CN107355222A - 一种深部巷道的注水系统及其注水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部巷道的注水系统及其注水方法，该系统包括：注水管、封孔器、湿度感应器、湿度报警器以及供水装置；湿度感应器设于巷道的注水钻孔内，且位于巷道围岩圈层中的塑性圈层内，湿度感应器的一端位于围岩圈层中的弹性圈层与塑性圈层的交界线处；注水钻孔的底部位置为围岩圈层中原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内；注水管设于注水钻孔内，并穿过湿度感应器，注水管的端部设置于注水钻孔的底部至弹性圈层与原岩应力圈层的交界线；封孔器设置于注水钻孔内并位于弹性圈层内，封孔器一端位于弹性圈层与原岩应力圈层的交界线。本发明通过上述注水系统，将注水管端部设置在特定位置，提高了注水效果。

Description

一种深部巷道的注水系统及其注水方法

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，尤其涉及一种深部巷道的注水系统及其注水方法。

背景技术

煤炭在我国一次能源消费结构中占比达60％以上，随着煤矿采掘深度的增加，冲击矿压事故呈增加的趋势，而每一次的矿压事故都造成了大量的生命伤亡和财产损失，而冲击矿压事故中约有85％的冲击矿压发生在巷道中。高压注水是目前我国煤矿井下防治冲击矿压的最常用的防冲措施，而当前的高压注水参数基于静载理论确定，没有考虑动载应力波的参与，注水位置一般选在弹性圈层范围，由于弹性圈层处于弹性阶段的岩石承受的支承压力较大，岩石较致密，造成水的渗流压力较大，同时注水孔间距及注水时间根据现场工人经验确定，导致岩层的可注性较差，水资源浪费严重，注水时间长，注水效率低、效果差，设备损耗严重。而事实上，深部巷道在发生冲击矿压时一般是处于“静载+动力扰动”状态，动力扰动是冲击矿压发生的主控因素且以应力波的形式表现出来，目前巷道在发生冲击地压时的受力状态已成为共识，但当前的高压注水参数的选择依据依旧没有基于新的理论进行革新。

故针对现有方式中仅仅根据静载理论来确定高压注水位置而导致注水效果不佳的问题，实有必要提供综合考虑了静载和动力扰动而得到更加符合实际情况的注水位置，提高注水效果。

发明内容

针对现有方式中所选择的高压注水位置不恰当的问题，本发明实有必要提供一种深部巷道的注水系统及其注水方法，可以得到综合考虑静载和动力扰动得到的注水位置，提高注水效果，降低冲击矿压事故发生率。

一方面，本发明提供一种深部巷道的注水系统，该系统包括：注水管、封孔器、湿度感应器、湿度报警器以及供水装置；

供水装置与注水管连通，湿度报警器与湿度感应器电线连接；

湿度感应器设于巷道的注水钻孔内，且位于巷道围岩圈层中的塑性圈层内，湿度感应器的一端位于围岩圈层中的弹性圈层与塑性圈层的交界线处；

注水钻孔垂直于巷道壁面并依次穿过围岩圈层中的破碎圈层、塑性圈层、弹性圈层，且注水钻孔的底部位置位于围岩圈层中原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内；

封孔器设于注水管上且位于注水钻孔内，封孔器位于弹性圈层内且封孔器的一端位于弹性圈层与原岩应力圈层的交界线；

注水管设于注水钻孔内，并穿过湿度感应器，注水管的端部设置于注水钻孔的底部至弹性圈层和原岩应力圈层的交界线之间的区域。

基于静载和动力扰动因素而得到巷道力学模型，该巷道力学模型中巷道周围均匀加载了应力波和静载，根据应力波在不同介质中的传播规律、能量传播规律、围岩圈层中各个圈层的波阻抗、渗透压力以及巷道的围岩圈层中应力分布情况分析得到最佳的注水位置，即为围岩圈层中的弹性圈层与原岩应力圈层的交界线至注水钻孔的底部，而注水钻孔的底部位于原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内。故将注水管的端部即注水位置选择为围岩圈层中的弹性圈层与原岩应力圈层的交界线至注水钻孔的底部之间的区域，而注水钻孔的底部选择为原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内的，进而可以极大的提高注水效果。

而封孔器设于弹性圈层内时，由于弹性圈层内的岩石相对致密，故能够使封孔器更加有效地阻止水从注水钻孔溢出，同时还能够增强水的可注性。

优选地，采用至少两个注水管，每根注水管设置在一个注水钻孔内；

相邻注水管的间距等于相邻注水钻孔的间距，并等于弹性圈层的厚度的两倍；

系统还包括供水管，每根注水管通过供水管与供水装置连通。

基于岩石的应力与应变关系、巷道的围岩圈层的应力分布和渗透规律分析得到相邻注水位置的最佳间距为弹性圈层的厚度的两倍，故将相邻注水管的间距选择为弹性圈层的厚度的两倍可以提高注水效果。

