CN102758629B - 一种钻孔弱化岩石使综采工作面直接过陷落柱的方法 - Google Patents
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Abstract
一种钻孔弱化岩石使综采工作面直接过陷落柱的方法，其所述方法是确定陷落柱边界，陷落柱岩石取样，测定岩石的单轴抗压强度，测定综采工作面的支承压力大小及其影响范围，据陷落柱岩石单轴抗压强度和综采工作面前方支承压力大小及其影响范围，确定陷落柱钻孔参数；然后确定采煤机过陷落柱时的合理截深。本发明据陷落柱岩石的力学特性对岩体钻孔，降低了陷落柱岩石的力学强度，从而使综采工作面直接过陷落柱，解决了综采工作面跳过、绕过与直接硬过陷落柱时，巷道掘进与支护工程量、煤炭损失量和搬家工作量大的问题，此方法经济实用、简便快捷、安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种综采工作面直接过陷落柱的方法，尤其是一种弱化岩石使综采工作面直接过陷落柱的技术方案。
背景技术
煤系地层下部石灰岩层经地下水溶蚀形成溶洞，在上覆岩层重力和地质构造力长期作用下，溶洞坍塌，上覆岩层失稳、塌陷，形成陷落柱，又称无炭柱。陷落柱是一种地质灾害体，广泛分布在我国华北石炭二叠纪煤系地层中，它破坏了煤层的连续性，严重影响煤矿正常生产。与煤相比，陷落柱内岩石具有块度大、强度高的特点，严重影响采煤机组正常截割，导致综采工作面难以直接通过。因此，寻找一种使综采工作面直接通过陷落柱的方法是煤矿开采中亟待解决的一个技术难题。
目前，综采工作面通过陷落柱的方法主要有搬家跳采、开掘绕巷和直接硬过三种。其中，搬家跳采和开掘绕巷的方法都属于避过陷落柱的处理方法，需要另掘切眼或巷道，具有巷道掘进与支护工程量大的问题。搬家跳采的方法，也具有另掘开切眼巷道工程量大、重新安装设备搬家工期长、实践中每次需要40-70天，影响工作面正常生产、煤炭资源损失量大等严重缺陷；开掘绕巷具有工艺复杂，工作面回缩、对接困难，浪费煤炭资源等缺陷；直接硬过目前存在的主要问题则是对于块度和硬度较大的岩石采煤机组切割困难，对采煤设备造成的损害严重。当采用爆破做为直接硬过的辅助破岩方式时，崩落岩块大小不一，岩块的抛掷力、抛出量和抛掷距离难以控制，不利于装运，且易诱发冒顶事故，存在重大安全隐患，严重威胁人员安全。申请人之前申请了“一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法”，该方法是向陷落柱钻注液孔，通过向陷落柱岩石注入化学溶液，软化陷落柱岩石，选取合理的采煤机截深，使综采工作面可直接通过陷落柱。但是还存在不足在于该方法工艺繁琐复杂，陷落柱距开切眼较近时，软化时间较长，影响工作面正常生产。因此，寻求一种经济实用、简便快捷、安全可靠、煤炭损失少的综采工作面直接过陷落柱的方法十分必要。
在现有技术条件下，影响综采工作面直接过陷落柱的主要问题是陷落柱内部的岩石块度较大、岩石力学强度较高，采煤机组难于正常截割。因此寻求一种简便快捷的弱化陷落柱岩石的方法，并根据对陷落柱岩石的弱化效果，再采用合理的采煤机截割深度成为解决该问题的关键技术。现有的研究成果说明，在岩体中钻孔，钻孔周围产生应力集中，集中应力高于岩石的力学强度，会造成岩石破坏，在钻孔周围形成一个破裂圈，弱化了岩石；另外，当采煤机截割的陷落柱为实体岩石时，岩石受压剪破坏；而当截割的陷落柱变为蜂窝状空心岩石时，岩石受拉剪破坏，岩石抗拉强度远小于抗压强度。因此通过钻孔弱化陷落柱岩石，是确保综采工作面直接通过陷落柱的一种行之有效的方法。
发明内容
本发明提供一种钻孔弱化岩石使综采工作面直接过陷落柱的方法，以解决现有技术中综采工作面过陷落柱的方法工艺复杂，经济实用性差和时间周期长的问题。
