向斜构造区内动压巷道围岩水射流防冲技术研究

刘 畅

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

煤矿井下开采期间，随着煤层埋藏深度的增加，采区内巷道围岩中将会积聚较高的集中静载荷，其与开采活动期间所产生的剧烈动载荷叠加作用，将会致使动压巷道围岩瞬间失稳破坏而诱发冲击显现[1，2]。对动压巷道围岩可以采取卸压的方法进行冲击地压防治，目前常用的卸压防冲方法有大直径钻孔卸压方法、煤层注水卸压方法和深孔爆破卸压方法等[3-5]。近些年，水射流技术也逐渐开始被应用于动压巷道围岩卸压防冲工作中，相较于传统的卸压防冲方法，水射流技术具有无火花、零磨损、粉尘少等诸多优点，同时其对卸压孔径大小的调节范围和灵活性也要远优于传统的卸压方法[6，7]。

诸多学者对水射流技术在煤矿领域的应用进行了研究，沈春明等[8]分析了水射流冲割所形成的孔槽对煤体的卸压增透机理，阐释了其在瓦斯防突方面的显著效果；王耀锋等[9]揭示了水射流冲割煤体包含裂缝生成、水楔作用和表面冲刷三个过程，并使用FLUENT软件对水射流有效冲割半径的影响因素进行了分析；窦林名等[10]基于动静载叠加机理将水射流技术应用于巷道围岩冲击地压防治方面，并对水射流技术在防冲方面的卸压参数进行了模拟分析；曹文涛等[11]揭示了巷道围岩诱发冲击的具体过程，并论证了水射流技术对于巷道围岩冲击地压防治的合理性。以往研究中很少考虑向斜构造区巷道围岩的水射流技术防冲效果，基于此，本文以华亭砚北矿区典型向斜构造区内2502采区为工程背景，针对水射流技术对向斜构造区内巷道围岩冲击地压防治进行了研究与应用。

1 地质概况

1.1 采区地质条件

砚北煤矿位于甘肃省华亭县华砚煤田的中部，一条向斜轴和一条背斜轴横穿整个煤田，造成主采5#煤层开采期间受褶曲地质构造显著影响。2502采区开采期间受典型褶曲地质构造影响导致强矿压显现不断，严重时甚至诱发冲击地压事故。2502采区内主采5#煤层厚度为18.2～54.5m，平均厚度31.0m，5#煤层地表标高为+1557～+1580m，井下标高为+860～+1171m，平均埋深超过550m。2502采区采用分层开采工艺，目前正在开采上分层，上分层煤层厚度为9.5～15.4m。2502采区内首采250205综放面已经回采结束，其接续250206综放面目前正处于回采阶段，250204综放面作为250206综放面的接续工作面，目前正处于掘进阶段。

1.2 冲击倾向性结果

根据国标GB/T 25217.2—2010《煤岩冲击倾向分类及指数测定方法》，通过在2502采区内不同地点采集煤样并在实验室加工成标准圆柱体试件(尺寸为∅50mm×100mm)，然后分别对处于自然干燥状态和饱和水状态下的煤样试件进行冲击倾向性测试，测试结果见表1。

由表1可知，煤样试件在自然干燥状态下具有强冲击倾向性，而在饱和水状态下转变为具有弱冲击倾向性，可见煤体经过水软化处理后其冲击倾向性将会得到一定程度的降低。

表1 冲击倾向性测试结果

1.3 冲击地压显现特征

根据250205、250206综放面开采期间冲击地压事故调研情况，冲击对巷道围岩破坏较为严重的区域多集中于向斜构造影响区内，此处动压巷道围岩冲击显现的典型特征为巷道两帮部内挤变形严重，硬化处理的底板鼓起开裂甚至底煤涌入巷道内，现场实际破坏特征如图1所示。

图1 动压巷道围岩冲击显现典型特征

2 冲击地压发生及防治机理

2.1 冲击地压发生机理

动压巷道围岩发生冲击地压机理可以分为动载荷主导型和静载荷主导型2种类型[12-14]，其中静载主导型主要由高集中静载荷引起，当巷道围岩中积聚的静载荷高到足以诱发冲击地压时，在较小的动载荷扰动作用下，围岩将会瞬间失稳破坏而诱发冲击地压。动载主导型主要由剧烈动载荷引起，当巷道围岩中积聚的静载荷较低时，综放面开采期间覆岩破断所形成的剧烈动载荷将会导致围岩瞬间失稳破坏而诱发冲击地压。处于向斜构造影响区内的动压巷道，受到较大的挤压构造应力影响，结合Terzaghi理论可知[15，16]，当巷帮浅部一定范围的煤体引起的应力瞬间超过一定值时，会导致巷道底板浅部一定范围的煤体瞬间失稳破坏，进而引发冲击地压事故。由于巷道底板一般不采取支护措施，因此通常会成为冲击能量释放的通道，通过底板瞬间鼓起的形式显现，巷道底板冲击地压发生力学模型如图2所示。

图2 巷道底板冲击地压发生力学模型

2.2 冲击地压防治机理

通过对自然状态和饱和水状态(软化状态)煤标样的分析，可以得出：采用水射流技术卸压后，水射流卸压区(软弱结构区)将有大量的残留水，能够对巷帮浅部煤体的软化起到作用，能够有效防治巷道冲击地压。巷道水射流冲击地压防治力学模型如图3所示。

