臨空寬煤柱超高壓水力割縫卸壓防沖技術(shù)研究

郝英豪,趙 乾,丁國利,黃振飛

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司葫蘆素煤礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017212; 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037; 3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

隨著煤礦開采深度不斷增加,沖擊地壓災(zāi)害日益凸顯,目前我國經(jīng)鑒定確認(rèn)的沖擊地壓礦井已達(dá)到132個(gè)。國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了廣泛研究,先后提出了強(qiáng)度理論[1-2]、剛度理論[3]、能量理論[4-5]、沖擊傾向性理論[6]及“三準(zhǔn)則”[7]、“三因素”[8]理論。隨著數(shù)值計(jì)算能力的提高與試驗(yàn)監(jiān)測設(shè)備的進(jìn)步,沖擊地壓發(fā)生的理論及預(yù)警也取得了顯著進(jìn)展。竇林名等[9]基于強(qiáng)度弱化的防沖理論,提出了通過降低煤巖體強(qiáng)度的方式減弱沖擊危險(xiǎn)性;潘俊鋒[10]將沖擊地壓類型重新歸納為集中靜載荷型和集中動載荷型,分析了沖擊發(fā)生的時(shí)空對應(yīng)關(guān)系,提出了統(tǒng)一沖擊地壓啟動理論;高明仕等[11]認(rèn)為強(qiáng)弱結(jié)合的力學(xué)模型能通過應(yīng)力轉(zhuǎn)移、能量耗散等方式影響巷道圍巖穩(wěn)定性,提出應(yīng)通過設(shè)置弱結(jié)構(gòu)、提高支護(hù)強(qiáng)度等措施來防范沖擊礦壓動力災(zāi)害;齊慶新等[12]認(rèn)為減小周期來壓步距能降低應(yīng)力峰值并使其遠(yuǎn)離煤壁,由此提出了深孔爆破斷頂防沖工藝技術(shù)。沖擊預(yù)警方面,姜福興等[13]分析了沖擊前兆信息的關(guān)聯(lián)性,提出了針對臨場預(yù)警、中期預(yù)警及遠(yuǎn)期預(yù)警的關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù);袁亮等[14]基于沖擊地壓的多相多場耦合災(zāi)變孕育演化機(jī)理,提出利用多源前兆信息挖掘方法實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的深度感知與精準(zhǔn)判識。

超高壓水力割縫技術(shù)利用噴嘴將高壓勢能轉(zhuǎn)換為射流的動能[15],通過對煤層切割預(yù)置縫槽,在地應(yīng)力作用下裂隙閉合,從而實(shí)現(xiàn)局部范圍內(nèi)的應(yīng)力卸壓,因此被引入沖擊地壓防治中[16]。楊增強(qiáng)[17]將強(qiáng)度弱化減沖理論應(yīng)用于割縫煤層應(yīng)力分析,認(rèn)為割縫產(chǎn)生的弱結(jié)構(gòu)區(qū)是防止沖擊地壓發(fā)生關(guān)鍵因素;毛瑞彪[18]、尹亮亮[19-20]等通過數(shù)值分析研究了割縫后煤層應(yīng)力分布規(guī)律,認(rèn)為割縫通過改變區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)實(shí)現(xiàn)割縫區(qū)域的局部卸壓;李超[21]、池明波[22]等通過電磁輻射、應(yīng)力及微震效果考察,認(rèn)為水力割縫能使煤巖應(yīng)力重分布,從而降低沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn);張嘯等[23]對不同射流參數(shù)切割效果進(jìn)行試驗(yàn)并同大直徑鉆孔的卸壓效率進(jìn)行對比,認(rèn)為水力割縫對設(shè)備要求較低,是效率更高的防沖工藝。

筆者提出應(yīng)用超高壓水力割縫技術(shù)進(jìn)行沖擊地壓防治,首先分析煤巖割縫的卸荷減載作用,研究割縫煤層的卸壓防沖機(jī)制,模擬割縫后臨空寬煤柱的應(yīng)力分布特征,最后在葫蘆素煤礦21105工作面進(jìn)行超高壓水力割縫卸壓技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用。

