向斜構(gòu)造區(qū)內(nèi)動壓巷道圍巖水射流防沖技術(shù)研究

劉 暢

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

煤礦井下開采期間，隨著煤層埋藏深度的增加，采區(qū)內(nèi)巷道圍巖中將會積聚較高的集中靜載荷，其與開采活動期間所產(chǎn)生的劇烈動載荷疊加作用，將會致使動壓巷道圍巖瞬間失穩(wěn)破壞而誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)[1，2]。對動壓巷道圍巖可以采取卸壓的方法進(jìn)行沖擊地壓防治，目前常用的卸壓防沖方法有大直徑鉆孔卸壓方法、煤層注水卸壓方法和深孔爆破卸壓方法等[3-5]。近些年，水射流技術(shù)也逐漸開始被應(yīng)用于動壓巷道圍巖卸壓防沖工作中，相較于傳統(tǒng)的卸壓防沖方法，水射流技術(shù)具有無火花、零磨損、粉塵少等諸多優(yōu)點，同時其對卸壓孔徑大小的調(diào)節(jié)范圍和靈活性也要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的卸壓方法[6，7]。

諸多學(xué)者對水射流技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，沈春明等[8]分析了水射流沖割所形成的孔槽對煤體的卸壓增透機(jī)理，闡釋了其在瓦斯防突方面的顯著效果；王耀鋒等[9]揭示了水射流沖割煤體包含裂縫生成、水楔作用和表面沖刷三個過程，并使用FLUENT軟件對水射流有效沖割半徑的影響因素進(jìn)行了分析；竇林名等[10]基于動靜載疊加機(jī)理將水射流技術(shù)應(yīng)用于巷道圍巖沖擊地壓防治方面，并對水射流技術(shù)在防沖方面的卸壓參數(shù)進(jìn)行了模擬分析；曹文濤等[11]揭示了巷道圍巖誘發(fā)沖擊的具體過程，并論證了水射流技術(shù)對于巷道圍巖沖擊地壓防治的合理性。以往研究中很少考慮向斜構(gòu)造區(qū)巷道圍巖的水射流技術(shù)防沖效果，基于此，本文以華亭硯北礦區(qū)典型向斜構(gòu)造區(qū)內(nèi)2502采區(qū)為工程背景，針對水射流技術(shù)對向斜構(gòu)造區(qū)內(nèi)巷道圍巖沖擊地壓防治進(jìn)行了研究與應(yīng)用。

1 地質(zhì)概況

1.1 采區(qū)地質(zhì)條件

硯北煤礦位于甘肅省華亭縣華硯煤田的中部，一條向斜軸和一條背斜軸橫穿整個煤田，造成主采5#煤層開采期間受褶曲地質(zhì)構(gòu)造顯著影響。2502采區(qū)開采期間受典型褶曲地質(zhì)構(gòu)造影響導(dǎo)致強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)不斷，嚴(yán)重時甚至誘發(fā)沖擊地壓事故。2502采區(qū)內(nèi)主采5#煤層厚度為18.2～54.5m，平均厚度31.0m，5#煤層地表標(biāo)高為+1557～+1580m，井下標(biāo)高為+860～+1171m，平均埋深超過550m。2502采區(qū)采用分層開采工藝，目前正在開采上分層，上分層煤層厚度為9.5～15.4m。2502采區(qū)內(nèi)首采250205綜放面已經(jīng)回采結(jié)束，其接續(xù)250206綜放面目前正處于回采階段，250204綜放面作為250206綜放面的接續(xù)工作面，目前正處于掘進(jìn)階段。

1.2 沖擊傾向性結(jié)果

根據(jù)國標(biāo)GB/T 25217.2—2010《煤巖沖擊傾向分類及指數(shù)測定方法》，通過在2502采區(qū)內(nèi)不同地點采集煤樣并在實驗室加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件(尺寸為?50mm×100mm)，然后分別對處于自然干燥狀態(tài)和飽和水狀態(tài)下的煤樣試件進(jìn)行沖擊傾向性測試，測試結(jié)果見表1。

由表1可知，煤樣試件在自然干燥狀態(tài)下具有強(qiáng)沖擊傾向性，而在飽和水狀態(tài)下轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥鯖_擊傾向性，可見煤體經(jīng)過水軟化處理后其沖擊傾向性將會得到一定程度的降低。

表1 沖擊傾向性測試結(jié)果

1.3 沖擊地壓顯現(xiàn)特征

根據(jù)250205、250206綜放面開采期間沖擊地壓事故調(diào)研情況，沖擊對巷道圍巖破壞較為嚴(yán)重的區(qū)域多集中于向斜構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)，此處動壓巷道圍巖沖擊顯現(xiàn)的典型特征為巷道兩幫部內(nèi)擠變形嚴(yán)重，硬化處理的底板鼓起開裂甚至底煤涌入巷道內(nèi)，現(xiàn)場實際破壞特征如圖1所示。

