CN102704936B - 综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法 - Google Patents

Abstract

一种综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法是在综采工作面端头采空侧回采巷道顶板上钻孔；若钻孔内部整体性好，孔壁无裂隙时，在孔内距孔口0.5m处安设封口器；若钻孔内部整体差，孔壁有明显裂隙，影响注浆效果时，需先在孔内安设柔性塑料套筒，并在塑料套筒内距孔口0.5m处安设封孔器；将制得的膨胀浆体，通过封孔器注入钻孔或钻孔内的塑料套筒内；膨胀剂膨胀产生的静态力，胀破钻孔孔壁，使煤岩体整体性遭到破坏而失稳，从而使综采工作面端头回采巷道所设钻孔的顶板失稳，达到人为控制顶板垮落的目的。本发明方法解决了回采巷道顶板未能随采面推进及时垮落，端头悬顶过大造成支架压力增大，瓦斯积聚等的问题，实现了综采工作面端头回采巷道顶板垮落的有效控制。

Description

综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法

技术领域

本发明涉及一种综采工作面端头回采巷道采空区的放顶方法，尤其是一种对综采放顶煤工作面回采巷道采空区顶煤和开切眼初采顶煤控制放顶的方法，适用于在工作面回采过程中，采空区范围内巷道顶板未及时垮落，而造成大面积悬顶的情况。

背景技术

在综采工作面中，回采巷道和开切眼采用锚杆+锚索+金属网的支护方式，支护效果好。初采开始以后，由于多数锚索的锚具在服务期限内受各种因素的影响，造成难于退锚的情况，使得大部分锚杆和锚索仍然在起悬吊和加固的作用，巷道顶板不能随采煤工作面放顶而冒落，形成工作面上下端头后部较大范围悬顶，这种情况在我国很多矿区都普遍存在。

综采工作面端头回采巷道若不随回采过程及时垮落，而形成大面积悬顶的情况，则清洗工作面的风流在负压的作用下，向工作面回风巷流动，致使工作面后方的三角区内呈现无风流死角，容易形成瓦斯大量聚集，导致瓦斯超限，给工作面安全生产带来严重的隐患。

目前处理工作面悬顶的问题，常采用顶板弱化的处理方式，此种处理方式也可用来处理综采工作面端头回采巷道。顶板弱化处理方案主要包括：注水弱化（高压注水、静压注水）和预裂爆破（循环式浅孔爆破、步距式深孔爆破、超前深孔预裂爆破和地面深孔爆破）等。这些方法都在国内外解决难垮落顶板中得到广泛应用，顶板经过这些弱化方案处理以后，由原来的不易垮落，改变为较易垮落的顶板，解决了顶板处理的部分问题。

在公开的文献中可以获得的专利还有，公开号为CN1730904的“一种处理采空区的诱导冒落法”专利，该方法分为爆破崩落采空区内部支撑物和用散体封堵通口两种，这些措施都不需对采空区顶板进行爆破；该方法通过利用回采边缘矿体，减弱矿石隔离层对采空区边壁的支撑，来扩展采空区周边的有效暴露面积，从而诱导采空区自然冒落，同时崩落采空区内部的支撑物，使顶板围岩的初始冒落呈零星冒落形式。

可以获得的专利还有，公开号为CN1982651的一种“井下大面积长时间顶板暴露采场超长锚杆注浆方法”专利，该专利和本专利发明所涉及的研究方法有很大区别。该方法的主要措施：首先在预先设计的位置钻孔，将PE塑料排气管固定在焊接好的螺纹钢上，然后将螺纹钢、PVC注浆管穿过带孔的木质钻孔封堵塞后，伸到孔的顶端，封堵好孔口，再用注浆机通过注浆管注浆。