基于上述问题和目的，本发明提供一种钻孔弱化岩石使综采工作面直接过陷落柱的方法，其所述方法是按下列步骤进行的：
Ⅰ、通过钻探或物探确定陷落柱边界；
Ⅱ、对陷落柱岩石钻探取样，测定陷落柱岩石的单轴抗压强度；
Ⅲ、测定综采工作面前方支承压力的大小及其影响范围；
Ⅳ、根据陷落柱岩石的单轴抗压强度、综采工作面采高和前方支承压力大小及其影响范围，确定陷落柱的钻孔位置和钻孔参数：
所述钻孔位置为工作面煤壁前方支承压力影响范围60m~120m以外；
所述钻孔参数：钻孔直径42mm~75mm；钻孔与综采工作面煤壁之间的水平转角0°~25°；设置2~3层钻孔，孔间距800mm～2500mm；
Ⅴ、根据综采工作面所用采煤机的截割性能与液压支架的护顶性能，确定采煤机过陷落柱时的合理截深为200mm~600mm。
在上述技术方案中，进一步的附加技术特征在于：
综采工作面采高1.5m≤h≤2.5m时，设置2层钻孔；综采工作面采高2.5m＜h≤3.5m
时，设置3层钻孔。
陷落柱岩石单轴抗压强度为10MPa~70MPa。
陷落柱岩石单轴抗压强度为10MPa≤σc＜30MPaMPa的钻孔参数：直径42mm~50mm；钻孔间距2000mm～2500mm。
陷落柱岩石单轴抗压强度为30MPa≤σc＜50MPa的钻孔参数：直径50mm~65mm；钻孔间距1500mm～2000mm。
陷落柱岩石单轴抗压强度为50MPa≤σc≤70MPa的钻孔参数：直径65mm~75mm；钻孔间距800mm～1500mm。
本发明上述所提供的钻孔弱化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法，根据陷落柱的岩石力学特性，布置钻孔，在钻孔周围形成一定的破裂区，降低岩石的力学强度。当采煤机滚筒截割陷落柱岩石时，在钻孔周围产生应力集中，集中应力高于岩石力学强度，造成陷落柱岩石易于被截割，从而使综采工作面可直接通过陷落柱。与现有技术相比，大大地减少了综采工作面跳过、绕过与直接硬过陷落柱时的巷道掘进与支护工程量、煤炭损失量和搬家工作量，确保了综采工作面的正常推进，是一种经济实用、简便快捷、安全可靠、煤炭损失少的综采工作面直接过陷落柱的方法。
附图说明
图1是本发明陷落柱钻孔周围岩石破裂情况示意图。
图2是本发明某一矿综采工作面陷落柱钻孔布置平面示意图。
图3是本发明某一矿综采工作面陷落柱钻孔布置剖面示意图。
图4是本发明某二矿综采工作面陷落柱钻孔布置平面示意图。
图5是本发明某二矿综采工作面陷落柱钻孔布置剖面示意图。
图中：1、开切眼；2、运输顺槽；3、回风顺槽；4、陷落柱；5、钻孔；a为综采工作面采高； 
为岩石垂直应力；
为岩石水平应力；b为顶层孔距顶板距离；c为钻孔层距；d为底层孔距底板距离；e为钻孔间距。
具体实施方式
以下结合附图由具体实施例对本发明的具体实施方式进一步说明。
实施方式1
实施本发明所提供的一种钻孔弱化岩石使综采工作面直接过陷落柱的方法，其所述方法是按下列步骤进行的：
步骤一、如图2和图3所述，通过物探方法，利用质子旋进磁力仪测定某一矿综采工作面前方地质情况，测定过程中将探头与地磁场方向垂直。经测定陷落柱4形状近似椭圆形，其长轴116m，短轴77m，陷落柱4距离回风顺槽3最近处为26.5m。
步骤二、对陷落柱岩石进行钻探取样，将岩样制成标准试件，在电液伺服万能试验机上测得其岩样的单轴抗压强度为35.4MPa。
步骤三、按照钻孔应力计的安装要求钻出钻孔，将压力枕按预定方向送入孔内。向压力枕注油使其膨胀，当达到并稳定在设定压力值时，闭锁注油阀，进行观测。测定综采工作面超前支承压力峰值为32.4MPa，其支承压力受采动影响范围为0m~65m，65m以后垂直压力为19.7MPa。
