冲击地压煤层防冲方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别是一种冲击地压煤层防冲方法。

背景技术

冲击地压是我国煤矿进入深部高强度开采所面临的严重灾害之一，深部及高强度是我国今后煤炭开采的特点，由近年来我国灾害发生趋势及其影响程度来看，冲击地压灾害已跃居我国煤矿灾害首位，严重威胁了工人身心健康、企业安全生产以及社会和谐稳定。

煤矿井下巷道是保障人员安全、顺利生产的重要通道，冲击地压发生往往伴随支护破坏，巷道断面急剧收缩，难以保障人员安全生产。针对冲击地压煤层卸压主要是大直径钻孔以及爆破，实践表明，针对坚硬煤层，煤层大直径钻孔往往不能及时塌孔，形成塑性区范围较小，卸压程度低，难以达到卸压的目的。而煤层爆破工序复杂，影响井下作业空间中其他作业进行，参数不合理时也往往会导致支护体破坏、诱发冲击等现象，加剧施工人员的危险程度。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的冲击地压煤层防冲方法，能够同时实现围岩深部卸压和浅部加固的共同作用，既可以有效降低主承载区支承压力，大幅减弱基础静载荷集聚程度，并降低能量传播力，又能使得注浆加固范围大幅增加，改善巷道支护效果，显著提高浅部围岩加固程度及支护体抗冲击能力。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种冲击地压煤层防冲方法，包括：

在煤层巷道的冲击危险区域中划分靠近围岩深部的空洞卸压区和靠近围岩浅部的密实加固区；

在所述空洞卸压区中沿围岩深部向巷道的方向多次间隔切割煤体形成多个第一缝槽空洞；

在所述密实加固区中沿围岩浅部向巷道的方向多次间隔切割煤体形成第二缝槽空洞，且向各第二缝槽空洞中喷射高压浆体，利用所述高压浆体填充所述第二缝槽空洞并渗透至所述第二缝槽空洞外的煤体裂隙。

可选地，所述第一缝槽空洞和所述第二缝槽空洞均为圆形缝槽空洞；

其中，所述第一缝槽空洞和所述第二缝槽空洞具有相同圆形半径或不同圆形半径。

可选地，在所述空洞卸压区中沿围岩深部向巷道的方向多次间隔切割煤体形成多个第一缝槽空洞，包括：

将射流器钻进至所述空洞卸压区的预设深度；

通过所述射流器喷射高压水以喷射切割煤体形成第一缝槽空洞；

将所述射流器向巷道方向逐次移动多个第一预设距离直到所述射流器靠近所述围岩浅部，并在每次移动一个第一预设距离后通过所述射流器喷射高压水以喷射切割煤体形成所述第一缝槽空洞。

可选地，在所述密实加固区中沿围岩浅部向巷道的方向多次间隔切割煤体形成第二缝槽空洞，且向各第二缝槽空洞中喷射高压浆体，利用所述高压浆体填充所述第二缝槽空洞并渗透至所述第二缝槽空洞外的煤体裂隙，包括：

将射流器移动至所述密实加固区的指定深度；

通过所述射流器喷射高压水以喷射切割煤体形成第二缝槽空洞，向所述第二缝槽空洞中喷射高压浆体，利用所述高压浆体填充所述第二缝槽空洞并渗透至所述第二缝槽空洞外的煤体裂隙；

将所述射流器向巷道方向逐次移动多个第二预设距离直到所述射流器达到巷道表面，并在每次移动一个第二预设距离后通过所述射流器喷射高压水以喷射切割煤体形成所述第二缝槽空洞，向所述第二缝槽空洞中喷射高压浆体，利用所述高压浆体填充所述第二缝槽空洞并渗透至所述第二缝槽空洞外的煤体裂隙。

可选地，在所述密实加固区中沿围岩深部向巷道的方向多次间隔切割煤体形成第二缝槽空洞，并向各第二缝槽空洞中喷射浆体，利用所述高压浆体填充所述第二缝槽空洞并渗透至所述第二缝槽空洞外的煤体裂隙，包括：