1 超高壓水力割縫卸壓防沖技術(shù)

1.1 射流切割深度

在高壓水射流切割煤層時(shí)有效靶距內(nèi)的環(huán)境阻力遠(yuǎn)低于射流攜帶的能量,因此將其近似認(rèn)為射流內(nèi)不同斷面的動量通量守恒:

(1)

式中:ρ為射流密度,kg/m3;u0為噴嘴處射流軸向速度,m/s;A0為噴嘴面積,m2;u為射流內(nèi)任一點(diǎn)軸向速度,m/s;dA為噴嘴面積微分,m2。

射流內(nèi)部由于流體黏性及慣性,不同斷面間射流軸向速度存在自模擬性,同時(shí)射流斷面半徑同噴距線性相關(guān),因此射流速度可由初始條件確定:

(2)

式中:p為射流壓力,Pa;h為射流噴距(切割深度),m;R為噴嘴半徑,m;r為到射流軸線的距離,m。

水射流循環(huán)沖擊產(chǎn)生的脈動壓力及水楔作用下煤體出現(xiàn)材料軟化,使已形成的裂紋再次擴(kuò)展最終從煤巖體中整體剝離,因此當(dāng)射流軸心處的沖擊力超過Mohr-Coulomb準(zhǔn)則定義的材料強(qiáng)度時(shí)可認(rèn)為射流能對煤體有效切割,此時(shí)射流對煤巖體的切割深度為:

(3)

式中:φ為煤體內(nèi)摩擦角,(°);τ為煤體的抗剪強(qiáng)度,Pa;C為煤體的黏聚力,Pa。

1.2 割縫煤層卸荷減載機(jī)制

割縫時(shí)通過改變切割壓力控制縫槽深度、沿鉆進(jìn)方向來回拖動鉆桿控制縫槽寬度的方式控制鉆孔割出煤量。鉆孔周邊煤體切割后由于承力的拱形結(jié)構(gòu)被破壞,在地應(yīng)力下切割縫隙將會逐漸閉合并引起割縫鉆孔附近煤體的相對變形,鉆孔割出煤量同割縫位置上方頂板沉降量間存在線性關(guān)系:

ΔH=Ksh

(4)

式中:ΔH為頂板沉降高度,m;K為沉降系數(shù);s為切割縫槽寬度,m。

當(dāng)割縫位置煤體頂板小幅度沉降后,割縫位置及其兩端煤體形成一個(gè)新的受力結(jié)構(gòu),此時(shí)受力狀態(tài)為塑性區(qū)頂板壓力Fw、割縫區(qū)頂板壓力Fs,以及未割縫區(qū)煤體頂板壓力Fc。割縫區(qū)域煤體受力模型如圖1所示。

圖1 割縫區(qū)域煤體受力模型

由于割縫形成的擾動導(dǎo)致的煤層頂板微小位移尚難以造成煤柱直接頂斷裂,此時(shí)約束條件為:

(5)

式中:ΔHw為塑性區(qū)頂板垂直位移,m;ΔHc為未割縫區(qū)頂板垂直位移,m;ΔHs為割縫區(qū)頂板垂直位移,m;Δθc為未割縫區(qū)頂板擾動角,(°)。

將頂板視為完整巖梁,應(yīng)用材料力學(xué)理論可求得,當(dāng)頂板沉降高度為ΔH時(shí)的割縫區(qū)域頂板壓力為:

(6)

式中:E為直接頂彈性模量,Pa;L為鉆孔割縫段長度,m;H為直接頂高度,m;l為割縫區(qū)域長度,m;q為頂板壓力,Pa。

割縫后的煤柱頂板應(yīng)力曲線如圖2所示。割縫區(qū)域的頂板壓力隨著上方頂板沉降高度的增加而降低,因此可以通過控制割縫壓力、割縫間距及鉆孔拖動距離等參數(shù)調(diào)整割縫鉆孔上方頂板沉降量,實(shí)現(xiàn)割縫范圍內(nèi)的煤巖體精準(zhǔn)卸壓。