优选地，湿度感应器为可收缩中空圆柱状，且外围设有沿轴向倾斜的突起，突起上设有湿度感应元件。

优选地，湿度感应器呈撑开状态时，湿度感应器紧贴在注水钻孔的孔壁，湿度感应器的突起嵌入孔壁。

撑开状态的湿度感应器可以将湿度感应器固定在特定位置，同时还降低了注水钻孔表面的水对湿度检测的影响。

优选地，湿度感应器呈收缩状态时，湿度感应器的外径小于湿度感应器呈撑开状态时的外径；

湿度感应器呈收缩状态时，湿度感应器的外径小于注水钻孔的孔径；

湿度感应器呈撑开状态时，湿度感应器的外径大于注水钻孔的孔径；

湿度感应器呈撑开状态时，湿度感应器的中空圆柱的直径大于注水管的外径。

收缩状态的湿度感应器便于快捷地将湿度感应器放入注水钻孔，撑开状态的湿度感应器便于注水管穿过湿度感应器的中空圆柱。

优选地，注水钻孔的底部位于原岩应力圈层内，并距离弹性圈层与原岩应力圈层的交界线5cm处。

经过实验分析论证，上述位置可以得到最佳的注水效果。

优选地，供水装置包括回水管、至少一个截止阀、与回水管连通的供水箱；

其中，至少一个截止阀设于回水管与注水管的连通路径上。

采用循环理念设计，注水结束后管道中的积水回流至供水箱，供下次注水时使用，节省水资源。

另一方面，本发明还提供了一种深部巷道的注水方法，该注水方法包括：

步骤1：在垂直于巷道的壁面上进行钻孔得到注水钻孔；

其中，巷道的围岩圈层包括破碎圈层、塑性圈层、弹性圈层以及原岩应力圈层；

注水钻孔依次穿过巷道围岩圈层中的破碎圈层、塑性圈层、弹性圈层，且注水钻孔的底部位置位于围岩圈层中原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内；

步骤2：将湿度感应器放入注水钻孔内；

湿度感应器设于塑性圈层内，湿度感应器的一端位于弹性圈层与塑性圈层的交界线处；

步骤3：将注水管以及封孔器分别放入注水钻孔内；

其中，封孔器设于注水管上，封孔器位于弹性圈层内且封孔器的一端位于弹性圈层与原岩应力圈层的交界线；

注水管穿过湿度感应器，注水管的端部设置于注水钻孔的底部至弹性圈层和原岩应力圈层的交界线之间的区域；

步骤4：开始注水，直至湿度报警器报警再停止注水。

其中，湿度感应器检测到水渗流至塑性圈层时湿度报警器进行报警。

优选地，步骤1中在垂直于巷道的壁面上进行钻孔得到了至少两个注水钻孔，每个注水钻孔用于放置一根注水管；相邻注水钻孔的孔间距等于弹性圈层的厚度的两倍。

优选地，执行步骤2将湿度感应器放入注水钻孔内的过程如下：

将呈收缩状态的湿度感应器放入注水钻孔内；

其中，湿度感应器为可收缩中空圆柱状，且外围设有沿轴向倾斜的突起，突起上设有湿度感应元件；

湿度感应器到达塑性圈层内，且湿度感应器的一端位于弹性圈层与塑性圈层的交界线处时，拉动湿度感应器与湿度报警器之间的电线，使湿度感应器由收缩状态转变为撑开状态，湿度感应器的突起嵌入注水钻孔的孔壁内。

有益效果：

本发明提供一种深部巷道的注水系统及其注水方法，通过将注水管的端部放置于注水钻孔的底部至弹性圈层与原岩应力圈层的交界线之间的区域，而注水钻孔的底部位置位于围岩圈层中原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内，而其中注水管的端部位置即注水位置是综合考虑了静载和动力扰动，根据应力波在不同介质中的传播规律、能量传播规律、围岩圈层中各个圈层的波阻抗、渗透压力以及巷道的围岩圈层中应力分布情况分析得到最佳的注水位置，故本发明的注水系统通过将注水位置选择为围岩圈层中的弹性圈层与原岩应力圈层的交界线至注水钻孔底部之间的区域，而注水钻孔底部位于原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内，使得注水效果相较于现有方式中将大大提高，该注水位置与实际情况更加吻合，更加符合实际需求，可以降低冲击矿压事故发生率。