圖1 動壓巷道圍巖沖擊顯現(xiàn)典型特征

2 沖擊地壓發(fā)生及防治機(jī)理

2.1 沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

動壓巷道圍巖發(fā)生沖擊地壓機(jī)理可以分為動載荷主導(dǎo)型和靜載荷主導(dǎo)型2種類型[12-14]，其中靜載主導(dǎo)型主要由高集中靜載荷引起，當(dāng)巷道圍巖中積聚的靜載荷高到足以誘發(fā)沖擊地壓時，在較小的動載荷擾動作用下，圍巖將會瞬間失穩(wěn)破壞而誘發(fā)沖擊地壓。動載主導(dǎo)型主要由劇烈動載荷引起，當(dāng)巷道圍巖中積聚的靜載荷較低時，綜放面開采期間覆巖破斷所形成的劇烈動載荷將會導(dǎo)致圍巖瞬間失穩(wěn)破壞而誘發(fā)沖擊地壓。處于向斜構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)的動壓巷道，受到較大的擠壓構(gòu)造應(yīng)力影響，結(jié)合Terzaghi理論可知[15，16]，當(dāng)巷幫淺部一定范圍的煤體引起的應(yīng)力瞬間超過一定值時，會導(dǎo)致巷道底板淺部一定范圍的煤體瞬間失穩(wěn)破壞，進(jìn)而引發(fā)沖擊地壓事故。由于巷道底板一般不采取支護(hù)措施，因此通常會成為沖擊能量釋放的通道，通過底板瞬間鼓起的形式顯現(xiàn)，巷道底板沖擊地壓發(fā)生力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 巷道底板沖擊地壓發(fā)生力學(xué)模型

2.2 沖擊地壓防治機(jī)理

通過對自然狀態(tài)和飽和水狀態(tài)(軟化狀態(tài))煤標(biāo)樣的分析，可以得出：采用水射流技術(shù)卸壓后，水射流卸壓區(qū)(軟弱結(jié)構(gòu)區(qū))將有大量的殘留水，能夠?qū)ο飵蜏\部煤體的軟化起到作用，能夠有效防治巷道沖擊地壓。巷道水射流沖擊地壓防治力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 巷道沖擊地壓防治力學(xué)模型

從應(yīng)力演化角度的看，水射流卸壓區(qū)(軟弱結(jié)構(gòu)區(qū))使初始“單峰”曲線變?yōu)樽罱K“雙峰”曲線，初始單峰高集中靜荷載(σj)變?yōu)樽罱K雙峰集中靜荷載(σj1和σj2)，集中靜載荷滿足以下條件：σj>σj1>σj2。集中靜荷載與巷幫表面之間的距離關(guān)系滿足以下條件：Sbc>Soa>Sob。可以看出，采用水射流技術(shù)后，高靜載荷(σj)轉(zhuǎn)移到巷幫深部，應(yīng)力集中程度降低為峰值集中靜載荷(σj2)，發(fā)生巷道沖擊地壓的可能大幅降低。

巷道底板沖擊地壓防治力學(xué)模型如圖4所示。采用水射流技術(shù)卸壓前，支承壓力集中值大于能夠引起底板破壞集中靜載荷(σv)的寬度范圍可定義為a；采用水射流技術(shù)卸壓后，由于存在一定范圍的卸壓區(qū)，不滿足支承壓力集中值大于集中靜載荷(σv)，因此，大于能夠引起底板破壞集中靜載荷(σv)的寬度范圍是不連續(xù)的，可定義為b和c。研究表明，大于能夠引起底板破壞集中靜載荷(σv)的寬度范圍滿足以下條件：a>b+c。塑性狀態(tài)區(qū)(SAbObCb和SAcOcCc)的疊加面積小于塑性狀態(tài)區(qū)(SAOC)的面積。采用水射流卸壓后，底板塑性區(qū)面積減小，瞬時滑動失穩(wěn)引起的底鼓程度減小?？梢钥闯觯瑢ο飵筒扇∷淞骷夹g(shù)卸壓后，可以同時達(dá)到防治底板沖擊的效果。

圖4 巷道底板沖擊防治力學(xué)模型

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

3.1 現(xiàn)場施工方案

巷幫水射流技術(shù)如圖5所示。通過普通鉆頭鉆設(shè)初始鉆孔L，通過水鉆頭鉆設(shè)射流段l2。射流段通過高壓水射流噴嘴、水射流鉆頭快速旋轉(zhuǎn)并與鉆桿(空心)軸向連續(xù)移動來沖割初始鉆孔形成。

圖5 巷幫水射流技術(shù)

