季飞，硕士，助理研究员，主要从事煤岩瓦斯动力灾害防治方面的研究及推广工作，研发了100MPa超高压水力割缝卸压增透技术及装备，实现了钻-冲-割一体化功能，构建了适用于不同煤层条件的割缝深度预测模型，提出了煤层水力割缝网状精准控制技术、顺层钻孔固液两相流高效协调排渣技术，形成了超高压水力割缝卸压增透成套工艺技术体系及系列化成套装备，有效解决了深部高应力、高瓦斯、低渗透煤层动力灾害危险性大、瓦斯难抽采等问题。参与国家“十三五”、“十四五”重点研发、国家级安全准入分析验证实验室等项目10余项。发表科技论文10余篇，其中SCI/EI收录5篇，申请发明专利18项，授权9项，参与制定煤炭行业标准2项；先后荣获煤炭工业协会等省部级一等奖2项、二等奖4项，入选2021年重庆英才创新创业示范团队。

主要内容

1 磨料射流切割机制研究

1.1   磨料射流能量分布

图  1  射流速度、磨料密度及射流能量径向分布

1.2   磨料颗粒的冲击破岩作用

图  2  磨料颗粒冲击破岩过程

1.3   高压水射流的冲击破岩作用

图  3  水流冲击岩体表面过程

表  1  磨料射流破岩作用

2   巷道侧向切顶的顶板岩层断裂情况分析

2.1   试验地点概况

图  4  试验区域顶底板岩性

图  5  试验区域巷道变形情况

2.2  顶板岩层断裂情况分析

图  6  岩层周期破断模型

表  2  直接顶厚度判断

图  7  巷道开掘后顶板结构

图  8  侧向切顶顶板岩层结构

      依据上述分析, 得到巷道开掘未断顶及巷道煤柱侧断顶侧向顶板覆岩结构状态。在巷道开掘未断顶时, 巷道一侧为实体煤、另一侧为煤柱, 侧向顶板以悬臂梁的形式作用于煤柱上方, 煤柱在侧向支承压力区内受支承压力的影响形成应力集中。巷道煤柱侧单向断顶后, 上覆顶板的悬顶距离明显缩短, 从而降低了煤柱侧围岩应力。

3   切顶前后侧向应力变化研究

图  9  切顶前后顶板垮落及应力分布

       由图 9可知, 当沿空巷道侧向顶板不切顶时, 由于存在悬顶结构, 煤柱帮和实体煤帮均处在较高的应力环境中, 煤柱帮垂直应力峰值(30.1~34.8 MPa) 要高于实体煤帮垂直应力峰值(27.9~29.8 MPa)。采用水力化措施断顶卸压后, 改变了预裂结构面两侧岩体的连接形态, 切断了顶板岩层间的应力传递途径。实体煤帮和煤柱帮的垂直应力峰值分别为18.9~20.1、21.3~24.8 MPa, 与不切顶时相比应力峰值减小了10 MPa左右。可见, 对临空巷道侧向顶板实施切顶时, 顶板沿着预裂切顶线能够更及时地充分垮落, 岩层之间的应力传递被削弱, 降低了实体煤帮和煤柱帮承担的覆岩荷载, 缓解了实体煤帮和煤柱内的应力集中程度。

4   现场应用

4.1   现场试验方案

图  10  磨料射流切顶钻孔设计图

4.2   高压磨料射流切顶工艺

4.3   高压磨料射流切顶装置

4.4   试验效果分析

图  12  巷道高度变化图

图  13  巷道宽度变化图

图  14  地音监测每日震动总能量变化图

1) 研究了磨料射流切割机制, 利用高密度磨料颗粒产生的强冲击力及剪切作用, 在岩石表面产生微裂隙, 再通过水射流及磨料颗粒的共同作用对微裂隙进行冲击破坏, 从而实现对坚硬岩石的切割。

2) 采用理论及数值模拟方法, 分析了巷道侧向切顶后岩层的破断规律, 发现对临空巷道侧向顶板实施切顶后, 顶板沿着预裂切顶线能够更及时地充分垮落, 岩层之间的应力传递被削弱, 降低了实体煤帮和煤柱帮承担的覆岩荷载, 有效缓解了实体煤帮和煤柱内的应力集中程度。

3) 通过对工作面推进期间巷道变形及地音监测, 采用磨料射流侧向切顶后巷道高度变形量减小38.7%, 宽度变形量减小45.8%, 巷道变形得到有效控制。同时，切顶后每日最大总能量降低85.5%, 平均每日总能量降低82.6%。验证了磨料射流侧向切顶对坚硬顶板的弱化效果良好。