CN103321642B - 一种基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法，用来预裂所述沿空留巷上方的老顶。在本方法中，在巷道回采侧煤壁内施工一个钻场，在钻场内向回采侧顶板施工2组共6个沿巷道走向呈小水平转角的超前预裂爆破孔，超前工作面10～40m装入炸药爆破。本方法可以预裂顶板岩层，保证其在墙体外侧指定位置破断，隔断回转下沉的老顶岩块与沿空留巷围岩的联系，从而减缓沿空留巷围岩支承压力，缩短采动应力作用时间，具有操作简单、施工效率高、速度快的效果。

Description

一种基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法

技术领域

本发明涉及对煤矿沿空留巷围岩的处理方法，尤其是一种沿空留巷充分卸压顶板控制方法。

背景技术

沿空留巷技术是煤矿开采的一项重大改革，其技术优势和经济效益十分显著。到目前为止，我国在沿空留巷围岩控制理论与技术研究方面取得了大量成果，条件较好的薄及中厚煤层采煤工作面的沿空留巷技术已日趋完善。但随着开采条件的日趋复杂，沿空留巷围岩控制难题凸显，围岩压力过大，巷道大变形甚至失稳破坏，导致留巷失败，严重制约了沿空留巷技术的推广应用。

沿空留巷围岩变形是上覆岩层运动带来的附加变形和高支承压力共同作用的结果。如图1所示，工作面回采过后，老顶断裂形成块体A6、块体B7、块体C8的结构，块体B7的一端在煤层1上方破断，另一端在采空区4破断并与块体C8形成铰接结构。在块体B7回转下沉的过程中，沿空留巷2的围岩承受的支承压力急剧增大。

现行沿空留巷围岩控制理论与实践仅局限于对巷道围岩小结构的加强与控制，即强调巷道围岩支护、巷旁支护、巷内辅助加强等手段，这些支护技术不足以有效抵抗断裂形成的块体在回转下沉中带来的附加变形和高支承压力，留巷围岩变形剧烈。

发明内容

为解决目前沿空留巷巷道围岩变形控制难题，本发明在分析沿空留巷围岩结构特征的基础上，提出一种促使沿空留巷充分卸压的顶板控制方法，施工2组与巷道走向成小水平转角的超前钻孔并爆破预裂，充分松动墙体外侧老顶岩层，改变老顶10的破断形态，使其在墙体外侧破断，形成块体A'17-块体B'18-块体C'19的结构，由于块体B'18与块体A'17的破断位置在墙体外侧，从而完全隔断了回转下沉的老顶岩块与沿空留巷上覆岩层的联系，从根本上大幅缓解沿空留巷围岩支承压力，优化留巷区域应力场，并促使老顶岩块回转变形过程尽快稳定，缩短其对留巷围岩的作用时间，达到控制沿空留巷变形的目的。

本发明基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法包括以下步骤：

（1）超前工作面50～100m，在靠巷道回采侧煤壁内施工一处钻场；

（2）施工Ⅰ组钻孔和Ⅱ组钻孔，Ⅰ组钻孔包括Ⅰ（a）、Ⅰ（b）和Ⅰ（c）3个钻孔，Ⅱ组钻孔包括Ⅱ（a）、Ⅱ（b）和Ⅱ（c）3个钻孔；所述钻孔参数描述如下：

①钻孔直径：Ⅰ组钻孔直径60mm，Ⅱ组钻孔直径75mm；

②钻孔起始位置：所有钻孔起始位置均在钻场顶板，Ⅰ组钻孔距巷道帮部2～3.5m，Ⅱ组钻孔距巷道帮部3～5m，2组钻孔起始位置相距设置；

③钻孔终孔位置：所有钻孔终孔位置均位于老顶内，老顶的垂直厚度为H；

④钻孔水平转角：Ⅰ（a）和Ⅱ（a）钻孔水平转角2°，Ⅰ（b）和Ⅱ（b）钻孔水平转角5°，Ⅰ（c）和Ⅱ（c）钻孔水平转角8°；

⑤所有钻孔在巷道轴线上的投影长度相等，且均为L1=3～4（H+h）；

（3）超前工作面10～40m，对每个钻孔进行装药，钻孔装药段和封孔段长度同时满足以下条件：

①仅在老顶范围钻孔内装药；

②装药段下端距煤层的垂直距离大于3m；

③封孔段长度大于5m。

（4）装药完毕后，用炮泥封孔，采用串联电起爆网路，实施起爆；

（5）循环施工，在距上一个钻场L2的距离施工下一个钻场，且施工循环步距L2与钻孔在巷道轴线上的投影长度L1满足L2≤4/5L1。

优选地，所述钻孔中采用煤矿三级安全水胶炸药。其中，Ⅰ组钻孔采用长度1m、直径40mm的药卷，每个药卷中安放1根1m的煤矿许用导爆索及2发煤矿许用瞬发电雷管；Ⅱ组钻孔采用长度1m、直径60mm的药卷，每个药卷中安放1根1m的煤矿许用导爆索及2发煤矿许用8号1～5段毫秒延期电雷管。