在250204掘進(jìn)巷道進(jìn)行了水射流試驗，具體施工方案如圖6所示。設(shè)計相鄰噴水鉆孔之間合理的間距為3.0m，噴水段直徑為500mm，噴水鉆孔長度(l2)取為15.0m，初始鉆孔的剩余長度(l1)確定為5.0m。根據(jù)確定的水射流鉆孔參數(shù)，在250204巷道煤柱幫和實體幫進(jìn)行了現(xiàn)場工程應(yīng)用，試驗段長度約60m。在煤柱幫和實體幫上采用了直徑110mm的初始鉆孔，鉆孔個數(shù)21個，間隔3.0m布置。鉆孔的孔口位置距底板約1.2～1.5m，傾角約為3°～5°。使用水射流技術(shù)后，當(dāng)初始鉆孔長度達(dá)到20.0m時，將普通鉆頭回收，并更換為水鉆頭(ZJN94/3型)。選擇直徑為2.0mm的噴嘴模型進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗，實際供水流量應(yīng)大于236 L/min。

圖6 250204巷道水射流卸壓方案

3.2 監(jiān)測結(jié)果

3.2.1 EMR監(jiān)測結(jié)果

電磁輻射信號強(qiáng)度(EMR)與煤體的應(yīng)力狀態(tài)正相關(guān)[17-19]，采用KBD-5 Exib電磁輻射監(jiān)測儀監(jiān)測煤體應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律。在使用水射流技術(shù)前后，采用接收天線進(jìn)行非接觸式監(jiān)測，相鄰監(jiān)測點的間隔距離約為2.0m。有效監(jiān)測最大深度為22m，可滿足現(xiàn)場監(jiān)測的要求。250204巷道煤柱側(cè)監(jiān)測布置如圖7所示。

圖7 250204巷道煤柱側(cè)監(jiān)測

利用EMR對監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。煤柱幫一側(cè)，采用水射流技術(shù)前的EMR平均信號強(qiáng)度約為44.2mV，采用水射流技術(shù)后的EMR平均信號強(qiáng)度約為17.6mV，EMR信號強(qiáng)度的衰減幅度約為60.2%；實體煤幫側(cè)，采用水射流技術(shù)前的EMR平均信號強(qiáng)度約為49.7mV，采用水射流技術(shù)后的EMR平均信號強(qiáng)度約為15.6mV，EMR信號強(qiáng)度的衰減幅度約為68.6%。可以看出，水射流可以緩解和傳遞煤體中積聚的高集中應(yīng)力。

圖8 EMR對信號強(qiáng)度的監(jiān)測結(jié)果

3.2.2 巷道圍巖收斂監(jiān)測結(jié)果

采用“十字法”監(jiān)測卸壓巷道圍巖收斂情況[20，21]，共布置3組測量站，間距15m，平均收斂監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖9 卸壓巷道圍巖收斂監(jiān)測結(jié)果

可以看出，隨著觀測時間的增加，頂?shù)装逡平吭黾樱?8天時最大平均移近量約為129mm，兩幫移近量也增加，最大移近量約為109mm。頂?shù)装寮皟蓭偷囊平俣染诘?0天開始下降，在第29天趨于穩(wěn)定。250204巷道的寬度和高度分別為4.8m和4.0m，頂?shù)装逡平s為3.2%，兩幫移近約為2.3%。巷道高度和寬度移近控制在5.0%以內(nèi)，圍巖控制效果良好。

4 結(jié) 論

1)華硯井田受強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力影響，強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力容易受回采和掘進(jìn)影響，誘發(fā)沖擊地壓。根據(jù)5號煤飽和水前后沖擊傾向性試驗結(jié)果，5號煤層經(jīng)水軟化后，沖擊傾向性可得到一定程度的降低。

2)根據(jù)硯北礦2502采區(qū)250205、250206工作面開采期間沖擊事故監(jiān)測記錄，2502采區(qū)典型的沖擊特征為底板隆起和兩幫嚴(yán)重變形。需要采取有效的方法來緩解底板和巷道兩幫的壓力。

3)巷道幫沖擊發(fā)生機(jī)理分為靜載荷主導(dǎo)型和動載荷主導(dǎo)型，沖擊發(fā)生位置是巷道支護(hù)淺部一定范圍內(nèi)的煤體。應(yīng)采取有針對性卸壓措施，防止沖擊發(fā)生。根據(jù)Terzaghi理論可知，當(dāng)巷幫淺部一定范圍的煤體引起的垂直應(yīng)力瞬間超過一定值時，會導(dǎo)致巷道底板淺部一定范圍的煤體瞬間失穩(wěn)破壞，進(jìn)而誘發(fā)沖擊。

4)在250204巷道掘進(jìn)期間，開展了水射流卸壓工業(yè)試驗。EMR監(jiān)測結(jié)果表明，煤巷幫水射流技術(shù)能夠很好地緩解傳遞煤巷幫內(nèi)積聚的高集中應(yīng)力，使煤巷幫煤體處于低應(yīng)力環(huán)境中。頂板與兩幫移近量監(jiān)測結(jié)果表明，巷幫卸壓也有利于底板的卸壓，從而改善底板煤巖介質(zhì)的應(yīng)力環(huán)境。