圖2 割縫區(qū)域應(yīng)力轉(zhuǎn)移示意圖

1.3 煤層割縫卸壓防沖機(jī)制

井下采掘空間開挖后從煤體邊緣到深部依次會出現(xiàn)塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。對于采掘空間煤壁位置發(fā)生的黏滑型沖擊地壓,在煤巖體組合中只有彈性區(qū)范圍內(nèi)煤體具備積累大量彈性能的能力,為黏滑型沖擊提供沖擊動力,為主要沖擊蓄能空間;煤壁至塑性區(qū)邊界范圍內(nèi)煤巖體起到阻礙沖擊發(fā)生的作用,為沖擊屏障區(qū)。

對彈、塑性區(qū)交界處的單位寬度煤體進(jìn)行受力分析,如圖3所示。其中,單位寬度煤體一側(cè)水平應(yīng)力為σx,另一側(cè)由于位置的改變水平應(yīng)力則為σx+(?σx/?x)dx。

圖3 煤體受力分析

該段煤體失穩(wěn)時(shí)頂?shù)装遄枇τ伸o摩擦力突然降低為動摩擦力,因此必要條件為兩側(cè)水平應(yīng)力差超過頂?shù)装逅軌蛱峁┳畲竽Σ亮24]:

(7)

式中:M為煤層厚度,m;f0為煤層靜摩擦系數(shù);σy為垂直應(yīng)力,Pa。

以整個(gè)塑性區(qū)為分析對象,在塑性區(qū)及彈性區(qū)交界處取水平坐標(biāo)x=0,若彈性區(qū)積聚的高額彈性應(yīng)變能產(chǎn)生的水平應(yīng)力大于頂板壓力施加給沖擊屏障區(qū)的靜摩擦力時(shí)為沖擊地壓發(fā)生的臨界條件,此時(shí)的應(yīng)力平衡如下:

(8)

式中x0為巷道塑性區(qū)寬度,m。

巷道塑性區(qū)寬度取決于煤層賦存條件、煤巖力學(xué)特征及巷道支護(hù)參數(shù),結(jié)合黏滑型沖擊判定準(zhǔn)則,沖擊地壓的發(fā)生同塑性區(qū)構(gòu)成的沖擊屏障區(qū)的黏滯阻力相關(guān),塑性區(qū)寬度越大形成的沖擊屏障區(qū)的阻滯能力也越強(qiáng),沖擊發(fā)生的臨界條件越嚴(yán)苛。

超高壓水力割縫卸壓防沖機(jī)制如圖4所示。通過超高壓水力割縫技術(shù)對巷道塑性區(qū)外的煤體進(jìn)行切割,首先降低了采掘空間近場應(yīng)力峰值,令高應(yīng)力區(qū)遠(yuǎn)離采掘空間,削弱了近場沖擊地壓發(fā)生的動力來源;其次高壓射流切割后鉆孔周邊煤體產(chǎn)生的拉伸破壞及剪切破壞,增大了巷道塑性區(qū)的范圍,相當(dāng)于人為擴(kuò)展了沖擊屏障區(qū)的寬度,提高了黏滑型沖擊地壓的發(fā)生門檻;最后高壓切割時(shí)煤層注水導(dǎo)致的煤體顆粒間黏聚力、結(jié)構(gòu)面摩擦力降低,使煤巖體強(qiáng)度降低、脆性減小,全應(yīng)力—應(yīng)變曲線趨于平緩,物理性質(zhì)顯著變化,導(dǎo)致煤體沖擊傾向減弱甚至喪失。

圖4 超高壓水力割縫卸壓防沖機(jī)制

2 臨空煤柱割縫的數(shù)值分析

2.1 模型構(gòu)建

以葫蘆素煤礦工程地質(zhì)條件為背景,應(yīng)用FLAC3D軟件建立臨空寬煤柱割縫鉆孔圍巖應(yīng)力場計(jì)算模型。模型構(gòu)建采用不等分劃分單元,分析21105回風(fēng)巷兩側(cè)煤柱及實(shí)體煤應(yīng)力分布、變化情況,模型網(wǎng)格從上到下依次為老頂、直接頂、煤層和底板巖層,模型尺寸長×寬×高為145 m×80 m×70 m,模型網(wǎng)格數(shù)量127 820個(gè)。模型內(nèi)設(shè)計(jì)鉆孔半徑0.1 m、鉆孔長度20～25 m,割縫半徑1 m、間距2 m。臨空巷道割縫卸壓數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 臨空巷道割縫卸壓數(shù)值模型