步骤四、根据该矿陷落柱岩石的力学特性，钻孔直径为50mm时围岩卸压半径为750mm。当综采工作面采至陷落柱前70m时，在回风顺槽3中平行于工作面向陷落柱进行水平钻孔。基于本工作面采高a为2m和钻孔破坏半径750mm考虑，布置钻孔5，见图3。沿工作面开采厚度布置两层孔，上下孔呈三角形排列，顶层孔距顶板距离b、底层孔距底板距离d和钻孔层距c分别为工作面所开采煤层厚度的2/5、1/5和2/5，钻孔间距e为1500mm。
步骤五、综采工作面推进至陷落柱时，考虑陷落柱岩体实际弱化效果和顶板管理的难易程度，确定该综采工作面直接过陷落柱期间采煤机的截深为400mm。在上述工程参数下，该综采工作面实现了与平时相近的推进速度直接过陷落柱，取得了明显的技术经济效益。
实施方式2
步骤一、参考图4及图5，通过钻探方法，测定陷落柱4形状近似椭圆形，其长轴96m，短轴67m，陷落柱4距离回风顺槽3最近处23.6m。
步骤二、对陷落柱岩石进行钻探取样，将岩样制成标准试件，在电液伺服万能试验机上测得其岩石的单轴抗压强度为23.7MPa。
步骤三、按照钻孔应力计的安装要求钻出钻孔，把压力枕按预定方向送入孔内。向压力枕注油使其膨胀，当达到并稳定在设定压力值时，闭锁注油阀，进行观测。测定综采工作面超前支承压力峰值为52.9MPa；其支承压力受采动影响范围为0m~70m，70m以后支承压力为28.2MPa。
步骤四、根据该矿陷落柱岩石的力学特性，钻孔直径为42mm时围岩卸压半径为1150mm。当综采工作面采至陷落柱前75m时，在回风顺槽3中与工作面煤壁呈15°的水平转角向陷落柱进行钻孔。基于本工作面采高a为3m和钻孔破坏半径1150mm考虑，布置钻孔5，见图5。沿工作面开采厚度布置三层孔，钻孔采用五花眼的布置方式，顶层孔距顶板距离b、底层孔距底板距离d和钻孔层距c分别为工作面所开采煤层厚度的3/13、4/13和2/13，钻孔间距e为2300mm。
步骤五、综采工作面推进至陷落柱时，考虑陷落柱岩体实际弱化效果和顶板管理的难易程度，确定该综采工作面直接过陷落柱期间采煤机的截深为600mm。在上述工程参数下，该综采工作面实现了与平时相同的推进速度直接过陷落柱，取得了明显的技术经济效益。
Claims (5)
1.一种钻孔弱化岩石使综采工作面直接过陷落柱的方法，其所述方法是按下列步骤进行的：
Ⅰ、通过钻探或物探确定陷落柱边界；
Ⅱ、对陷落柱岩石钻探取样，测定陷落柱岩石的单轴抗压强度；
Ⅲ、测定综采工作面前方支承压力的大小及其影响范围；
Ⅳ、根据陷落柱岩石的单轴抗压强度、综采工作面采高和前方支承压力大小及其影响范围，确定陷落柱的钻孔位置和钻孔参数：
所述钻孔位置为工作面煤壁前方支承压力影响范围60m~120m以外；
所述钻孔参数：钻孔直径42mm~75mm；钻孔与综采工作面煤壁之间的水平转角0°~25°；设置2~3层钻孔，孔间距800mm～2500mm；
Ⅴ、根据综采工作面所用采煤机的截割性能与液压支架的护顶性能，确定采煤机过陷落柱时的合理截深为200mm~600mm。
2.如权利要求1所述的方法，其所述综采工作面过陷落柱岩石的单轴抗压强度10MPa~70MPa。
3.如权利要求2所述的方法，陷落柱岩石单轴抗压强度为10MPa≤σc＜30MPa的钻孔参数：直径42mm~50mm；钻孔间距2000mm～2500mm。
4.如权利要求2所述的方法，陷落柱岩石单轴抗压强度为30MPa≤σc＜50MPa的钻孔参数：直径50mm~65mm；钻孔间距1500mm～2000mm。
5.如权利要求2所述的方法，陷落柱岩石单轴抗压强度为50MPa≤σc≤70MPa的钻孔参数：直径65mm~75mm；钻孔间距800mm～1500mm。
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