高應(yīng)力動壓巷道圍巖沖擊破壞機(jī)理與防治技術(shù)研究

楊增強(qiáng)，金珠鵬，劉國棟，任長樂，王琛艷

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027;3.中國煤炭科工集團(tuán)開采研究院有限公司，北京 100013; 4.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

隨著煤礦井工開采深度的逐年遞增，越來越多的回采巷道要經(jīng)受工作面采動引起的強(qiáng)動載及超前支承高靜載影響，這將進(jìn)一步惡化巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，造成強(qiáng)礦壓動力顯現(xiàn)頻發(fā)[1-3]。

針對高應(yīng)力動壓巷道圍巖破壞及控制方面的研究，袁越等[4]發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力動壓巷道隨著動壓的增大，圍巖中塑性區(qū)范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)而誘發(fā)嚴(yán)重圍巖變形失穩(wěn)事故；勾攀峰等[5]指出強(qiáng)水平構(gòu)造應(yīng)力影響下巷道底板深部變形量增加，此時巷道圍巖的控制重點(diǎn)要側(cè)重考慮底板方面；汪良海等[6]根據(jù)動壓影響巷道圍巖變形規(guī)律，提出了棚—索協(xié)調(diào)控制支護(hù)體系；何富連等[7]基于高水平構(gòu)造應(yīng)力影響下巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理，提出了高強(qiáng)度錨桿索支護(hù)聯(lián)合壁后注漿加固的綜合防控方法。針對高應(yīng)力動壓巷道圍巖卸壓方面的研究，目前多采用如深孔爆破[8]、煤層高壓注水[9]和大直徑鉆孔卸壓[10]等技術(shù)，但由于受限于井下作業(yè)環(huán)境及煤巖體自身性質(zhì)，卸壓效果并不顯著。

水射流鉆割沖孔技術(shù)以往多用于煤層防突方面[11]，其具有鉆頭無磨損、粉塵量小、無火花鉆割等優(yōu)點(diǎn)，因此采用該技術(shù)對高應(yīng)力動壓巷道巷幫煤體進(jìn)行卸讓壓增透治理，研究成果可為類似動壓巷道防治沖擊地壓提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工作面地質(zhì)概況

甘肅靖遠(yuǎn)煤業(yè)寶積山煤礦七采區(qū)內(nèi)主采1#煤層，其平均厚度9.6 m，采用綜放開采工藝，工作面采高為3.5 m，放頂煤厚度為6.1 m，采放比為1∶1.74。705工作面內(nèi)煤層平均傾角為12°，平均埋深為 600 m。705工作面采掘平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 705工作面采掘平面位置關(guān)系圖

1.2 礦壓顯現(xiàn)情況

在705工作面回采推進(jìn)距離與工作面寬度相等時，采空區(qū)頂板覆巖易破斷而形成較大的動載擾動，此時鄰近F10斷層構(gòu)造極易受強(qiáng)動載擾動而活化。在雙重動載疊加擾動下，于705回風(fēng)平巷內(nèi)發(fā)生了強(qiáng)沖擊地壓動力災(zāi)害。“7·18”沖擊地壓事故發(fā)生后，局部最大底鼓量達(dá)1.4 m，實(shí)體煤幫局部最大內(nèi)鼓量為1.3 m，超前支護(hù)單體支柱部分折斷失效，嚴(yán)重影響705回風(fēng)平巷行人、通風(fēng)需求。

2 水射流鉆割沖孔防沖機(jī)理

2.1 沖孔前后煤體增透機(jī)理分析

沖孔前由于預(yù)先施工的順層鉆孔半徑r較小，其周圍煤體未發(fā)生塑性變形破壞前任意一點(diǎn)的切向應(yīng)力σte的理論表達(dá)式如下:

(1)

式中:rx為鉆孔周圍煤體內(nèi)任一點(diǎn)與鉆孔中心點(diǎn)的距離，m；γ為鉆孔位置上覆巖層平均重度，取值 2.5 kN/m3；H為鉆孔位置煤層平均埋深，m。