优选地，所述两组钻孔中，Ⅰ组钻孔和Ⅱ组钻孔平行，且Ⅰ组钻孔与Ⅱ组钻孔起始位置相距1～1.5m。

优选地，Ⅰ组钻孔装药量小于Ⅱ组钻孔装药量。

优选地，Ⅰ组钻孔采用瞬发电雷管，Ⅱ组钻孔采用延时电雷管。

优选地，施工的钻孔终孔位置均位于老顶内，且Ⅰ（a）和Ⅱ（a）钻孔终孔位置距老顶底部垂直距离为H/3，Ⅰ（b）和Ⅱ（b）钻孔终孔位置距老顶底部垂直距离为2H/3，Ⅰ（c）和Ⅱ（c）钻孔终孔位置距老顶底部垂直距离为H。

本发明的有益效果如下：

（1）调整沿空留巷上方顶板断裂位置，使老顶在充填体外侧位置断裂，完全隔断大块度回转老顶与沿空留巷围岩的联系，消除断裂后形成的块体回转下沉对沿空留巷围岩的作用，大幅减小因大块度老顶在沿空留巷上方运动带来的高支承压力，实现留巷区域应力场分布的优化；

（2）加快顶板破断、回转速度，促使老顶回转变形过程尽快稳定，缩短采动应力作用时间。

附图说明

图1是沿空留巷围岩结构示意图；

图2是本发明的施工工艺主视图；

图3是本发明的施工工艺俯视图；

图4是本发明的施工工艺侧视图；

图5是优化的沿空留巷围岩结构示意图。

图中：1-煤层，2-巷道，3-充填墙体，4-采空区，5-直接顶，6-块体A，7-块体B，8-块体C，9-钻场，10-老顶，11-Ⅰ（a）钻孔，12-Ⅰ（b）钻孔，13-Ⅰ（c）钻孔，14-Ⅱ（a）钻孔，15-Ⅱ（b）钻孔，16-Ⅱ（c）钻孔，17-块体A'，18-块体B'，19-块体C'

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

在图1、2、5所示的生产系统中，标号1所示的是煤层，2是留空巷道，3是填充墙体，4为采空区。煤层1上是直接顶5，生产系统的最上层是老顶10。

本实施例涉及沿空留巷充分卸压顶板控制方法，可以预裂顶板岩层，保证其在墙体外侧破断，从而使墙体外侧老顶岩层松动预裂，能够改善沿空留巷上覆岩层运动形态，减缓沿空留巷围岩支承压力，缩短采动应力作用时间。本方法的步骤如下：

（1）超前工作面50～100m，在靠巷道回采侧煤壁内施工一处钻场9；

（2）施工Ⅰ组钻孔和Ⅱ组钻孔，Ⅰ组钻孔包括Ⅰ（a）、Ⅰ（b）和Ⅰ（c）3个钻孔，其标号分别为11、12、13；Ⅱ组钻孔包括Ⅱ（a）、Ⅱ（b）和Ⅱ（c）3个钻孔，其标号分别为14、15、16。所述钻孔参数描述如下：

①钻孔直径：Ⅰ组钻孔直径60mm，Ⅱ组钻孔直径75mm；

②钻孔起始位置：所有钻孔起始位置均在钻场9顶板，Ⅰ组钻孔距巷道帮部2～3.5m，Ⅱ组钻孔距巷道帮部3～5m，2组钻孔起始位置相距1～1.5m；

③钻孔终孔位置：所有钻孔的终孔位置均位于老顶10内，Ⅰ（a）和Ⅱ（a）钻孔终孔位置距老顶底部垂直距离为H/3，Ⅰ（b）和Ⅱ（b）钻孔终孔位置距老顶底部垂直距离为2H/3，Ⅰ（c）和Ⅱ（c）钻孔终孔位置距老顶底部垂直距离为H；

④钻孔水平转角：Ⅰ（a）和Ⅱ（a）钻孔水平转角2°，Ⅰ（b）和Ⅱ（b）钻孔水平转角5°，Ⅰ（c）和Ⅱ（c）钻孔水平转角8°；

⑤所有钻孔在巷道轴线上的投影长度相等，且均为L1=3～4（H+h），其中，h是直接顶的厚度。如本领域所熟知的，直接顶是指位于煤层之上的岩层，该岩层具有一定的稳定性，但在移架或回柱后会自行垮落。