上述现有技术的不足之处在于：①超前工作面注水和预爆破顶板的方法是一种粗略的顶板控制方法，顶板通过预爆破和注水弱化，虽然对顶板的垮落有一定的作用，缩短了顶板的来压和垮落步距，但不能实现工作面顶板来压步距、时间、强度等的准确预测和控制；②通过注水和预爆破的方法控制顶板跨落，找不到合理的放顶工作量对比，难于实现放顶工作量最小化和方法最优化，在设计上存在缺陷，比如在设计放顶高度、放顶步距等时，缺乏科学合理的计算方法。若拉槽深度太浅，设计的放顶效果达不到；若拉槽深度过大，顶板管理的工程量大；③采用预爆破法处理顶板的过程中，会产生CO等气体有毒气体，严重污染工作面环境，加之爆破本身具有一定的危险性，不能保证工作面安全生产；特别是在高瓦斯矿井或端头工作面回采巷道瓦斯含量超标的情况下，采用爆破法处理顶板，极易引起瓦斯爆炸；④通过诱导冒落法处理采空区顶板的方法，回采边缘矿体和崩落采空区内部支撑物，虽然也能起到控制顶板垮落的作用，但回采和崩落过程中，存在很多不确定的安全因素，难于实现工作面安全生产，且该方法主要适用于金属矿；⑤现有注浆（膨胀剂）技术，由于孔壁裂纹的存在，在注浆过程中膨胀剂会通过孔壁裂纹流向孔壁周围，有时会出现膨胀剂流入锚杆或锚索孔的现象，这样注浆孔、孔壁裂隙和锚杆、锚索孔就会形成贯通系统，膨胀剂在流入这些贯通系统时，钻孔内膨胀剂流失，不能实现膨胀挤压的作用，造成大量的浪费，提高了顶板管理成本。

为对巷道顶板在采空区域出现大面积悬顶的情况进行有效处理，消除对生产造成的安全隐患，有必要研究实施一种有效的方法，实现对回采巷道在采空区范围顶板或顶煤的控制垮落。

发明内容

    本发明要解决的技术问题是如何利用膨胀剂膨胀对综采工作面端头回采巷道顶板实现局部垮落控制的问题，其目的是提供一种综采工作面端头回采巷道顶板控制方法。

本发明所提供的一种综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，其所述方法的具体实施方案如下：

（1）根据直接顶顶板类别，在综采工作面端头回采巷道顶板需要人工控制垮落的部位进行施工多排钻孔；

（2）若钻孔内部整体性好，孔壁无裂纹时，在孔内距孔口0.5m处安设封口器；若钻孔内部整体差，孔壁有明显裂纹，影响注浆效果时，需先在孔内安设柔性塑料套筒，并在塑料套筒内距孔口0.5m处安设封孔器；

（3）将煤岩膨胀剂与水按重量比为7:3混合；将温度控制在15℃以下进行搅拌，制得膨胀剂浆体；

（4）将上述步骤（3）制得膨胀剂浆体在10min内，用注浆泵通过封孔器直接注入钻孔或钻孔内的柔性塑料套筒内；

（5）等待孔内膨胀剂发生膨胀，多个钻孔内膨胀剂联合作用使综采工作面端头回采巷道顶板被挤压破裂达到垮落的目的。

本发明上述的技术方案中，所附加的技术特征在于：

所述的控制垮落法适用于处理综采工作面端头回采巷道直接顶顶板的垮落；

所述的直接顶顶板类别包含中等稳定顶板、稳定顶板和非常稳定顶板；

所述钻孔（1）同方向孔距和孔径的关系满足下列公式：

                                                （1）

式中：为同方向孔距，单位m，为孔口孔径，单位m，为钻孔密度调整系数；中等稳定顶板，取1.25；稳定顶板，取1；非常稳定顶板，取0.8；

钻孔深度为目标破碎体的90%；钻孔水平角度分为与回采巷道轴线向采空侧方向45°和与回采巷道轴线背采空侧方向45°两种；

所述塑料套筒的直径和钻孔孔径相同，长度与孔深相等，两端筒口保持开放状态，厚度为0.3-0.5mm之间；

所述的煤岩膨胀剂主要由CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃组成，其中90%以上是CaO；煤岩膨胀剂和水混合后，用机械或手工（用手搅拌要戴橡胶手套）搅拌成具有流动性的均匀浆体，确保胀裂剂完全溶解到水中，若膨胀剂和水反应速度过快，需加入重量不超过总重量1%的工业碱抑制反应速率； 