将射流器移动至所述密实加固区的指定深度；

通过所述射流器喷射高压浆体以喷射切割煤体形成第二缝槽空洞，并在形成第二缝槽空洞的过程中令所述高压浆体与所述第二缝槽空洞中的部分煤粉混合，继续通过所述射流器喷射高压浆体使高压浆体向所述第二缝槽空洞外的煤体裂隙渗透；

将所述射流器向巷道方向逐次移动多个第二预设距离直到所述射流器达到巷道表面，在每次移动一个第二预设距离后通过所述射流器喷射高压浆体以喷射切割煤体形成第二缝槽空洞，并在形成第二缝槽空洞的过程中令所述高压浆体与所述第二缝槽空洞中的部分煤粉混合，继续通过所述射流器喷射高压浆体以使高压浆体向所述第二缝槽空洞外的煤体裂隙渗透。

可选地，所述射流器采用双对称喷嘴射流器。

可选地，在煤层巷道的冲击危险区域中划分靠近围岩深部的空洞卸压区和靠近围岩浅部的密实加固区之前，还包括：

通过综合指数法分析冲击地压的影响因素，依据所述影响因素通过多因素耦合法划分巷道冲击危险区域；和/或

通过震波CT设备获取煤层探测区域内介质的波速异常变化参数，依据所述波速异常变化参数与煤体应力的相关性确定煤体应力集中程度，依据所述煤体应力集中程度划分巷道冲击危险区域。

本发明实施例在煤层巷道的冲击危险区域中划分靠近围岩深部的空洞卸压区和靠近围岩浅部的密实加固区，通过在靠近围岩深部的空洞卸压区开展煤体切割，使得高支承压力向煤体深部转移，降低主承载区的应力集中程度，增加主承载区宽度，发挥潜在承载区(原岩应力区)的承载能力。并且，通过在靠近围岩浅部的密实加固区开展煤体切割并注入高压浆体，先破坏煤体后再加固煤体，从而利用浆体实现高强且完整地置换松软、破碎煤体。本发明实施例同时实现了围岩深部卸压和浅部加固共同作用，一方面有效降低了主承载区支承压力，大幅减弱了基础静载荷集聚程度，并降低了能量传播力，另一方面使得注浆加固范围大幅增加，改善了巷道支护效果，显著提高了浅部围岩加固程度及支护体抗冲击能力，通过卸压、加固两方面共同作用，显著降低了冲击地压危险程度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出根据本发明一实施例的冲击地压煤层防冲方法的流程示意图；

图2示出根据本发明一实施例的煤层巷道中卸压-加固耦合防冲示意图；

图3a示出根据本发明一实施例的空洞卸压区与密实加固区的结构示意图；

图3b示出图3a中的Ⅰ-Ⅰ方向的空洞卸压区的剖面结构示意图；

图3c示出图3a中Ⅱ-Ⅱ方向的的密实加固区的剖面结构示意图；

图4示出现有巷道支承压力分布情况与本发明实施例卸压加固后的巷道支承压力分布情况对比示意图；

图中：1：深部冲击地压巷道；2：第一缝槽空洞；2’：第二缝槽空洞；3：浆体置换固结体；4：浆体扩散固结体；5：钻孔；6：空洞卸压区；7：密实加固区；8：第一支承压力曲线；9：第二支承压力曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种冲击地压煤层防冲方法，图1示出了根据本发明一实施例的冲击地压煤层防冲方法的流程示意图。参见图1，该方法包括步骤S102至步骤S106。

步骤S102，在煤层巷道的冲击危险区域中划分靠近围岩深部的空洞卸压区和靠近围岩浅部的密实加固区。

步骤S104，在空洞卸压区中沿围岩深部向巷道的方向多次间隔切割煤体形成多个第一缝槽空洞。

步骤S106，在密实加固区中沿围岩浅部向巷道的方向多次间隔切割煤体形成第二缝槽空洞，且向各第二缝槽空洞中喷射高压浆体，利用高压浆体填充第二缝槽空洞并渗透至第二缝槽空洞外的煤体裂隙。

