CN108442929A - 厚煤层错层位外错式综放开采沿顶布置钻孔预裂顶煤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚煤层错层位外错式综放开采沿顶布置钻孔预裂顶煤的方法。当煤层埋藏较浅、厚度较大、煤体比较坚硬、有较厚夹矸层时(统称为坚硬厚煤层)，矿山压力作用不能使顶煤及时垮落和充分破碎，应力水平难以达到破坏顶煤致密煤块的程度。并且块体大，不易从支架后方放出。错层位外错式综放开采，其中一条回风巷道沿顶布置，可利用沿顶巷道水平布置钻孔，钻孔注静态破碎剂预裂顶煤利于裂隙发育。煤体裂隙分布对顶煤可放性的影响煤体裂隙分布对其可放性的影响主要有两个方面:一是裂隙面的存在降低了煤体的强度；二是裂隙的密度、组数和贯通性等的增大,使煤体冒落的块度减小,易于放出。完成顶煤预裂，增加顶煤回收率，减少采空区遗煤自燃发火严重的隐患，保证工作面安全高效生产。

Description

厚煤层错层位外错式综放开采沿顶布置钻孔预裂顶煤

技术领域

本发明专利涉及一种厚煤层错层位外错式综放开采沿顶布置钻孔预裂顶煤的方法，特别适用于浅埋顶煤硬度较大和含夹矸的煤层。

背景技术

20世纪50年代以来，由于西方工业化国家对煤炭能源的需求较高，厚煤层开采技术发展进程较快。经过60多年来国内外学者对厚煤层开采方法的研究与实践，研究成果归纳起来主要有四种开采方法：综放开采、大采高综采、大采高综放、错层位综放开采及分层开采。而其中综放开采和错层位开采又是我国常使用的厚煤层开采方法，分为机采部分和放落部分，放落部分主要体现在是顶煤冒放特征、顶煤运移规律、顶煤破坏机理方面，由于顶煤的存在,老顶的运动效应将被“弱化”。

错层位顶煤开采方法实际上是高落放矿法和长壁开采法相结合而成的一种采煤方法，放顶煤开采的基本原则是“以放为主，以采促放”。综采放顶煤开采中，顶煤只有在到达支架放煤口位置时及时垮落和充分破碎，才有可能被安全充分地放出。因此，顶煤及时垮落和充分破碎是采用综采放顶煤采煤方法的基本前提和必要条件。

综放采场矿压显现更加剧烈，大尺度的顶煤体能否在矿山压力的作用下破碎、冒落、放出，实现综放工作面的高采出率，已成为制约厚煤层采用综放开采的关键技术问题。将顶煤沿横向从实体煤至采空区依次分为原岩应力区、弹性区、塑性区和散体区并确定了分区原则(图4)，该分区方法从力学角度直观有效地看出顶煤体的介质转化特征。在放顶煤开采中，顶煤破坏的主要动力来自矿山压力，顶煤能否及时垮落和充分破碎主要取决于煤体的整体强度和矿山压力的大小。当煤层埋藏较浅、厚度较大、煤体比较坚硬、有较厚夹矸层时(统称为坚硬厚煤层)，矿山压力作用不能使顶煤及时垮落和充分破碎，这将使大量顶煤难以回收，造成资源采出率低，并埋下采空区遗煤自然发火严重的隐患，同时也必将严重威胁工作面安全生产，严重制约工作面产效的提高。因此采矿界曾经普遍认为坚硬厚煤层不能采用综采放顶煤技术开采。要将综采放顶煤采煤方法应用于坚硬厚煤层的开采中，就必须首先解决坚硬顶煤垮冒难的问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是在厚煤层错层位外错式综放开采中沿顶巷道布置钻孔预裂提高顶煤冒放性，能有效解决坚硬煤层顶煤垮冒难的问题，提高工作面回收率，特别适用于顶煤硬度较大合含夹矸的煤层中不易放落的问题。