模擬采用Mohr-Coulomb模型,材料屈服遵從莫爾—庫侖準(zhǔn)則;模型左右邊界限制x方向的位移,施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力;下部邊界限制z方向的位移;上部施加均布自重應(yīng)力14.5 MPa;煤層參數(shù)如下:體積模量1.7 GPa、切變模量0.8 GPa、黏聚力2.4 MPa、內(nèi)摩擦角26.9°、抗拉強(qiáng)度1.2 MPa、密度1 336 kg/m3。試驗(yàn)方案為模擬21105回風(fēng)巷臨空煤柱在不割縫、割縫范圍距巷道7～20 m、割縫范圍距巷道7～25 m時(shí)最大主應(yīng)力變化規(guī)律。

2.2 割縫煤層應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律

圖6～8為采取超高壓水力割縫措施卸壓后煤柱范圍內(nèi)最大主應(yīng)力云圖,最大主應(yīng)力變化曲線如圖9所示。未采取水力割縫措施時(shí)最大主應(yīng)力分布符合一般規(guī)律,此時(shí)煤柱作為主要承載結(jié)構(gòu)承受上覆巖層壓力,平均最大主應(yīng)力10～12 MPa,在靠近采空區(qū)5～10 m位置形成應(yīng)力增高區(qū),最大主應(yīng)力為14 MPa。

圖6 煤柱未割縫時(shí)最大主應(yīng)力云圖

圖7 割縫鉆孔深度20 m時(shí)最大主應(yīng)力云圖

圖8 割縫鉆孔深度25 m時(shí)最大主應(yīng)力云圖

圖9 最大主應(yīng)力變化曲線

實(shí)施超高壓水力割縫對煤柱進(jìn)行卸壓,臨采空區(qū)保留10 m煤柱時(shí),割縫區(qū)域應(yīng)力集中程度顯著降低,平均最大主應(yīng)力為6～7 MPa,靠近采空區(qū)一側(cè)區(qū)域應(yīng)力增高,應(yīng)力峰值達(dá)到16 MPa;臨采空區(qū)保留5 m煤柱時(shí),煤柱割縫區(qū)域應(yīng)力集中程度并未進(jìn)一步降低,平均最大主應(yīng)力6～7 MPa,靠近采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力增高區(qū)范圍更小,應(yīng)力峰值達(dá)到16 MPa。

采用超高壓水力割縫技術(shù)對煤巖體進(jìn)行切割卸壓,相同割縫參數(shù)下煤巖體卸壓程度基本一致,卸壓范圍取決于割縫范圍。煤巖體整體卸壓后高應(yīng)力區(qū)遠(yuǎn)離采掘空間,向未被切割破壞的深部煤巖體轉(zhuǎn)移,從而增大沖擊屏障區(qū)的范圍,有效預(yù)防沖擊地壓事故發(fā)生。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

臨空寬煤柱超高壓水力割縫卸壓防沖試驗(yàn)地點(diǎn)為葫蘆素煤礦21105回風(fēng)巷,2-1煤層采用綜合機(jī)械化開采,煤層平均厚度2.67 m、平均埋深636 m、密度1.31 g/cm3。試驗(yàn)煤層平均動態(tài)破壞時(shí)間45.6 ms、平均彈性能量指數(shù)20.76、平均沖擊能量指數(shù)10.03、平均單軸抗壓強(qiáng)度28.52 MPa,煤層沖擊傾向性屬于Ⅲ類,具有強(qiáng)沖擊傾向性。煤層頂、底板巖層的彎曲能量指數(shù)分別為43.37 kJ和69.51 kJ,沖擊傾向性均屬于Ⅱ類,為弱沖擊傾向性巖層。