基于極限平衡理論，可以推導(dǎo)確定距離鉆孔中心點(diǎn)的平面距離r1處為彈性區(qū)和塑性區(qū)的分界面，其理論表達(dá)式如下:

(2)

式中:C為鉆孔周圍煤體的黏聚力，MPa；φ為鉆孔周圍煤體的內(nèi)摩擦角，(°)。

而當(dāng)鉆孔周圍煤體發(fā)生塑性變形破壞后，塑性區(qū)范圍內(nèi)(r≤rx

(3)

根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試的1#煤層物理力學(xué)參數(shù)，得知煤體的黏聚力C為3.62 MPa，內(nèi)摩擦角φ為24°。由于煤層平均埋深H為600 m，則上覆巖層自重應(yīng)力為15.0 MPa(工程上定義切向應(yīng)力σte高于1.1倍γH時為影響邊界，取值16.5 MPa)[12-13]。預(yù)打順層鉆孔半徑r近似取值為0.05 m，沖孔后半徑R依次取值為0.10、0.15、0.20、0.25 m時，聯(lián)立公式(1)～(3)可計算出不同半徑鉆孔周圍煤體內(nèi)任意一點(diǎn)的切向應(yīng)力σt，其變化規(guī)律如圖2(a) 所示。

(a)不同沖孔半徑鉆孔周圍煤體內(nèi)切向應(yīng)力

由圖2(a)可知，在鉆孔周圍煤體發(fā)生塑性破壞前，切向應(yīng)力最大值高達(dá)30.0 MPa，沿徑向方向呈指數(shù)遞減分布規(guī)律。在較高的切向應(yīng)力作用下，鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的煤體由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)過渡，其所受到的切向應(yīng)力也因此發(fā)生改變，最終形成沿徑向方向呈先遞增后遞減的分布規(guī)律，即先從10.12 MPa遞增至22.04 MPa，再遞減至16.5 MPa。由圖2(b)可知，隨著鉆孔半徑的遞增，鉆孔周圍的彈性區(qū)和塑性區(qū)影響范圍也呈近似線性的遞增趨勢，可見較大的鉆孔半徑對周圍煤體的影響范圍將更大。

鉆孔周圍煤體的滲透率變化規(guī)律與煤體內(nèi)的彈、塑性區(qū)緊密相關(guān)[14-15]，而較大的鉆孔半徑將會在周圍煤體內(nèi)形成更大范圍的塑性區(qū)，有利于進(jìn)一步提升煤體的增透性。

2.2 沖孔前后卸壓防沖機(jī)理分析

2.2.1 巷幫防沖機(jī)理分析

水射流卸壓作業(yè)后，巷幫煤體內(nèi)原有的“單峰值”高應(yīng)力集中將會重新形成“雙峰值”應(yīng)力集中。重新形成的“雙峰值”應(yīng)力曲線峰值呈“內(nèi)低外高”的分布形態(tài)，即σbmax<σcmax。沖孔前后幫部煤體沖擊顯現(xiàn)力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 沖孔前后巷幫煤體沖擊顯現(xiàn)力學(xué)模型

由圖3可知，當(dāng)巷道上覆巖層中產(chǎn)生劇烈動載荷σd時，基于動靜載疊加理論[16-17]可知沖孔前后煤巖系統(tǒng)內(nèi)積聚的最大彈性應(yīng)變能滿足下式:

(4)

式中:Ea為沖孔前煤巖系統(tǒng)內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能，kJ；Ec為沖孔后外峰值位置處煤巖系統(tǒng)內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能，kJ；E為煤巖系統(tǒng)的彈性模量，MPa。