图3 巷道冲击地压防治力学模型

从应力演化角度的看，水射流卸压区(软弱结构区)使初始“单峰”曲线变为最终“双峰”曲线，初始单峰高集中静荷载(σj)变为最终双峰集中静荷载(σj1和σj2)，集中静载荷满足以下条件：σj>σj1>σj2。集中静荷载与巷帮表面之间的距离关系满足以下条件：Sbc>Soa>Sob。可以看出，采用水射流技术后，高静载荷(σj)转移到巷帮深部，应力集中程度降低为峰值集中静载荷(σj2)，发生巷道冲击地压的可能大幅降低。

巷道底板冲击地压防治力学模型如图4所示。采用水射流技术卸压前，支承压力集中值大于能够引起底板破坏集中静载荷(σv)的宽度范围可定义为a；采用水射流技术卸压后，由于存在一定范围的卸压区，不满足支承压力集中值大于集中静载荷(σv)，因此，大于能够引起底板破坏集中静载荷(σv)的宽度范围是不连续的，可定义为b和c。研究表明，大于能够引起底板破坏集中静载荷(σv)的宽度范围满足以下条件：a>b+c。塑性状态区(SAbObCb和SAcOcCc)的叠加面积小于塑性状态区(SAOC)的面积。采用水射流卸压后，底板塑性区面积减小，瞬时滑动失稳引起的底鼓程度减小。可以看出，对巷帮采取水射流技术卸压后，可以同时达到防治底板冲击的效果。

图4 巷道底板冲击防治力学模型

3 现场工业性试验

3.1 现场施工方案

巷帮水射流技术如图5所示。通过普通钻头钻设初始钻孔L，通过水钻头钻设射流段l2。射流段通过高压水射流喷嘴、水射流钻头快速旋转并与钻杆(空心)轴向连续移动来冲割初始钻孔形成。

图5 巷帮水射流技术

在250204掘进巷道进行了水射流试验，具体施工方案如图6所示。设计相邻喷水钻孔之间合理的间距为3.0m，喷水段直径为500mm，喷水钻孔长度(l2)取为15.0m，初始钻孔的剩余长度(l1)确定为5.0m。根据确定的水射流钻孔参数，在250204巷道煤柱帮和实体帮进行了现场工程应用，试验段长度约60m。在煤柱帮和实体帮上采用了直径110mm的初始钻孔，钻孔个数21个，间隔3.0m布置。钻孔的孔口位置距底板约1.2～1.5m，倾角约为3°～5°。使用水射流技术后，当初始钻孔长度达到20.0m时，将普通钻头回收，并更换为水钻头(ZJN94/3型)。选择直径为2.0mm的喷嘴模型进行现场工业试验，实际供水流量应大于236 L/min。

图6 250204巷道水射流卸压方案

3.2 监测结果

3.2.1 EMR监测结果

电磁辐射信号强度(EMR)与煤体的应力状态正相关[17-19]，采用KBD-5 Exib电磁辐射监测仪监测煤体应力状态的变化规律。在使用水射流技术前后，采用接收天线进行非接触式监测，相邻监测点的间隔距离约为2.0m。有效监测最大深度为22m，可满足现场监测的要求。250204巷道煤柱侧监测布置如图7所示。

图7 250204巷道煤柱侧监测

利用EMR对监测结果如图8所示。煤柱帮一侧，采用水射流技术前的EMR平均信号强度约为44.2mV，采用水射流技术后的EMR平均信号强度约为17.6mV，EMR信号强度的衰减幅度约为60.2%；实体煤帮侧，采用水射流技术前的EMR平均信号强度约为49.7mV，采用水射流技术后的EMR平均信号强度约为15.6mV，EMR信号强度的衰减幅度约为68.6%。可以看出，水射流可以缓解和传递煤体中积聚的高集中应力。

图8 EMR对信号强度的监测结果

3.2.2 巷道围岩收敛监测结果

采用“十字法”监测卸压巷道围岩收敛情况[20，21]，共布置3组测量站，间距15m，平均收敛监测结果如图9所示。

图9 卸压巷道围岩收敛监测结果

可以看出，随着观测时间的增加，顶底板移近量增加，38天时最大平均移近量约为129mm，两帮移近量也增加，最大移近量约为109mm。顶底板及两帮的移近速度均在第20天开始下降，在第29天趋于稳定。250204巷道的宽度和高度分别为4.8m和4.0m，顶底板移近约为3.2%，两帮移近约为2.3%。巷道高度和宽度移近控制在5.0%以内，围岩控制效果良好。

4 结 论

1)华砚井田受强烈的地质构造应力影响，强构造应力容易受回采和掘进影响，诱发冲击地压。根据5号煤饱和水前后冲击倾向性试验结果，5号煤层经水软化后，冲击倾向性可得到一定程度的降低。

2)根据砚北矿2502采区250205、250206工作面开采期间冲击事故监测记录，2502采区典型的冲击特征为底板隆起和两帮严重变形。需要采取有效的方法来缓解底板和巷道两帮的压力。

3)巷道帮冲击发生机理分为静载荷主导型和动载荷主导型，冲击发生位置是巷道支护浅部一定范围内的煤体。应采取有针对性卸压措施，防止冲击发生。根据Terzaghi理论可知，当巷帮浅部一定范围的煤体引起的垂直应力瞬间超过一定值时，会导致巷道底板浅部一定范围的煤体瞬间失稳破坏，进而诱发冲击。

4)在250204巷道掘进期间，开展了水射流卸压工业试验。EMR监测结果表明，煤巷帮水射流技术能够很好地缓解传递煤巷帮内积聚的高集中应力，使煤巷帮煤体处于低应力环境中。顶板与两帮移近量监测结果表明，巷帮卸压也有利于底板的卸压，从而改善底板煤岩介质的应力环境。