[发明专利]基于压裂圈的强地压巷道应力转移方法

说明书

一种基于压裂圈的强地压巷道应力转移方法，根据巷道应力源施工钻孔进行压裂，在围岩内形成一圈人为弱化带，即“压裂圈”，通过卸荷、应力阻断和让压作用使巷道围岩高应力转移，并利用增加的弱结构区吸收冲击能量，控制荷载对巷道围岩变形的影响。压裂圈是具有一定宽度的弱化带，内边界称为保护圆，带宽较小的压裂圈称为切阻断圆和切阻断弧。保护圆半径一般在支护体的边缘留设一定宽度的安全煤岩柱屏障来确定；压裂圈的宽度根据围岩结构、地应力条件和施工工艺情况确定，地应力越大，压裂圈的宽度就越大。切阻断圆和切阻断弧切断传播应力的所有目标岩层；坚硬悬顶的切阻断弧接近或者是煤柱的塑性区和破坏区的交界线。

技术领域

本发明涉及一种强地压巷道压裂应力转移方法，能够在巷道围岩内形成一圈人为弱结构区，即“压裂圈”，通过卸荷、应力阻断、让压作用主动将巷道围岩富集的高应力转移至远离巷道的安全区域，使得巷道围岩应力减弱至较低的可控的水平，并利用增加的人为弱化带吸收冲击能量，控制荷载对巷道围岩变形的影响。

背景技术

巷道围岩失稳原因从产生机理上主要分为以下三方面：

①高地应力环境

越来越多的煤矿进入深部开采，千米深井开采逐渐成为常态；靠近地质构造带的巷道，地应力集中程度高，围岩完整性差都会造成巷道地应力水平整体或局部升高，并由此带来强地压现象。

②开采扰动

人为采掘布置形成的孤岛和半孤岛(一侧采空)工作面，或者为了使要回采的高瓦斯工作面进行长时间的瓦斯逸散，形成的长时间留设未采的孤岛工作面；近距离煤层群开采过程中上部开采完毕后残存的保护煤柱使下部煤层应力升高。

巷道在维护过程中，受本工作面、相邻工作面、上部工作面或急倾斜煤层中的下部工作面影响，引起动载和静载叠加，应力集中程度增加，增加了巷道强地压和失稳破坏的速率；当巷道在掘进过程中，自身的巷道围岩存在围岩扰动，再加上临近工作面和周边工作面回采动压的影响，顶板活动进一步加剧，巷道的强地压现象会更加强烈。

③围岩的力学特性

巷道围岩的力学特性对巷道的稳定性具有重要作用。对于金属矿山和非金属矿山，采空区坚硬顶板往往会大面积悬而不断，将其自重及承载的上覆岩层的重量转移至煤柱及巷道顶板，煤柱和巷道上方载荷增加；其次，坚硬顶板由于强度高，弹性模量强等特点，是良好的弹性能量储存体，为强地压提供了能量储备；再者，开采所面对的多是沉积岩层，坚硬顶板的整体性能好，刚度大，变形量小，能将高应力远距离传递到顶板下方的高承载区域，是高应力传播的良好通道和载体，为巷道临近工作面的应力扰动提供了条件。

在金属矿山和煤矿井下，对于具有冲击倾向性的煤岩，当应力集中到一定程度，达到临界失稳强度就会形成冲击地压。对与具有煤与瓦斯突出倾向性的煤层，当地应力达到突出临界值时也会形成突出。目前，煤巷占煤矿巷道总长的80％以上，其中顺槽巷道基本为全煤巷，煤巷在掘进和回采期间受煤与瓦斯突出影响严重。

强地压和煤岩动力灾害是制约巷道围岩控制的技术难题，但其核心共性问题是煤岩的力学特性和地应力的状态。大量研究表明，强地压和煤岩动力灾害的发生与地应力环境有着紧密的联系，降低围岩的应力可有效减小围岩变形和动力灾害发生的概率和剧烈程度，因此，为控制巷道围岩，关键是控制巷道围岩的应力环境。对巷道围岩压裂可形成水压裂缝，有效改变和降低围岩的应力状态，因此，对于深部矿井、有大变形和动力灾害的巷道，采用巷道围岩压裂的方法可有效控制强地压。