由式(4)可知，若發(fā)生沖擊啟動所需的最小能量值均為Emin，則沖擊啟動區(qū)Ⅲ需要更大的動載荷σd擾動下才能滿足要求。沖擊啟動區(qū)Ⅰ啟動后，在Soa區(qū)域內(nèi)消耗了一定的能量值Eoa，殘余能量ΔEa會以煤幫處煤體為載體瞬間涌入巷道，造成沖擊顯現(xiàn)的發(fā)生；沖擊啟動區(qū)Ⅲ啟動后，在Sbc區(qū)域內(nèi)消耗了一定的能量值Ebc，由于Sbc區(qū)煤體松散破碎且裂隙十分發(fā)育，消耗的能量值Ebc遠(yuǎn)大于Eoa，殘余能量ΔEc與內(nèi)峰值位置處煤巖系統(tǒng)內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能Eb疊加后，若疊加能量值大于Emin，則沖擊啟動區(qū)Ⅱ?qū)l(fā)生二次啟動，并在Sob區(qū)域內(nèi)消耗了一定的能量值Eob，最終殘余能量ΔEb會以煤幫處煤體為載體瞬間涌入巷道，造成沖擊顯現(xiàn)的發(fā)生。

2.2.2 底板防沖機(jī)理分析

以大于原巖應(yīng)力σ0的某一臨界高應(yīng)力指標(biāo)σy為判據(jù)，假設(shè)對巷幫煤體進(jìn)行沖孔作業(yè)前底板承載支承應(yīng)力大于σy的范圍為a，而當(dāng)對巷幫煤體進(jìn)行沖孔作業(yè)后底板承載支承應(yīng)力大于σy的范圍為b和c，且存在|b|+|c|<|a|，如圖4所示。

由圖4可知，沖孔作業(yè)導(dǎo)致煤體內(nèi)裂隙十分發(fā)育，進(jìn)而致使煤體內(nèi)積聚的瓦斯壓力值滿足|pyb|+|pyc|?|pya|。這表明對巷幫煤體進(jìn)行沖孔作業(yè)后，煤體內(nèi)大于σy的支承應(yīng)力對底板的施載范圍將減小，同時受到積聚瓦斯壓力的疊加影響也十分微弱。此時受動壓擾動影響時巷道底板將不易滑移失穩(wěn)而發(fā)生底板沖擊顯現(xiàn)。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 三維模型的建立

基于705工作面工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模擬模型，其長×寬×高=80.0 m×63.8 m×40.0 m，巷道長×寬=3.8 m×3.5 m，巷道兩幫鉆孔保護(hù)段長度為5 m，水射流沖孔段長度可變，如圖5所示。

圖5 三維數(shù)值模型

對所建三維模型上表面施加覆巖重力的等效載荷，取值為14.5 MPa。模型底面水平和垂直位移約束，四周邊界水平位移約束。所建三維模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，其煤巖層賦值參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果確定[18]，煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

考慮到1#煤的單軸抗壓強(qiáng)度為13.5 MPa，泵站給水壓力為25.0 MPa，實(shí)驗(yàn)室測得水射流所能鉆割的最大距離為210 mm，即最大有效沖孔直徑為 420 mm。當(dāng)最大有效沖孔直徑為420 mm時，數(shù)值模擬得到煤體內(nèi)垂直應(yīng)力分布情況，如圖6所示。

從圖6中可知，當(dāng)兩相鄰鉆孔之間中心距取值 3 m 時，鉆孔之間應(yīng)力集中并未充分疊加，煤體承載較高的支承應(yīng)力；當(dāng)兩相鄰鉆孔之間中心距取值 8 m 時，鉆孔之間應(yīng)力集中基本不存在疊加情況；當(dāng)兩相鄰鉆孔之間中心距取值 5 m 時，鉆孔之間應(yīng)力集中充分疊加，煤體因承載較高的支承應(yīng)力而發(fā)生塑性破壞，能夠?qū)崿F(xiàn)對煤體的卸讓壓增透效果，因此兩相鄰鉆孔之間中心距取值5 m最優(yōu)。

圖6 相鄰鉆孔不同中心距數(shù)值模擬結(jié)果

當(dāng)兩相鄰鉆孔之間中心距取值5 m、沖孔直徑取值420 mm時，隨著水射流沖孔段長度取值為7、10、15 m時，其對巷幫煤體的支承應(yīng)力轉(zhuǎn)移和釋放效果如圖7所示。