（3）超前工作面10～40m，对每个钻孔进行装药，炸药采用煤矿三级安全水胶炸药。Ⅰ组钻孔采用长度1m、直径40mm的药卷，每个药卷中安放1根1m的煤矿许用导爆索及2发煤矿许用瞬发电雷管。Ⅱ组钻孔采用长度1m、直径60mm的药卷，每个药卷中安放1根1m的煤矿许用导爆索及2发煤矿许用8号1～5段毫秒延期电雷管。钻孔装药段和封孔段长度同时满足以下条件：

①仅在老顶范围钻孔内装药；

②装药段下端距煤层的垂直距离大于3m；

③封孔段长度大于5m。

（4）装药完毕后，用炮泥封孔，采用串联电起爆网路，实施起爆；

（5）施工循环步距为L2=2～3（H+h），即距上一个钻场L2的距离施工下一个钻场并进行钻孔、装药、爆破施工，且施工循环步距L2与钻孔在巷道轴线上的投影长度L1满足L2≤4/5L1。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法，用来预裂所述沿空留巷上方的老顶，其特征在于，包括以下步骤：

(1)超前工作面50～100m，在靠巷道回采侧煤壁内施工一处钻场；

(2)施工Ⅰ组钻孔和Ⅱ组钻孔，Ⅰ组钻孔包括Ⅰ(a)、Ⅰ(b)和Ⅰ(c)3个钻孔，Ⅱ组钻孔包括Ⅱ(a)、Ⅱ(b)和Ⅱ(c)3个钻孔；所述钻孔参数描述如下：

①钻孔直径：Ⅰ组钻孔直径60mm，Ⅱ组钻孔直径75mm；

②钻孔起始位置：所有钻孔起始位置均在钻场顶板，Ⅰ组钻孔距巷道帮部2～3.5m，Ⅱ组钻孔距巷道帮部3～5m，2组钻孔起始位置相距设置；

③钻孔终孔位置：所有钻孔终孔位置均位于老顶内，老顶的垂直厚度为H；

④钻孔水平转角：Ⅰ(a)和Ⅱ(a)钻孔水平转角2°，Ⅰ(b)和Ⅱ(b)钻孔水平转角5°，Ⅰ(c)和Ⅱ(c)钻孔水平转角8°；

⑤所有钻孔在巷道轴线上的投影长度相等，且均为L1＝3～4(H+h)，h为直接顶厚度；

(3)超前工作面10～40m，对每个钻孔进行装药，钻孔装药段和封孔段长度同时满足以下条件：

①仅在老顶范围钻孔内装药；

②装药段下端距煤层的垂直距离大于3m；

③封孔段长度大于5m；

(4)装药完毕后，用炮泥封孔，采用串联电起爆网路，实施起爆；

(5)循环施工，在距上一个钻场L2的距离施工下一个钻场，且施工循环步距L2与钻孔在巷道轴线上的投影长度L1满足L2≤4/5L1。

2.根据权利要求1所述的基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法，其特征在于：所述钻孔中采用煤矿三级安全水胶炸药；其中，Ⅰ组钻孔采用长度1m、直径40mm的药卷，每个药卷中安放1根1m的煤矿许用导爆索及2发煤矿许用瞬发电雷管；Ⅱ组钻孔采用长度1、直径60mm的药卷，每个药卷中安放1根1m的煤矿许用导爆索及2发煤矿许用8号1～5段毫秒延期电雷管。

3.根据权利要求1所述的基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法，其特征在于：所述两组钻孔中，Ⅰ组钻孔和Ⅱ组钻孔平行，且Ⅰ组钻孔与Ⅱ组钻孔起始位置相距1～1.5m。

4.根据权利要求1所述的基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法，其特征在于：Ⅰ组钻孔装药量小于Ⅱ组钻孔装药量。

5.根据权利要求1所述的基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法，其特征在于：Ⅰ组钻孔采用瞬发电雷管，Ⅱ组钻孔采用延时电雷管。

6.根据权利要求1所述的基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法，其特征在于：施工的钻孔终孔位置均位于老顶内，且Ⅰ(a)和Ⅱ(a)钻孔终孔位置距老顶底部垂直距离为H/3，Ⅰ(b)和Ⅱ(b)钻孔终孔位置距老顶底部垂直距离为2H/3，Ⅰ(c)和Ⅱ(c)钻孔终孔位置距老顶底部垂直距离为H。

7.根据权利要求1所述的一种基于侧向岩层预裂控制的沿空留巷围岩稳定方法，其特征在于：L2＝2～3(H+h)。