本发明实施例在煤层巷道的冲击危险区域中划分靠近围岩深部的空洞卸压区和靠近围岩浅部的密实加固区，通过在靠近围岩深部的空洞卸压区开展煤体切割，使得高支承压力向煤体深部转移，降低主承载区的应力集中程度，增加主承载区宽度，发挥潜在承载区(原岩应力区)的承载能力。并且，通过在靠近围岩浅部的密实加固区开展煤体切割并注入高压浆体，先破坏煤体后再加固煤体，从而利用浆体实现高强且完整地置换松软、破碎煤体。本发明实施例同时实现了围岩深部卸压和浅部加固共同作用，一方面有效降低了主承载区支承压力，大幅减弱了基础静载荷集聚程度，并降低了能量传播力，另一方面使得注浆加固范围大幅增加，改善了巷道支护效果，显著提高了浅部围岩加固程度及支护体抗冲击能力，通过卸压、加固两方面共同作用，显著降低了冲击地压危险程度。

在本发明一实施例中，第一缝槽空洞和第二缝槽空洞均可以为圆形缝槽空洞。并且，其中，第一缝槽空洞和第二缝槽空洞可具有相同圆形半径或不同圆形半径。当然，第一缝槽空洞和第二缝槽空洞还可以是椭圆形缝槽空洞，也可以是第一缝槽空洞和第二缝槽空洞的形状不同，本发明实施例对第一缝槽空洞和第二缝槽空洞的形状不作具体限定。

参见图2-3c和上文步骤S102，在本发明一实施例中，在空洞卸压区6中沿围岩深部向巷道的方向多次间隔切割煤体形成多个第一缝槽空洞2的具体过程可以包含如下内容。

首先，将射流器(图中未示出)钻进至空洞卸压区6的预设深度。

本发明实施例的射流器可以采用双对称喷嘴射流器，双对称喷嘴射流器具有双对称喷嘴。另外，本发明实施例可以利用钻机的钻头带动双对称喷嘴射流器钻进至围岩深部空洞卸压区6中的预设深度。例如，钻机通过钻头带动双对称喷嘴射流器钻进至围岩深部25m。

然后，通过射流器喷射高压水以喷射切割煤体形成第一缝槽空洞2。

该实施例可以先将射流压力调至设定值，然后高压水通过射流器的喷嘴喷射煤体，从而使得高压水喷射切割煤体形成第一缝槽空洞2。射流压力的设定值可以是60MPa，当然，还可以是其他数值，此处不作具体限定。

在射流器喷射切割煤体的过程中，钻杆旋转带动射流器旋转并喷射高压清水，以射流切割煤体形成较大的圆形缝槽空洞，从而实现围岩深部的卸压。

最后，将射流器向巷道方向逐次移动多个第一预设距离直到射流器靠近围岩浅部，并在每次移动一个第一预设距离后通过射流器喷射高压水以喷射切割煤体形成第一缝槽空洞2。

该实施例中，先将射流器向巷道方向移动第一个第一预设距离后，通过射流器喷射高压水以喷射切割煤体，从而在第一个第一预设距离位置处形成第一缝槽空洞2，然后再将射流器向巷道方向移动第二个第一预设距离，通过射流器喷射高压水以喷射切割煤体，从而在第二个第一预设距离位置处形成第一缝槽空洞2，依次类推，射流器进行定点后退式切缝卸压直到射流器靠近围岩浅部。

例如，第一预设距离为5m，那么射流器向巷道方向每次移动5m后开始切割煤体得到第一缝槽空洞2，由此，在空洞卸压区6中每隔5m的位置有一个第一缝槽空洞2。

参见图2-3c和上文步骤S102，在本发明一实施例中，在靠近围岩浅部的密实加固区7开展煤体切割并注入高压浆体的过程中，可以采用切割煤体与加固煤体分步进行的方式，也可以采用切割煤体与加固煤体同步进行的方式，下面对这两种方式分别进行介绍。