3.2 試驗(yàn)方案

超高壓水力割縫卸壓試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)間距3 m,深度25 m,傾角0°～3°,鉆孔總數(shù)為333個(gè)。鉆孔施工后自孔底開始割縫,每刀割縫間距2 m,割縫自25 m位置起至距離孔口7 m位置結(jié)束,割縫壓力100 MPa、割縫時(shí)間15 min。試驗(yàn)鉆孔布置如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)鉆孔布置示意圖

3.3 試驗(yàn)效果考察

1)微震數(shù)據(jù)考察

21105工作面采用ARAMIS-ME微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測工作面范圍內(nèi)微震事件,探頭布置原則為運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷各布置2個(gè),探頭交錯(cuò)布置且隨工作面的推進(jìn)不斷調(diào)整。

葫蘆素煤礦21105工作面開采強(qiáng)度較大,因此數(shù)據(jù)收集時(shí)只考察100 J以上微震事件。根據(jù)ARAMIS-ME微震監(jiān)測系統(tǒng)考察數(shù)據(jù),相鄰對比區(qū)域平均微震事件能量113 J、工作面單位進(jìn)度平均能量180 J/m,9 324 m割縫試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)平均微震事件能量86 J、工作面單位進(jìn)度平均能量142 J/m,分別降低23.89%、21.11%。

2)應(yīng)力數(shù)據(jù)考察

21105工作面應(yīng)力計(jì)超前300 m安裝,正常區(qū)域應(yīng)力計(jì)安裝組間距30 m,強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)20 m;每組安裝2個(gè)應(yīng)力計(jì),分別位于煤柱內(nèi)9、15 m位置,如圖11所示。應(yīng)力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖11 應(yīng)力計(jì)安裝示意圖

結(jié)合應(yīng)力計(jì)每小時(shí)自動收集數(shù)據(jù)及該時(shí)刻工作面的位置,在測點(diǎn)位于工作面超前壓力范圍以外時(shí),未割縫區(qū)域淺基點(diǎn)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)平均值為4.77 MPa、深基點(diǎn)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)平均值為4.70 MPa;割縫區(qū)域淺基點(diǎn)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)平均值為3.64 MPa、深基點(diǎn)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)平均值為3.70 MPa,分別較未采取措施區(qū)域降低23.68%、21.28%。在測點(diǎn)位于工作面超前壓力范圍時(shí),未割縫區(qū)域淺基點(diǎn)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)平均值為7.80 MPa、深基點(diǎn)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)平均值為7.83 MPa;割縫區(qū)域淺基點(diǎn)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)平均值為6.27 MPa、深基點(diǎn)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)平均值為6.36 MPa,分別較未采取措施區(qū)域降低19.61%、18.77%。

3)鉆屑量考察

21105工作面試驗(yàn)區(qū)域及相鄰對比區(qū)域每間隔200 m施工3個(gè)鉆屑量考察鉆孔,孔徑42 mm、孔深20 m、開孔高度1.5 m。割縫及相鄰對比區(qū)域平均鉆屑量如圖13所示。

圖13 鉆屑量對比

在未割縫區(qū)域,對比段及割縫段鉆孔平均鉆屑量基本一致,進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)后對比段平均鉆屑量4.27 kg/m、割縫段平均鉆屑量3.06 kg/m,采用割縫措施卸壓后鉆孔鉆屑量降低28.33%。

4 結(jié)束語

1)控制超高壓水射流切割參數(shù)能精準(zhǔn)控制煤柱內(nèi)頂板沉降量及范圍,有效緩解煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象,降低采掘空間附近積聚的彈性能,減弱沖擊動力來源。

2)通過工程背景下數(shù)值模擬,煤柱割縫后應(yīng)力重新分布,高應(yīng)力區(qū)向深部煤巖體轉(zhuǎn)移,顯著增大巷道塑性屏障區(qū)范圍,降低沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn)。

3)葫蘆素煤礦21105工作面回風(fēng)巷開展割縫防沖技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用,割縫試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)微震事件能量、應(yīng)力水平及鉆屑量均得到顯著降低,表明割縫卸壓技術(shù)能有效防治工作面沖擊地壓,豐富了高強(qiáng)度開采礦井災(zāi)害治理技術(shù)手段。