再者，本发明还将注水钻孔的间距设为弹性圈层的厚度的两倍，而该间距是综合考虑弹性范围内岩石的应力与应变关系、巷道的围岩圈层的应力分布和渗透规律分析得到的注水钻孔的最佳间距，提高钻孔布置的可靠性，可以更进一步地提高注水效果。

此外，本发明提供的注水系统还设有湿度感应器，该湿度感应器位于注水钻孔内，且位于塑性圈层内，其中湿度感应器的一端位于弹性圈层与塑性圈层的交界线处，进而可以准确地检测出水是否渗透至塑性圈层，使得湿度报警器可以及时报警，供水装置及时停止供水，实现注水时间的可控化以及注水时间的量化，其中注水时间可以通过湿度报警器的报警时间以及开始注水的时间计算得到；再者，湿度感应器的外围设有突起，而突起上设有湿度检测元件，呈撑开状态的湿度感应器将突起嵌入注水钻孔的孔壁，进而降低了注水钻孔表面的水对湿度检测的影响，从而提高检测准确度，同时还能将湿度感应器固定在特定位置。此外，湿度感应器是可收缩中空圆柱状，便于将呈收缩状态的湿度感应器放入注水钻孔。

再者，本发明提供的注水系统中封孔器设置在弹性圈层，而弹性圈层的岩石相对致密，能够使封孔器更加有效地阻止水从注水钻孔溢出，同时还能够增强水的可注性。

附图说明：

图1是本发明实施例提供的深部巷道的分布示意图；

图2是本发明实施例提供的深部巷道的注水系统的示意图；

图3是本发明实施例提供的湿度感应器的结构示意图，其中，(a)为湿度感应器呈收缩状态时的示意图；(b)为湿度感应器呈撑开状态时的示意图；

图4是本发明实施例提供的弹性范围内岩石的应力与应变关系曲线；

图5是本发明实施例提供的深部巷道的围岩圈层的应力分布示意图；

图6是本发明实施例提供的水在深部巷道的围岩圈层的渗透示意图。

其中，附图标记说明如下：

1静载、2应力波、3注水管、4封孔器、5巷道、6破碎圈层、7塑性圈层、8弹性圈层、9原岩应力圈层、10湿度感应器、11湿度报警器、12注水钻孔、13截止阀、14流量表、15供水管、16三向管路接头、17压力表、18回水管、19进水管、20压力泵、21供水箱、22给水管、30供水装置。

具体实施方式：

下述将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步地说明。

请看图1，是本发明实施例提供的深部巷道的分布示意图，如图所示，巷道5周围围绕着围岩圈层，其中围岩圈层包括破碎圈层6、塑性圈层7、弹性圈层8以及原岩应力圈层9，其中与巷道5距离由近至远依次为破碎圈层6、塑性圈层7、弹性圈层8以及原岩应力圈层9。

如图1所示，本实施例中，基于静载和动力扰动因素而得到巷道力学模型，巷道5周围均匀分布静载1以及应力波2，其中应力波2是由动力扰动而产生的，具体分析如下：

当发生冲击矿压时，侧压系数λ＝1时的圆形巷道时的圆形巷道周边分布着均匀的静载，在巷道受到动载作用时，巷道周边处于静载叠加应力波加载的状态，由于扰动、顶板断裂、爆破等扰动产生的应力波的传播具有方向性，而煤矿井下巷道通常处于不同方向的多重扰动之下，使其周围应力波分布大致均匀，故把应力波简化为均布加载时，其如图1所示的静载1与应力波2叠加且均匀分布的巷道力学模型。

如图1和如图2所示，本发明实施例中深部巷道的注水系统包括：注水管3、封孔器4、湿度感应器10、湿度报警器11以及供水装置30，

供水装置30与注水管3连通，以提供水给注水管3。湿度报警器11与湿度感应器10电线连接。注水管3至少匹配一个封孔器4以及一个湿度感应器10。

本实施例中优选采用若干个注水管3、若干个封孔器4、若干个湿度感应器10；每个注水管3至少匹配一个封孔器4以及一个湿度感应器10。还优选注水系统还包括供水管15，每个注水管3均与供水管15连通，供水管15还与供水装置30连通，注水管3通过供水管15与供水装置30连通。

其他可行的实施例中，注水系统也可以根据实际需求仅包括一个注水管3。

如图1所示，在垂直于巷道5壁面进行钻孔得到注水钻孔12，注水钻孔12依次穿过围岩圈层中的破碎圈层6、塑性圈层7、弹性圈层8，且注水钻孔12的底部位置位于围岩圈层中的弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线至原岩应力圈层9内与弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线相距20cm以内的范围。其中，原岩应力圈层9是一个无限大的圈层，故可理解距离弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线20cm处的长度相较于原岩应力圈层9的厚度是非常小的，即注水钻孔12的端部极靠近弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线。