切割煤体与加固煤体分步进行的过程如下。

步骤1.1，将射流器移动至密实加固区7的指定深度。

在该实施例中，射流器喷射切割围岩深部的煤体后移动至靠近围岩浅部的位置，进而，射流器继续后退一定距离达到密实加固区7的指定深度，这里的指定深度指的是密实加固区7距离巷道的深度。例如，指定深度为5m，那么射流器移动至距离巷道表面5m的位置。

因此，本发明实施例可以在不撤出钻杆的基础上，继续采用同一射流器在密实加固区7开展喷射切割煤体操作。

步骤1.2，通过射流器喷射高压水以喷射切割煤体形成第二缝槽空洞2’，向第二缝槽空洞2’中喷射高压浆体，利用高压浆体填充第二缝槽空洞2’并渗透至第二缝槽空洞2’外的煤体裂隙。

在该步骤中，射流器通过喷射高压水喷射切割煤体形成第二缝槽空洞2’后，可更换辫头，将射流器接入高压浆体供给装置。然后将射流压力调至设定高压状态，例如将射流压力调至40MPa，从而将高压浆体通过同一射流器的双对称喷嘴喷射至第二缝槽空洞2’，并使高压浆体充满整个第二缝槽空洞2’，该区域浆体固结前，保持射流压力处于高压状态，继续喷射高压浆体，能够更大程度向纵深处的煤体裂隙扩散渗透浆体，即浆体向浆体置换固结体3外的煤体裂隙扩散渗透以形成浆体扩散固结体4，进一步达到加固巷道浅部围岩的目的，该区域浆体固结后，高压浆体在第二缝槽空洞2’中形成浆体置换固结体3，实现高强、完整的浆体置换松软、破碎的煤体。高压状态持续一段时间后，可及时用清水清洗射流器的管路，防止浆体凝固堵塞管路。

步骤1.3，将射流器向巷道方向逐次移动多个第二预设距离直到射流器达到巷道表面，并在每次移动一个第二预设距离后通过射流器喷射高压水以喷射切割煤体形成第二缝槽空洞2’，向第二缝槽空洞2’中喷射高压浆体，利用高压浆体填充第二缝槽空洞2’并渗透至第二缝槽空洞2’外的煤体裂隙。

在该步骤中，先将射流器向巷道方向移动第一个第二预设距离后，通过射流器喷射高压水以喷射切割煤体，从而在第一个第二预设距离位置处形成第二缝槽空洞2’。然后向第二缝槽空洞2’中喷射高压浆体，使高压浆体充满整个第二缝槽空洞2’，置换煤体之后，高压浆体在第二缝槽空洞2’中形成浆体置换固结体3。继续喷射高压浆体，使得第二缝槽空洞2’中的浆体范围更大，且能够更大程度向置换区域外的煤体裂隙扩散渗透浆体，即浆体向浆体置换固结体3外的煤体裂隙扩散渗透以形成浆体扩散固结体4。再将射流器向巷道方向移动第二个第二预设距离，并继续切割第二缝槽空洞2’，向第二缝槽空洞2’中喷射高压浆体形成浆体置换固结体3，并使浆体渗透至第二缝槽空洞2’外的煤体裂隙形成浆体扩散固结体4。射流器切割、加固煤体的具体过程可参见步骤1.2的内容。依次类推，射流器进行定点后退式注浆加固直到射流器靠近巷道表面。

该实施例中，例如第二预设距离为1m，那么射流器向巷道方向每次移动1m后开始切割煤体得到第二缝槽空洞2’，由此，在密实加固区7中每隔1m的位置有一个第二缝槽空洞2’。

该实施例为了提高射流器在密实加固区7开展喷射切割煤体操作的效率，在每次切割煤体形成第二缝槽空洞2’后，便向本次切割后的第二缝槽空洞2’中喷射高压浆体。当然，本发明实施例还可以是在多次间隔切割煤体形成多个第二缝槽空洞2’之后，分别在各个第二缝槽空洞2’中喷射高压浆体，本发明实施例对此不作具体限定。