所述钻孔或柔性塑料套筒内注入膨胀剂浆体的量是按公式进行计算：

                                          （2）

式中：为注浆系数0.95；为钻孔直径，单位m；为孔深，单位m；为封孔器长度，单位m；为膨胀剂浆体量，单位m³；

所述注浆压力大于2MPa。

本发明一种综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，与现有技术相比，回采巷道顶板随采面推进及时进行垮落，避免了回采巷道顶板切眼和工作面端头后方较大范围的悬顶，同时也增产了大量顶煤，使得安全生产条件大大改善。特别是针对高瓦斯矿井中规程不允许使用炸药爆破的区域，采用本发明回采巷道顶板控制垮落法，安全方面改善带来的效益更大。

附图说明

图1是本发明具体实施方案流程图。

图2是本发明钻孔布置的俯视示意图。

图3是本发明图2的钻孔布置主视示意图。

图4是本发明注浆后钻孔剖面图。

图5是本发明注浆前顶板状态示意图。

图6是本发明注浆后顶板状态示意图。

图7是本发明注浆前孔内情况示意图。

图8是本发明注浆一段时间后孔内情况示意图。

    图中：1：铁丝；2：封孔器；3：膨胀剂浆体；4：塑料套筒；5：注浆管；6：注浆泵；7：刻度桶。

具体实施方案

实施本发明一种综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，主要步骤如下所示：

设计破碎方案→准备工作（包括处理顶帮的伞檐活矸、调试风管、注浆泵等工作）→支设临时支护→钻眼→封孔→退锚→调浆→注浆→拆除临时支护→下一循环。

具体实施方案流程图见图1。具体实施过程如下：

（1）设计破碎方案

为同方向孔距，单位m，为孔径，单位m，为钻孔密度调整系数，中等稳定顶板取1.25，稳定顶板取1，非常稳定顶板取0.8，设计钻孔时，和的关系为：。

在需要处理的顶板区域内，从靠近切眼方向的边界开始设计第一组钻孔，在该边界线上，距离巷道内帮lm处设计第一个钻孔，钻孔水平角度与回采巷道轴线向采空侧方向45°，然后在该边界线上每隔lm处设计一个钻孔，距离外帮小于等于lm范围内不设计钻孔；第二组钻孔中心线在回采方向上距离第一组钻孔中心线3.6m，在第一组第一个钻孔与内帮中间，设计第二组第一个钻孔，该钻孔方向与回采巷道轴线背采空侧方向45°，第二组其它孔按照第二组第一个孔的倾角和第一组的孔距设计；其它组的设计，奇数组相同，偶数组相同。一个顶板稳定、宽×高为4.5m×3.1m的回风巷为例，钻孔布置如图2所示。

（2）准备工作

在钻眼注浆前，首先确保顶帮的伞檐活矸，为防止施工过程人员和设备的安全，必须清理顶板活矸。载溜的按放位置对施工不利时，需要迁移载溜。把载溜迁移到合适的位置，有利于钻机的安装，施工的方便，要做到工作面5m范围内无障碍。

清理顶板活矸以后，在调试风管、注浆泵等设备，必须确保风管、泵正常工作，保证风管不漏风、不堵塞，注浆泵扬程、转速等参数的正常。

（3）支设临时支护

在距离所要处理的顶板5m范围内，采用打点柱的方式，支设临时支护。支设临时支护时，要给钻机和操作人员预留较充足的空间。

（4）钻眼

支设临时支护后，根据设计方案，在顶板上开始钻孔。钻眼设备按照矿上的实际情况来确定，钻眼参数一定要严格按照设计方案来确定，钻孔直径与破碎效果有直接关系，钻孔过小，不利于药剂充分发挥效力；钻孔太大，易冲孔。

钻眼参数参考值为：①岩石钻孔深度为目标破碎体90%，钻孔内余水和余灰渣应用高压风吹洗干净，孔口旁应干净无土石渣；②钻眼要求孔径为30-60mm，钻孔水平角度分为与回采巷道轴线向采空侧方向45°和与回采巷道轴线背采空侧方向45°两种；③各孔距不超过15-60cm，全断面布置，沿走向方向不得超过当班放顶后的新密柱排（后溜机头至落山方向1.2m）。