其中，湿度感应器10设于巷道5的注水钻孔12内，且位于巷道5围岩圈层中的塑性圈层7内，湿度感应器10的一端位于围岩圈层中的弹性圈层8与塑性圈层7的交界线处。

当湿度感应器10检测到水渗流至塑性圈层7时湿度报警器11进行报警，避免水大量渗流至塑性圈层7影响注水效果。

封孔器4设于注水管3上，且还设置于注水钻孔12内；并且封孔器4位于弹性圈层8内，封孔器4的一端位于弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线。优选注水钻孔12的孔径大于封孔器4的直径。此处岩石相对致密，这样既能够使得封孔器能有效的阻止水从注水钻孔12溢出，又能够增强水的可注性。

注水管3设于注水钻孔12内，并穿过湿度感应器10，注水管3的端部设置于注水钻孔12的底部至弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线。应当理解，注水管3的端部即为注水位置，注水位置实际为注水钻孔12的底部至封孔器4上位于交界线的端部之间的区域。

应当理解，当存在至少两个注水管3时，注水管3与注水钻孔12一一对应，每个注水管3放置在一个注水钻孔12内，因此应当对应存在至少两个注水钻孔12。

本实施例中优选存在至少两个注水管3时，相邻注水钻孔12的间距等于弹性圈层8的厚度的两倍，即相邻注水管3的间距等于弹性圈层8的厚度的两倍。

具体的，下文将对本实施例中选择注水位置位于注水钻孔12的底部至弹性圈层8和原岩应力圈层9的交界线之间的区域，而注水钻孔12的底部位置为围岩圈层中原岩应力圈层9内与弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线相距20cm以内的范围，以及相邻注水位置的间距为弹性圈层8的厚度的两倍进行具体分析。

优选地，如图3中的(a)图和(b)图所示，本实施例中湿度感应器10为可收缩中空圆柱状态，湿度感应器10的外围设有沿轴向倾斜的突起，突起上设有湿度感应元件，具体实现时，湿度感应元件与湿度报警器电线连接，通过拉动湿度感应元件与湿度报警器之间的电线，可以将湿度感应器由收缩状态转变为撑开状态，例如湿度感应元件可以是湿度传感器。

其中，湿度感应器10呈收缩状态时，湿度感应器10的外径小于湿度感应器10呈撑开状态时的外径；且湿度感应器10呈收缩状态时，湿度感应器10的中空圆柱的直径小于呈撑开状态时湿度感应器10的中空圆柱的直径；湿度感应器10呈收缩状态时，湿度感应器10的外径小于注水钻孔12的孔径；湿度感应器10呈撑开状态时，湿度感应器10的外径大于注水钻孔12的孔径；湿度感应器10呈撑开状态时，湿度感应器10的中空圆柱的直径大于注水管3的外径，故可便捷地将收缩状态的湿度感应器10放入注水钻孔12内，而湿度感应器10呈撑开状态时，湿度感应器10的中空圆柱的尺寸大小满足于注水管3可穿过其中空圆柱的需求。

此外，湿度感应器10呈撑开状态时，湿度感应器10紧贴在注水钻孔12的孔壁，湿度感应器10的突起嵌入孔壁。故撑开状态的湿度感应器10可以将湿度感应器10固定在特定位置，同时还降低了注水钻孔12表面的水对湿度检测的影响。

本实施例中优选地，注水管3的内径为50mm，外径为52mm，注水钻孔12的孔径优选为75mm，呈收缩状态的湿度感应圈10的外径为15mm，呈撑开状态的湿度感应圈10的外径为100mm，中空圆柱的直径为72mm。

如图2所示，本实施例中，供水装置30包括回水管18、供水箱21、压力泵20、若干截止阀13、流量表14、三向管路接头16、压力表17、进水管19、供水箱21、给水管22。

其中，回水管18、进水管19以及给水管22分别与供水箱21连通，给水管22用于给供水箱21注水。回水管18和进水管19分别与三向管路接头16连通。

注水管3通过供水管15与三向管路接头16连通。

故本实施例中，形成了注水管3、供水管15、三向管路接头16、回水管18以及供水箱21的回收路径；以及形成了供水箱21、进水管19、三向管路接头16、供水管15和注水管3的供水路径。

其中，至少一个截止阀13设于回水管18与注水管3的连通路径上，优选设于回水管18上。

供水时，将回水管18上的截止阀13关闭，供水管15、进水管19和各个注水管3的截止阀13开启，压力泵20提供压力使得水处于高压状态注入注水管3，进行高压注水，待湿度报警器11报警时，压力泵20停止，给水管停止供水，关闭进水管19的截止阀13，开启回水管18的截止阀13使得注水管3、供水管15的水经三向管路接头16与回水管18回流至供水箱21。