切割煤体与加固煤体同步进行的过程如下。

步骤2.1，将射流器移动至密实加固区7的指定深度。

该步骤的具体介绍可以参见上文步骤1.1记载的内容。

步骤2.2，通过射流器喷射高压浆体以喷射切割煤体形成第二缝槽空洞2’，并在形成第二缝槽空洞2’的过程中令高压浆体与第二缝槽空洞2’中的部分煤粉混合，继续通过射流器喷射高压浆体使高压浆体向第二缝槽空洞2’外的煤体裂隙渗透。

在该步骤中，在将射流器移动至密实加固区7的指定深度之后，可先更换水辫头至浆体辫头，并将射流器接入高压浆体供给装置。然后将射流压力调至设定的高压状态，高压浆体通过同一射流器的双对称喷嘴喷射煤体，一方面切割煤体形成第二缝槽空洞2’，另一方面冲蚀煤体，使得高压浆体与部分煤粉混合，并使高压浆体充满整个第二缝槽空洞2’，该区域浆体固结前，保持射流压力处于高压状态，继续喷射高压浆体，能够更大程度向纵深处的煤体裂隙扩散渗透浆体，即浆体向浆体置换固结体3外的煤体裂隙扩散渗透以形成浆体扩散固结体4，进一步达到加固巷道浅部围岩的目的，该区域浆体固结后，高压浆体在第二缝槽空洞2’中形成浆体置换固结体3，实现高强、完整的浆体置换松软、破碎的煤体。高压状态持续一段时间后，可及时用清水清洗射流器的管路，防止浆体凝固堵塞管路。

该实施例中，射流器喷射高压浆体来喷射切割煤体的过程中逐步切割出第二缝槽空洞2’，而在第二缝槽空洞2’逐步形成的过程中喷射的高压浆体会与第二缝槽空洞2’中的部分煤粉混合，从而可以达到切割煤体与加固煤体同步进行的效果。

步骤2.3，将射流器向巷道方向逐次移动多个第二预设距离直到射流器达到巷道表面，在每次移动一个第二预设距离后通过射流器喷射高压浆体以喷射切割煤体形成第二缝槽空洞2’，并在形成第二缝槽空洞2’的过程中令高压浆体与第二缝槽空洞2’中的部分煤粉混合，继续通过射流器喷射高压浆体以使高压浆体向第二缝槽空洞2’外的煤体裂隙渗透。

在该步骤中，先将射流器向巷道方向移动第一个第二预设距离后，通过射流器喷射高压浆体以喷射切割煤体形成第二缝槽空洞2’，并使高压浆体与第二缝槽空洞2’中的部分煤粉混合形成浆体置换固结体3，继续通过射流器喷射高压浆体以使高压浆体向浆体置换固结体3外的煤体裂隙渗透，形成浆体扩散固结体4。再将射流器向巷道方向移动第二个第二预设距离，继续利用高压浆体喷射切割煤体，使高压浆体与第二缝槽空洞2’中的部分煤粉混合形成浆体置换固结体3，并向形成的浆体置换固结体3外的煤体裂隙渗透形成浆体扩散固结体4。射流器切割、加固煤体的具体过程可参见步骤2.2的内容。依次类推，射流器进行定点后退式注浆加固直到射流器靠近巷道表面。

在本发明实施例中，为了避免喷射高压水和喷射高压浆体的过程更换射流器，本发明实施例可选择同样适合喷射清水及喷射浆体的射流器，以使射流器的喷嘴结构、喷嘴直径、连接的钻杆转速、喷射压力及喷射排量等均可以保障能够实现喷射清水及喷射浆体的效果和能力。并且，射流器从煤体巷道1的围岩经过密实加固区7钻进至空洞卸压区6的过程中，会在煤层中形成一个长的钻孔5，该钻孔5贯通空洞卸压区6、密实加固区7和煤体巷道1。

