明卸壓前后煤體應(yīng)力的變化規(guī)律，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)卸壓巷道進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體模擬參數(shù)見表3，根據(jù)表3建立的數(shù)值模擬模型如圖4所示，模型長寬高為60 m×75 m×78 m，共計(jì)141 660個(gè)單元，在巷道內(nèi)幫煤體位置設(shè)計(jì)了7個(gè)卸壓孔，具體布置位置如圖5所示。圖6為卸壓前后巷道周圍應(yīng)力分布，從圖6可以看出卸壓后巷道壁附近的應(yīng)力降低區(qū)明顯擴(kuò)大，應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著減弱。圖7為卸壓前后巷道壁內(nèi)側(cè)30 m范圍內(nèi)應(yīng)力變化趨勢，卸壓后煤體內(nèi)部應(yīng)力值明顯降低，平均降幅達(dá)68.6%。顯而易見，運(yùn)用高壓水力順層鉆割技術(shù)進(jìn)行卸壓后，沖擊地壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)性大幅降低，防治效果顯著。

表3 煤巖層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 3 Mechanical property parameters of coal strata

圖4 數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model

圖5 鉆孔位置布置Fig.5 Layout of drills

圖6 卸壓前后水平(X方向)應(yīng)力Fig.6 Horizontal stress by X before and after pressure relief

圖7 卸壓前后煤體應(yīng)力變化Fig.7 Changes of coal stress value before and after pressure relief

3.2 效果檢驗(yàn)

電磁輻射可用來預(yù)測煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象，電磁輻射和煤的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，應(yīng)力高時(shí)電磁輻射信號(hào)就強(qiáng)，電磁輻射頻率就高[19-20]。采用KD-5型電磁輻射儀對(duì)施工的51組鉆孔施工前，沖孔前、沖孔后進(jìn)行檢驗(yàn)，每次在每個(gè)新施工鉆孔兩側(cè)5 m范圍內(nèi)取2個(gè)測點(diǎn)，取其平均值，最終監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，51組鉆孔施工前平均值為66.94 mV，沖孔前平均值為56.92 mV，沖孔后平均值為22.24 mV，沖孔后電磁輻射值明顯降低，降幅達(dá)60.92%。同時(shí)，施工后，施工區(qū)域約160 m范圍巷道幫鼓量由平均0.3 m降低到0.08 m，支護(hù)破損程度明顯降低。

圖8 現(xiàn)場電磁輻射檢驗(yàn)Fig.8 Electromagnetic radiation inspection diagram

4 結(jié) 論

1)高壓水力順層鉆割技術(shù)是一種非爆破沖擊地壓卸壓解危技術(shù)，鉆孔沿工作面傾向順煤層層理布置，以壓力高于30 MPa高度聚能的水射流束切割破碎煤體，形成卸壓空間，同時(shí)浸潤弱化煤體，煤體變形、垮落，積聚的彈性能得到釋放。

2)鉆割時(shí)采用定點(diǎn)與反復(fù)動(dòng)態(tài)相結(jié)合鉆割方式，可形成半徑為300～400 mm的卸壓空間，出煤量可達(dá)2.0～3.5 t，現(xiàn)場實(shí)踐，巷幫應(yīng)力值顯著降低，卸壓效果良好。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，實(shí)施后巷幫應(yīng)力降低區(qū)明顯擴(kuò)大，煤體內(nèi)部應(yīng)力顯著降低，卸壓效果良好。

3)鉆割卸壓后，數(shù)值模擬應(yīng)力平均降幅達(dá)68.6%，煤體內(nèi)部電磁輻射現(xiàn)場監(jiān)測值降幅達(dá)60.92%，巷道壁周圍的應(yīng)力集中區(qū)明顯減小，煤體內(nèi)部應(yīng)力顯著減低，沖擊地壓發(fā)生可能性降低。