1.一种临空巷道坚硬顶板水力造穴弱化防冲方法,其特征在于,具体包括以下步骤:Step1,获取矿井资料数据、并进行现场取样,制备标准试样进行实验,获取不同区域巷道周围的煤体和围岩的基础力学参数数据以及最优水力破岩技术参数;Step2,根据Step1的数据构建回采工作面-巷道-煤柱-相邻采空区的受载变形三维数值模型,模拟得到工作面回采过程不同区域巷道的围岩应力值;利用矿井现场的顶板周期断裂垮落、煤层采动应力数据监测结果对数值模型计算得到的模拟结果进行验证与参数优化;利用优化后的数值模拟计算得到静载高、应力集中系数大的巷道区域和相邻采空区的顶板破断区域,识别其中具有冲击地压危险的巷道区间,确定目标区域巷道;Step3,根据现场微震监测结果,获取远场动载值与动载源的位置,设定能够满足巷道防冲要求的水力造穴弱化防冲条件;水力造穴需满足如下条件:式中:U t 为动静载综合作用下巷道围岩的总能量;E为巷道围岩的弹性模量;σ s 和σ d 分别为作用在巷道围岩上的静载荷和动载荷;σ l 为能够使得巷道发生冲击地压的动静载临界值;巷道围岩的初始静载荷σ 0s 与动载荷σ 0d 满足如下条件:式中:H n 为不同埋深煤岩层的垂直高度;ρ n 为不同煤岩层的密度;g为重力加速度;M为垮落岩层的质量;v为岩层的垮落速度;A为冲击作用面积;λ为岩层的拉梅常数;w为冲击载荷的应力波频率;其中:式中:c为岩层的竖向阻尼系数;k为岩层的竖向弹簧系数;G为岩层的剪切模量;u为岩层的泊松比;r为垮落岩体的等效半径;当巷道围岩中存在水力造穴时,静载荷σ s 与动载荷σ d 均会发生不同的衰减,且衰减后的值满足如下条件:式中:r 0 为空穴半径;r x 为围岩位置与空穴中心的距离;C为应力波衰减系数;x 0 为空穴与动载源的间距;x为围岩与动载源的间距;弱化后的动静载荷应满足小于冲击地压发生的临界应力σ l ,临界应力σ l 表示如下:式中:K为冲击能指数,由煤岩试样单轴压缩的应力-应变曲线确定;σ c 为试样的单轴压缩强度;p 0 为巷道围岩的支护强度;应力波的传播速度v w 如下条件:v w =[(λ+2G)/ρ] 1/2 ;Step4,基于Step2的受载变形三维数值模型以及Step3的水力造穴弱化防冲条件,在数值模型中针对目标区域巷道进行模拟水力造穴形成空穴,确定能够满足巷道防冲要求的包括水力造穴方位、距离、尺寸和数量的水力造穴技术参数;Step5,依据Step4获得的水力造穴技术参数,在目标区域巷道空间内布置钻机施工钻孔,并在钻孔底部利用经钻杆端部的射流喷嘴喷出、沿钻杆径向喷射的高压水射流冲击破碎岩石,形成柱形的空穴,依次类推,完成所有空穴的水力造穴开设;Step6,根据现场监测目标区域巷道围岩的区域性和实时性监测结果,判断水力造穴前后目标巷道围岩的冲击地压危险性,对水力造穴的防冲效果进行评估与验证,针对防冲效果未满足Step3水力造穴弱化防冲条件的区域,重复Step4、对Step4中获得的水力造穴技术参数进行调整,依据调整优化后的水力造穴技术参数再次进行Step5的水力造穴施工作业,直至防冲效果满足Step3水力造穴弱化防冲条件。
2.根据权利要求1所述的临空巷道坚硬顶板水力造穴弱化防冲方法,其特征在于,Step2中构建回采工作面-巷道-煤柱-相邻采空区的受载变形三维数值模型时,将工作面、巷道和采空区围岩的基础力学参数数据导入模型,确定模型的边界条件和初始条件;然后选择符合实际巷道围岩的材料模型,根据材料力学理论分析结构竖直应力的分布情况,获得顶板弹性能密度高的区域;然后对模型进行合理的网格划分,在弹性能密度高的区域网格加密、优化关键区域的网格密度;然后设置合适的加载条件和边界条件,进行目标综放工作面回采过程的数值模拟;最后根据数值模拟分析结果与现场监测结果进行对比验证,利用矿井现场的顶板期断裂垮落数据、采动应力数据对该数值模拟模型进行验证与参数优化,不断迭代调整计算参数对模型进行校正和优化,最终优化形成符合矿井现场实际生产条件与监测数据的仿真模型。
3.根据权利要求1所述的临空巷道坚硬顶板水力造穴弱化防冲方法,其特征在于,Step4中进行模拟水力造穴时,在自巷道顶板与煤柱交界处附近向巷道围岩中进行模拟钻孔并模拟水力造穴形成空穴的过程中,空穴向前延伸的范围不超过直接顶与基本顶的交界处,向后延伸的范围不超过顶煤与直接顶的交界处。
4.根据权利要求1所述的临空巷道坚硬顶板水力造穴弱化防冲方法,其特征在于,Step4中进行模拟水力造穴时,空穴位于动载源向巷道进行应力波传播的方向上。
5.根据权利要求4所述的临空巷道坚硬顶板水力造穴弱化防冲方法,其特征在于,空穴的轴向方向对应动载源向巷道进行应力波传播的方向。
6.根据权利要求1所述的临空巷道坚硬顶板水力造穴弱化防冲方法,其特征在于,Step4中进行模拟水力造穴时,向相邻采空区的顶板和底板施工钻孔、且钻杆的钻进方向与巷道的走向呈90°,钻杆仰角θ 1 与俯角θ 2 分别满足:式中:h 0 为钻机高度;l 0 为钻机与煤柱的距离,h 1 为巷道高度。
7.根据权利要求1所述的临空巷道坚硬顶板水力造穴弱化防冲方法,其特征在于,Step4中进行模拟水力造穴时,水力造穴的空穴半径r 0 满足如下条件:式中:p为射流压力;r m 为喷嘴半径; 为围岩内摩擦角;τ为围岩抗剪强度;c c 为围岩岩石粘聚力。
8.根据权利要求1所述的临空巷道坚硬顶板水力造穴弱化防冲方法,其特征在于,Step6中,对Step4中获得的水力造穴技术参数进行调整时,针对不同的参数采取分组试验的方式以获得水力造穴防冲的主控参数,进行实测数据、理论模型计算和数值模拟的对比验证,对于未达预期的主控参数进行修正。