下文将对于本实施例中将注水位置选择为围岩圈层中的弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线至注水钻孔12的底部的区域，而注水钻孔12的底部位于原岩应力圈层9内与弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线20cm以内的范围之中，以及相邻注水位置的间距为弹性圈层8的厚度的两倍进行具体分析。

根据围岩圈层中各个圈层的特性可知，其中破碎圈层6、塑性圈层7、原岩应力圈层9以及弹性圈层8的波阻抗依次增大。且其中，破碎圈层6的波阻抗远小于塑性圈层7的波阻抗；而不同圈层内煤的波阻抗的差异，会影响到应力波的透射、反射，同时对应力波能量的传递与耗散产生的影响也存在很大差异。具体的，根据波阻抗的定义z＝ρ₀c_o，其中，ρ₀为介质的密度；c₀应力波传播速度，具体进行如下分析：

由于破碎圈层6的单位体积内裂隙较多，破碎圈层6煤密度较小，根据波阻抗z＝ρ₀c_o的公式可知，破碎圈层6波阻抗最小；而弹性圈层8处于三维受力状态，其强度较大，煤处于压实状态，密度较大，根据波阻抗z＝ρ₀c_o的公式可知其波阻抗最大；塑性圈层7裂隙局部发育，分布不均匀，导致塑性圈层7煤的密度大于破碎圈层6小于弹性圈层8，根据波阻抗z＝ρ₀c_o的公式可知塑性圈层7的波阻抗大于破碎圈层6但是小于弹性圈层8；原岩应力圈层9由于没有受到巷道开挖的扰动，原岩应力圈层9应力处于巷道未开挖时的原始状态，其裂隙发育程度大于弹性圈层8而小于塑性圈层7和破碎圈层6，故原岩应力圈层9煤密度小于弹性圈层8，但是大于塑性圈层7和破碎圈层6，根据波阻抗z＝ρ₀c_o的公式可知，原岩应力圈层9的波阻抗小于弹性圈层8但是大于塑性圈层7和破碎圈层6。

此外，本实施例中巷道力学模型中均匀加载的应力波的传播规律如下：

具体的：根据应力波传播规律满足：

1+F＝T (4)

其中，n为两种介质的波阻抗的比值；(ρ_oc_o)_Ⅰ为Ⅰ介质的波阻抗，(ρ_oc_o)_Ⅱ为Ⅱ介质的波阻抗；ρ₀为介质的密度；c₀应力波传播速度。

F为反射系数；T为透射系数；A_i为入射波幅值；A_t为透射波幅值；A_R为反射波幅值。

由上述公式可知，应力波从I介质传播至Ⅱ介质时，若两介质的波阻抗变化而导致两介质的波阻抗的比值n减小时,即应力波从波阻抗不变的介质传播至波阻抗增大的介质或者应力波从波阻抗减小的介质传播至波阻抗不变或增大的介质时，在应力波从介质Ⅰ向介质Ⅱ传播过程中，应力波在两介质交界面的透射系数T增大，则反射系数F的绝对值减小，即应力波从介质Ⅰ透射至介质Ⅱ的能力提高即透射波的传播增强，应力波在交界面的反射降低，反射应力波减弱；

当两介质的波阻抗变化而导致两介质的波阻抗的比值n增大时，即应力波从波阻抗增大传播至波阻抗不变或者减小的介质，或者应力波从波阻抗不变的介质传播至波阻抗减小的介质，在应力波从介质Ⅰ向介质Ⅱ传播过程中，应力波在两介质交界面的透射系数T减小，则反射系数F的绝对值增大，即应力波从介质Ⅰ透射至介质Ⅱ的能力减小即透射波的传播减弱，应力波在交界面的反射增强，反射应力波增大。

波动能量传播规律：

ω＝(ρ₀c₀)ν² (5)

其中，w为能流密度，表征波动能量速度快慢；

ν为应力波传播的速度；ρ₀c_o为波阻抗，其中ρ₀为介质的密度；c_o应力波传播速度。

从上述应力波的波动能量传播规律可知，说明介质的波阻抗越大，应力波在该介质内的能流密度越大。

首先，基于本实施例中巷道力学模型、各个圈层的波阻抗的大小、各个圈层的能提供渗透压力以及应力波在介质中的传播规律、波动能量传播规律以及围岩圈层中应力分布情况对注水位置进行分析，如下所示：

首先应当理解，在应力波加载下的静载巷道，注水的目的在于减少巷道周围的应力集中并增强应力波的反射。

由于破碎圈层6大都为碎石块，不能提供一定的渗流压力，所以注水钻孔12底部即注水位置位于破碎圈层6、破碎圈层6与塑性圈层7交界处或者在塑性圈层7内靠近破碎圈层6与塑性圈层7交界之处，均不具有可注性。