圖7 不同沖孔段長度數(shù)值模擬結(jié)果

從圖7中可知，隨著水射流沖孔段長度的增加，巷幫煤體內(nèi)卸壓區(qū)間也依次遞增，且“雙峰值”應(yīng)力曲線中外峰值σcmax在遠(yuǎn)離巷幫煤壁的同時峰值也在減小。相比之下，采用大直徑鉆孔對巷幫煤體高應(yīng)力集中卸壓效果甚微?？紤]到現(xiàn)場沖孔作業(yè)期間隨著沖孔段長度的增加，單孔作業(yè)工作量也將更大，因此沖孔段長度取值10 m較為適宜。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)期間，在705回風(fēng)平巷超前工作面50 m內(nèi)對實(shí)體煤幫間隔5 m實(shí)施沖孔作業(yè)，并對沖孔前后鉆孔周圍煤體進(jìn)行取樣，且采用電鏡掃描儀進(jìn)行放大觀測，結(jié)果如圖8所示。對比圖8(a)和(b)可知，沖孔前煤體內(nèi)裂隙較為不發(fā)育，而沖孔后煤體內(nèi)孔隙十分發(fā)育，裂隙將整個煤樣樣本貫通?？梢?，對于預(yù)打順層鉆孔實(shí)施沖孔后，鉆孔周圍塑性區(qū)內(nèi)煤體裂隙得到充分發(fā)育，進(jìn)而提高了單一鉆孔的增透效果。

圖8 煤樣樣本放大20 000倍觀測結(jié)果

采用電磁輻射監(jiān)測儀對實(shí)施沖孔作業(yè)后的實(shí)體煤幫進(jìn)行監(jiān)測(測點(diǎn)間隔5 m)，同時對沖孔前后鉆孔的瓦斯流量衰減情況進(jìn)行監(jiān)測(選取1#、3#、5#、7#和9#鉆孔)，監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

(a)電磁輻射強(qiáng)度監(jiān)測數(shù)據(jù)

電磁輻射信號強(qiáng)弱與煤體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)呈正相關(guān)性[19-20]，結(jié)合圖9(a)可知實(shí)體煤幫沖孔前所監(jiān)測的電磁輻射強(qiáng)度平均值為42.8 mV，而沖孔后所監(jiān)測的電磁輻射強(qiáng)度平均值為17.2 mV，降幅高達(dá)59.8%，說明煤體內(nèi)的高應(yīng)力集中實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移和釋放，卸壓效果顯著；圖9(b)中對沖孔前后鉆孔的瓦斯流量衰減情況進(jìn)行了監(jiān)測和數(shù)據(jù)擬合，從中可知沖孔前的擬合公式為y=0.062 6e-0.005x(瓦斯流量衰減系數(shù)為0.005 d-1)，沖孔后的擬合公式為y=0.032 5e-0.022x(瓦斯流量衰減系數(shù)為0.022 d-1)，沖孔后的瓦斯流量衰減系數(shù)為沖孔前的4.4倍，這表明沖孔作業(yè)有助于提高煤層的增透性。

5 結(jié)論

1)孔壁周圍煤體內(nèi)彈性區(qū)和塑性區(qū)影響范圍與鉆孔直徑呈正相關(guān)關(guān)系，且塑性區(qū)內(nèi)由大量裂隙生成向新生微裂隙狀態(tài)過渡，因此水射流沖孔所形成的柱體狀空間能夠?qū)崿F(xiàn)對煤體的卸讓壓增透效果。

2)巷幫煤體采取卸壓作業(yè)后，煤體內(nèi)原有的“單峰值”高應(yīng)力集中重新形成“內(nèi)低外高”的“雙峰值”應(yīng)力曲線，進(jìn)而達(dá)到巷幫和底板防沖目的。

3)通過理論計算和FLAC3D數(shù)值模擬可知，當(dāng)沖孔直徑為420 mm、兩相鄰鉆孔之間中心距為5 m時，卸讓壓增透效果最佳。隨著沖孔段長度的增加，對應(yīng)巷幫煤體內(nèi)卸壓區(qū)間也依次遞增，但單孔作業(yè)工作量也將更大，綜合考慮沖孔段長度宜取10 m。

4)采用電鏡掃描、電磁輻射和瓦斯流量衰減等多種監(jiān)測手段，驗(yàn)證了水射流鉆割沖孔防沖技術(shù)的有效可行性。