（5）封孔

钻孔结束后，向孔内距孔口0.5m处安设封口器；若钻孔内部整体较差，孔壁有明显裂纹，影响注浆效果时，需先在孔内安设柔性塑料套筒，后在套筒内放入封孔器；

向孔内安设塑料套筒时，先将塑料筒套固定在一根直径为10mm的铁丝上，将铁丝连同塑料套筒一同送入孔内，在送入孔内时一定要保持缓缓的匀速前进，避免孔壁刮蹭塑料套筒使其损坏，当铁丝触及孔底时，将铁丝其固定，此时在距孔口处截断塑料套筒。将连有注浆管的封孔器通过塑料套筒下端（与孔口对应的为下端）塞入到距离孔口0.5m的位置并固定。

（6）退锚

顶板锚具具备退锚条件的应全部退锚，锚杆不进行退锚。

（7）调浆

本发明一种综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，所述的煤岩膨胀剂主要由CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃组成，其中90%以上是CaO；煤岩膨胀剂与水的反应式如下：

CaO  +  H₂O  →  Ca(OH)₂                (3)

A  分子量（g）        56.08    18.02      74.08

B  表观密度（g／cm³） 3.34     1.00       2.24

C  克分子体积（cm³）  16.79    18.02      33.08

其中：

                                                     （4）

体积增长量    ΔV  _CaO=

体积增大倍数  W=

以上体积增量为分子在紧密约束条件下的数值，若在无约束状态下，体积增量约为原来体积的1.5倍，增大后的体积为原来体积的2～2.5倍；

膨胀剂主要成分为CaO，其与水调成浆体灌入煤岩钻孔中，依靠本身水化反应可产生30-80兆帕膨胀压，使煤岩体在无震动、无噪声、无飞石和无毒气的情况下安全破碎。注浆前，先调好膨胀剂浆液，按煤岩膨胀剂与水重量比为7:3的比例配比，用机械或手工（用手搅拌要戴橡胶手套）搅拌成具有流动性的均匀浆体，一定要保证胀裂剂完全溶解到水中，搅拌后的浆体必须在10min内充填在孔内，超过10min，其流动性及破碎效果明显降低。该膨胀剂在使用时，应遵循以下步骤：

①、准备：根据被破碎物体的材质、结构、形状和破碎要求等因素设计孔径、孔距、孔深等后，操作前请确定已准备好以下材料物品: (1)药剂; (2)洁净水; (3)水桶、拌和盆; (4)捅棍; (5)防护眼镜; (6)橡胶手套; (7)备用洁净水和毛巾。

②、搅拌：膨胀剂混合以后，用机械或手工（用手搅拌要戴橡胶手套）搅拌成具有流动性的均匀浆体，一定要保证胀裂剂完全溶解到水中。

③、充填：填孔之前必须将孔清理干净，不得有水和杂物，充填作业采用灰浆泵压入法。垂直孔不必堵塞孔口，水平或倾斜孔要堵塞孔口，以免浆体流出。

④、反应控制：药剂反应的快慢与温度有直接的关系，温度越高，反应时间越快，反之则慢。同时也与药剂自身特性有关，若在实际操作中，反应时间过快不能满足施工需要，可在拌合水中加入工业碱控制反应速度，所加入工业碱的量不超过膨胀剂总重量的1%。

本发明一种综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，注浆要求： ①、施工前，施工人员必须认真贯彻学习该措施，熟悉煤岩胀裂剂的性能及注意事项。②、注浆孔的孔位及角度必须符合要求，封孔器必须安装够深度（距孔口0.5m），以确保注浆效果。③、材料（煤岩膨胀剂和水）配比适当（7:3），以确保反应效果。④、注浆泵由队组人员负责操作，生产分部负责协调指挥，队组必须指派一名工长或队长对作业现场进行监护。注浆数量由现场技术人员确定，尽量避免造成流失和浪费。

本发明一种综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，注浆时的安全措施为：①、施工时，为安全起见，必须戴防护眼镜，灌浆后到裂纹发生前不得对孔口直视，以防发生喷出时伤害眼睛；②、在药剂灌入钻孔到岩石或混凝土开裂前，不可将面部直接近距离面对已装药的钻孔。药剂灌装完成后，远离装灌点。观察裂隙发展情况时应更加小心；③、胀裂剂浆体碱性较强，施工现场应专门备好清水和毛巾，冲孔时如药剂进入眼内和皮肤上，应立即用清水冲洗，情况严重者立即送医院清洗治疗。