又由于塑性圈层7裂隙发育，裂隙内由于水的进入，造成塑性圈层7密度增大，进而导致塑性圈层7的波阻抗增大，基于塑性圈层7的波阻抗原本小于弹性圈层8的波阻抗，使得弹性圈层8的波阻抗与塑性圈层7的波阻抗的比值减小，应力波从弹性圈层8向塑性圈层7传播过程中，应力波在两介质交界面的透射系数T增大，反射系数F的绝对值减小，即应力波从弹性圈层8透射至塑性圈层7能力提高即透射波的传播增强，应力波在交界面的反射降低，反射应力波减弱；，同时根据应力波在介质中的能量传播规律可知，塑性圈层7的波阻抗增大，应力波在塑性圈层7中的能量传递效率增大；此外，由于破碎圈层6的波阻抗远远小于塑性圈层7，所以塑性圈层7与破碎圈层6的波阻抗的比值非常大，根据上述应力波在介质中的传播规律可知，应力波在破碎圈层6和塑性圈层7的交界处几乎完全以反射波的形式重新进入塑性圈层7和弹性圈层8，如图5所示，塑性圈层7和弹性圈层8中有较高的应力集中，在反射应力波作用下，极易引发岩石圈层的快速发生失稳破坏并向外抛掷岩石，形成冲击矿压，进而将应力集中和应力波大量引至巷道周边，因此注水钻孔12底部位于塑性圈层7内、位于塑性圈层7与弹性圈层8交界处或者位于弹性圈层8内且靠近塑性圈层7与弹性圈层8交界处时，注水效果将大大降低。

当注水钻孔12底部位于弹性圈层8内部时，由于弹性圈层8的岩石处于弹性阶段，岩石内部承受巨大的压力，裂隙及孔隙被压密，密度较大，造成水的渗流非常困难，渗流压力较大，造成了水可注性较差，且不容易控制水的扩散，甚至导致大量的水进入塑性圈层7和破碎圈层6，进而使得注水防冲效果不佳甚至起到相反效果。

由于原岩应力圈层9没有受到支承压力的影响，原岩应力圈层9较弹性圈层8疏松，水的可注性较好。巷道周围静载比较大，尤其是弹性圈层8应力集中较严重，在原岩应力圈层9内靠近原岩应力圈层9与弹性圈层8交界线处至原岩应力圈层9与弹性圈层8交界线处的任意位置注水后，通过渗流，水不仅可以进入渗流压力较大的弹性圈层8也可以同时进入渗流压力相对较小的原岩应力圈层9，使得弹性圈层8的集中应力转移到深部即原岩应力圈层9后进一步转移至围岩更深部，最大程度减弱围岩和巷道附近的应力集中。此外，本实施例中，当水渗流至塑性圈层7时，湿度感应圈和湿度报警器报警，即停止注水，此时由于水进入弹性圈层8的裂隙中而未进入塑性圈层7，由于水对岩石具有软化作用，水的渗入使得弹性圈层8强度降低，弹性圈层8中的集中应力向深部转移，应力的集中程度降低。此外，由于水的渗入使得弹性圈层8密度增加而塑性圈层7的密度大致不变，弹性圈层8与塑性圈层7的波阻抗比值增大，导致弹性圈层8透射至塑性圈层7能力提高即透射波的传播减弱，应力波在交界面的反射增强，反射应力波增强使得消除应力集中的弹性圈层8，发生拉伸破坏，进一步降低弹性圈层8的应力集中，实现应力的进一步往深部转移，最大限度的保证了应力波加载下巷道的安全。

综上可知，基于本实施例中巷道力学模型，依据各个圈层的波阻抗的大小、各个圈层的能提供渗透压力以及应力波在介质中的传播规律、波动能量传播规律以及围岩圈层中应力分布情况对注水位置进行分析，得出注水位置位于原岩应力圈层9与弹性圈层8交界线处至注水钻孔12的底部，而注水钻孔12的底部位于原岩应力圈层9且距离弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线20cm以内的范围时，注水效果最佳。

进一步地优选，注水管的端部位于原岩应力圈层9内，且距离原岩应力圈层9与弹性圈层8交界线处5cm。

基于上述的分析，当注水位置为注水钻孔12的底部至原岩应力圈层9与弹性圈层8交界线处之间的区域，而注水钻孔12的底部为原岩应力圈层9内且距离弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线20cm以内时，优选相邻注水位置的间距为弹性圈层8的厚度的两倍进行具体分析如下：