由此，本发明实施例可通过同一高压喷射装置，实现“钻孔-高压水喷射切缝卸压-高压浆体喷射注浆加固”的一体化，完成围岩深部区的切缝卸压后，在不撤出全部钻杆的基础上，进行围岩浅部区的注浆加固，实现过程简单且高效，能同时达到卸压-加固防冲的两种作用。高压水喷射的人工缝槽空洞，在不损伤支护的前提下，形成的塑性区范围大，卸压程度高，更有利于集中应力向围岩纵深转移，并提供较大的能量释放和吸收空间，具有更好的吸能作用。

现有煤体注浆技术是依靠浆体向煤体内渗透，对煤体内裂隙进行填充，沿着煤体裂隙注浆存在注浆半径小及加固范围受限的问题。本发明实施例通过高压浆体喷射破坏煤体并置换煤体，钻孔5附近的松软、破碎的煤体可被高强、完整的浆体替代，并有利于浆液向更远处扩散，置换后的浆体固结体强度更高，完整性更好，并且浆体扩散范围更大，注浆加固范围大幅增加，改善了巷道支护效果，显著提高了浅部围岩加固程度及支护体抗冲击能力，通过卸压-加固两方面作用，显著降低冲击地压危险程度。

本发明实施例可以在煤层巷道1的两个侧煤壁上同时开展卸压-加固过程，以提高媒体的卸压-加固的效率。

在本发明一实施例中，在煤层巷道1的冲击危险区域中划分靠近围岩深部的空洞卸压区6和靠近围岩浅部的密实加固区7之前，还需要先进行巷道冲击危险区域的划分操作，即对冲击地压矿井煤层巷道1在掘进期间或回采期间的冲击危险性进行评价，以划分巷道冲击危险区域。具体巷道冲击危险区域的划分方式可以包含如下两种。

第一种，首先，通过综合指数法分析冲击地压的影响因素，然后依据影响因素通过多因素耦合法划分巷道冲击危险区域。

该实施例中，冲击地压的影响因素包括地质条件因素、开采条件因素等。

依据影响因素通过多因素耦合法划分巷道冲击危险区域的具体过程可以包含如下内容。首先，依据单一影响因素确定相应的影响区。然后，将各个影响区叠加至一张巷道布置图上。最后，根据同一区域的影响因素个数确定巷道不同区域的冲击危险程度。冲击危险程度可以划分为无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险和强冲击危险四个等级。其中，弱冲击危险等级、中等冲击危险等级和强冲击危险等级对应的巷道区域具有冲击危险性，可将对应巷道区域划分为巷道冲击危险区域。

第二种，通过震波CT设备获取煤层探测区域内介质的波速异常变化参数，依据波速异常变化参数与煤体应力的相关性确定煤体应力集中程度，依据煤体应力集中程度划分巷道冲击危险区域。在该实施例中，波速异常变化参数可以包含波速大小和波速梯度中的至少一项参数。

当然还可以结合方式一和方式二划分巷道冲击危险区域，本发明实施例对此不作具体限定。

本发明实施例在划分巷道冲击危险区域之后，可进一步划分靠近围岩深部的空洞卸压区6和靠近围岩浅部的密实加固区7，空洞卸压区6和与密实加固区7可以相邻。进而在后续对靠近围岩深部的空洞卸压区6开展高压水射流切缝卸压操作，并对靠近围岩浅部的密实加固区7开展高压喷射注浆加固操作。

本发明实施例通过对巷道围岩分区采取卸压-加固措施，在围岩深部形成空洞卸压区6，在围岩浅部形成密实加固区7，空洞卸压区6的存在降低了围岩应力集中水平，相对于现有的主承载区承受的支承压力(如图4中所示的第一支承压力曲线8)，高支承压力向围岩纵深处转移(如图4中所示的第二支承压力曲线9)以充分发挥深部煤岩体的承载作用，使得巷道处于低应力状态。密实加固区7的存在提高了巷道支护水平，增强了巷道抗冲击能力，改善了巷道围岩破碎程度。从卸压、支护两个方面降低了巷道冲击危险。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明的保护范围。