（8）注浆

刚钻完孔和刚冲孔的钻孔，孔壁温度较高，此时不宜立即注浆，注浆的时机最适宜6-12h后，应确定温度正常符合要求并清洗干净后方可注浆。注浆时，向带有刻度的注浆桶内，倒入预先设计好的膨胀剂浆体量，注浆桶连接注浆泵，利用注浆泵压入法注浆，注浆泵的压力要大于2MPa，当注浆桶内无浆液时，停止注浆。各孔所需的膨胀剂浆体量为:

式中：为注浆系数0.95；为钻孔直径，单位m；为孔深，单位m；为封孔器长度，单位m；为膨胀剂浆体量，单位m³。

注浆结束以后，要回收注浆管，将注浆管从封孔器中拧下，封孔器留在孔内。注浆后孔内情况如图3所示。

（9）拆除临时支护

4、5、6、7、8步骤操作工序完成以后，将所支设的临时支护拆除，本次循环工作基本结束，下一循环也是按照上述。

注浆前，由于锚杆锚索的加固作用，巷道顶板不能随采煤工作面放顶而及时冒落，形成工作面端头后部大范围的悬顶，各个钻孔在没有注浆之前，孔壁保持完整无损，整个顶板内部形成稳定的结构，注浆前顶板悬顶情况、孔内情况如图4和图6所示；注浆一段时间以后，由于孔内膨胀剂的膨胀作用，各孔在距孔口0.5m处发生胀碎，导致孔附近顶板结构发生破坏，顶板内部结构失稳，最终冒落，注浆一段时间后，顶板冒落情况、孔内变化情况如图5和图7所示。 

Claims (4)

1.一种综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，其所述方法是按下列步骤进行：

（1）根据直接顶顶板类别，在综采工作面端头回采巷道顶板需要人工控制垮落的部位施工多排钻孔；

（2）若钻孔（1）内部整体性好，孔壁无裂纹时，在孔内距孔口0.5m处安设封孔器（2）；若钻孔（1）内部整体差，孔壁有明显裂隙，导致漏浆，影响注浆效果时，需先在孔内安设柔性塑料套筒（4），并在塑料套筒内距孔口0.5m处安设封孔器（2）；

（3）将煤岩膨胀剂与水按重量比为7:3混合；将温度控制在15℃以下进行搅拌，制得膨胀剂浆体（3）；

（4）将上述步骤（3）制得膨胀剂浆体（3）在10min内，用注浆泵通过封孔器（2）直接注入上述步骤（1）的钻孔内或上述步骤（2）的柔性塑料套筒（4）内；

（5）等待孔内膨胀剂发生膨胀，多个钻孔内膨胀剂联合作用使综采工作面端头回采巷道顶板被挤压破裂达到垮落的目的；

所述钻孔（1）同方向孔距和孔径的关系满足下列公式：

                                      （1）

式中：为同方向孔距，单位m，为孔口孔径，单位m，为钻孔密度调整系数；

钻孔深度为目标破碎体的90%；钻孔水平角度分为与回采巷道轴线向采空侧方向45°和与回采巷道轴线背采空侧方向45°两种；

所述钻孔密度调整系数为1.25时，用于中等稳定顶板；为1时，用于稳定顶板；为0.8时，用于非常稳定顶板；

所述煤岩膨胀剂由CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃组成，其中90%以上是CaO；煤岩膨胀剂和水混合后，用机械或手工，用手搅拌要戴橡胶手套，搅拌成具有流动性的均匀浆体，确保胀裂剂完全溶解到水中，若膨胀剂和水反应速度过快，需加入重量不超过总重量1%的工业碱抑制反应速率； 

所述柔性塑料套筒（4）内所需膨胀剂浆体的量是按公式进行计算：

                                （2）

式中：为注浆系数0.95；为钻孔直径，单位m；为孔深，单位m；为封孔器长度，单位m；为膨胀剂浆体量，单位m³。

2.如权利要求1所述的综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，其所述的直接顶顶板类别包含中等稳定顶板、稳定顶板和非常稳定顶板。

3.如权利要求1所述的综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，其所述柔性塑料套筒（4）的直径和钻孔孔径相同，长度与孔深相等，两端筒口保持开放状态，厚度为0.3-0.5mm之间。

4.如权利要求1所述的综采工作面端头回采巷道顶板控制垮落法，其所述注浆泵的压力大于2MPa。