如图4所示，随着压应力σ增加，压缩应变ε增大，由于岩石处于弹性变形，压缩应变ε与岩石裂隙压密的程度呈正相关即压缩应变越大，岩石的压密程度越大，而岩石裂隙压密程度越大，渗流压力越大，渗流越困难，渗流速度越小。故根据如图5所示的各个圈层压应力分布可知各个圈层内的渗流难易程度，例如从图上可获知，弹性圈层8的渗流压力最大。

如图5和图6所示，原岩应力圈层9内各部分压应力σ大致相等，受力均匀，故水的渗流范围以注水点为中心呈以R为半径的半圆形分布。同理，若弹性圈层8为均匀的高应力加载，则弹性圈层8的渗流范围大致呈以r为中心的半圆形分布，其中r等于弹性圈层8的厚度。然而如图5所示，弹性圈层8内应力分布不均匀，压应力呈近似二次曲线的形式分布，故从图6可知，当注水位置位于原岩应力圈层9内且靠近原岩应力圈层9与弹性圈层8交界线处的位置时，水在弹性圈层8的渗流范围为图中j曲线与弹性圈层8和原岩应力圈层9的交界线所围成范围，当超过此范围时湿度报警器就会报警，注水即停止，而从图上可知在弹性圈层8内，从注水位置沿着与圈层分界线垂直方向的渗流路径最短，故选择相邻注水位置的间距等于2r，即弹性圈层8的厚度的2倍，促使水沿着在弹性圈层8中最短的渗流路径渗流而到达塑性圈层7与弹性圈层8交界线处，即报警位置时，弹性圈层8内相邻注水位置之间的区域内被水渗透的区域的范围达到最大。

故从上可知的，当注水位置为注水钻孔12的底部至原岩应力圈层9与弹性圈层8交界线处之间的区域，而注水钻孔12的底部原岩应力圈层9内且距离弹性圈层8与原岩应力圈层9的交界线20cm以内时，优选相邻注水位置的间距为弹性圈层的厚度的两倍，可以进一步提高注水效果。

基于上述分析，本发明还提供一种深部巷道的注水方法，包括：

步骤1：在垂直于巷道的壁面上进行钻孔得到注水钻孔；

注水钻孔依次穿过巷道围岩圈层中的破碎圈层、塑性圈层、弹性圈层，且注水钻孔的底部位置位于围岩圈层中的原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内。

钻孔时，还可以取岩芯用于分析，另通过钻孔窥视仪对钻孔进行窥视，结合岩芯的裂隙分布状态，分析确定巷道破碎圈层、塑性圈层、弹性圈层和原岩应力圈层的厚度。

步骤2：将湿度感应器放入注水钻孔内；

湿度感应器设于塑性圈层内，湿度感应器的一端位于弹性圈层与塑性圈层的交界线处。

具体的，将湿度感应器放入注水钻孔内的过程如下：

将收缩状态下的湿度感应器放入注水钻孔内；

湿度感应器到达塑性圈层内，且湿度感应器的一端位于弹性圈层与塑性圈层的交界线处时，拉动湿度感应器与湿度报警器之间的电线，使湿度感应器由收缩状态转变为撑开状态，湿度感应器的突起嵌入注水钻孔的孔壁内，湿度感应器为中空圆柱状；

其中，湿度感应器呈撑开状态和呈收缩状态时，湿度感应器的外径不同，湿度感应器撑开状态和呈收缩状态时，湿度感应器的中空圆柱的直径也不同；呈收缩状态时，湿度感应器的外径小于呈撑开状态时湿度感应器的外径，呈收缩状态时，湿度感应器的直径也小于呈撑开状态时湿度感应器的中空圆柱的直径。

步骤3：将注水管以及封孔器分别放入注水钻孔内；

其中，注水管穿过湿度感应器，且注水管的端部设置于注水钻孔的底部至弹性圈层与原岩应力圈层的交界线；封孔器设置于弹性圈层内，封孔器的一端位于弹性圈层与原岩应力圈层的交界线；

步骤4：开始注水，直至湿度报警器报警再停止注水；

其中，湿度感应器检测到水渗流至塑性圈层时湿度报警器进行报警。进一步地，若步骤1中在垂直于巷道的壁面上进行钻孔得到了若干个注水钻孔，相邻注水钻孔的孔间距等于所述弹性圈层的厚度的两倍；其中，注水钻孔与注水管一一对应，每个注水管放置在一个注水钻孔内。

应当理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的范围内可对其进行许多修改，但都将落入本发明的保护范围内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种深部巷道的注水系统，其特征在于，包括：注水管、封孔器、湿度感应器、湿度报警器以及供水装置；

所述供水装置与所述注水管连通，所述湿度报警器与所述湿度感应器电线连接；

所述湿度感应器设于巷道的注水钻孔内，且位于巷道围岩圈层中的塑性圈层内，所述湿度感应器的一端位于围岩圈层中的弹性圈层与塑性圈层的交界线处；

所述注水钻孔垂直于巷道壁面并依次穿过围岩圈层中的破碎圈层、塑性圈层、弹性圈层，且所述注水钻孔的底部位置位于围岩圈层中原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内；

所述封孔器设于所述注水管上且位于所述注水钻孔内，所述封孔器位于所述弹性圈层内且所述封孔器的一端位于弹性圈层与原岩应力圈层的交界线；

所述注水管设于所述注水钻孔内，并穿过所述湿度感应器，所述注水管的端部设置于所述注水钻孔的底部至弹性圈层和原岩应力圈层的交界线之间的区域。

2.根据权利要求1所述的注水系统，其特征在于，采用至少两个所述注水管，每根所述注水管设置在一个所述注水钻孔内；

相邻注水管的间距等于相邻注水钻孔的间距，并等于所述弹性圈层的厚度的两倍；

所述系统还包括供水管，每根所述注水管通过所述供水管与所述供水装置连通。

3.根据权利要求1所述的注水系统，其特征在于，所述湿度感应器为可收缩中空圆柱状，且外围设有沿轴向倾斜的突起，所述突起上设有湿度感应元件。

4.根据权利要求3所述的注水系统，其特征在于，所述湿度感应器呈撑开状态时，所述湿度感应器紧贴在注水钻孔的孔壁，所述湿度感应器的突起嵌入所述孔壁。

5.根据权利要求3所述的注水系统，其特征在于，所述湿度感应器呈收缩状态时，所述湿度感应器的外径小于所述湿度感应器呈撑开状态时的外径；

所述湿度感应器呈收缩状态时，所述湿度感应器的外径小于所述注水钻孔的孔径；

所述湿度感应器呈撑开状态时，所述湿度感应器的外径大于所述注水钻孔的孔径；

所述湿度感应器呈撑开状态时，所述湿度感应器的中空圆柱的直径大于所述注水管的外径。

6.根据权利要求1所述的注水系统，其特征在于，所述注水钻孔的底部位于所述原岩应力圈层内，且距离弹性圈层与原岩应力圈层的交界线5cm处。

7.根据权利要求1所述的注水系统，其特征在于，所述供水装置包括回水管、至少一个截止阀、与回水管连通的供水箱；

其中，至少一个截止阀设于所述回水管与所述注水管的连通路径上。

8.一种深部巷道的注水方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：在垂直于巷道的壁面上进行钻孔得到注水钻孔；

其中，巷道的围岩圈层包括破碎圈层、塑性圈层、弹性圈层以及原岩应力圈层；

注水钻孔依次穿过巷道围岩圈层中的破碎圈层、塑性圈层、弹性圈层，且所述注水钻孔的底部位置位于围岩圈层中原岩应力圈层内且与弹性圈层与原岩应力圈层的交界线相距20cm以内；

步骤2：将湿度感应器放入所述注水钻孔内；

所述湿度感应器设于所述塑性圈层内，所述湿度感应器的一端位于所述弹性圈层与所述塑性圈层的交界线处；

步骤3：将注水管以及封孔器分别放入所述注水钻孔内；

其中，所述封孔器设于所述注水管上，所述封孔器位于所述弹性圈层内且所述封孔器的一端位于弹性圈层与原岩应力圈层的交界线；

所述注水管穿过所述湿度感应器，所述注水管的端部设置于所述注水钻孔的底部至弹性圈层和原岩应力圈层的交界线之间的区域；

步骤4：开始注水，直至湿度报警器报警再停止注水。

9.根据权利要求8所述的注水方法，其特征在于，步骤1中在垂直于巷道的壁面上进行钻孔得到了至少两个注水钻孔，每个注水钻孔用于放置一根注水管；

相邻注水钻孔的孔间距等于所述弹性圈层的厚度的两倍。

10.根据权利要求8所述的注水方法，其特征在于，步骤2将湿度感应器放入所述注水钻孔内的过程如下：

将呈收缩状态的湿度感应器放入所述注水钻孔内；

其中，所述湿度感应器为可收缩中空圆柱状，且外围设有沿轴向倾斜的突起，所述突起上设有湿度感应元件；

所述湿度感应器到达所述塑性圈层内，且所述湿度感应器的一端位于所述弹性圈层与所述塑性圈层的交界线处时，拉动湿度感应器与湿度报警器之间的电线，使湿度感应器由收缩状态转变为撑开状态，所述湿度感应器的突起嵌入所述注水钻孔的孔壁内。