技术方案实施步骤：

a图1中首采工作面回风巷道(沿顶巷道)(3)超前工作面5m处布置钻机(5)，向实体煤体中打设钻孔(4)预裂顶煤。钻孔(4)打设角度全部取0°，和上覆岩层顶板平行打钻孔(4)，钻孔(4)水平方向倾斜一定角度打设，包括支架上方顶煤。

b钻孔(4)打设完毕后，利用钻孔中注静态破碎剂预裂顶煤(图3b)，然后继续推进工作面，支架后尾梁进行放煤作业。

c随着工作面的不断推进，不断重复a、b步骤，完成顶煤预裂，增加顶煤回收率。

步骤b中，厚煤层综放开采时，顶煤普氏系数越大，越难以破碎放冒。下面分析顶煤破碎的过程：1.顶煤始动点越超前煤壁，累计位移量越大，顶煤破碎越充分。2.顶煤移动初期，水平移动为主(三向受力)，随着工作面推进，垂直位移增大。软煤在煤壁附近垂直位移超过水平，硬煤在煤壁后1m，支架对顶煤支承近似三向受力。坚硬顶煤内部结构致密含裂隙量较少。在采动影响下，应力水平难以达到破坏致密煤块的程度。并且块体大，不易从支架后方放出(图3a)。

破碎剂与水调和成浆状，注入顶煤钻孔内，通过化合反应，生成膨胀性的水化物。随着化学反应的进行，破碎剂的温度会出现一定程度的上升，体积膨胀，在煤岩体内会产生径向压应力和切向拉应力的双向应力。

就单个裂隙来讲,有以下公式:

式中R_L—裂隙煤层的抗压强度；R_c—整体煤层的抗压强度；C_l—沿裂隙面的粘结力；C—整体煤层的粘结力；f_l—沿裂隙方向的摩擦因数；f—煤体的摩擦因数；α—载荷与裂隙面的夹角。

注入破碎剂在钻孔(4)中所产生的膨胀压力，可以通过实验室测定破碎剂在钢管中反应后所产生的轴向和切向应变值，利用下式来计算管中径向与轴向的压力：

式中，P_r，P_z——径向和轴向膨胀压力；a,b——钢管的内径与外径；E，μ——钢管的弹性模量和泊松比；ε_θ，εz——钢管的外壁的切向和轴向应变值。

破碎剂破碎机理如图所示，将破碎圈的煤岩体视为一个弹性体厚壁筒，其内半径(钻孔半径)为r₁,外半径为r₂，作用在钻孔壁上的膨胀压力为P_r，则在厚壁筒内任意半径r处的切向拉升应力σ_θ可用下式求得：

当切向拉伸应力σ_θ所产生的变形超过顶煤的抗拉断变形量时，顶煤中便会产生破裂，出现裂隙，煤层中节理裂隙发育大大降低了顶煤的综合强度。总的来讲,裂隙发育程度高利于顶煤的再次破碎与冒落成均质松散体,从而在顶煤放出时具有明显的规律性,回收率高。

有益效果：工作面煤壁前方上覆岩层压力和侧向约束减弱，煤体出现纵向拉伸和剪切，拉应力集中等。裂隙发育不发育，冒落角小，冒落块体大，都要人工软化顶板。超前支承压力和径向支承压力应力差越大，顶煤剪应力越大，顶煤剪切破坏。当沿工作面方向侧向约束减小时，煤体拉伸应变大于煤体极限应变，煤体发生拉伸破坏。过去钻孔注浆预裂，需要沿顶开掘一条沿顶巷道，然后再向煤层中注浆软化顶煤。而错层位外错式综放开采，其中一条回风巷道沿顶布置，可利用沿顶巷道水平布置钻孔，因煤层具有层状结构，钻孔注浆预裂顶煤利于裂隙发育。煤体裂隙分布对顶煤可放性的影响煤体裂隙分布对其可放性的影响主要有两个方面:一是裂隙面的存在降低了煤体的强度；二是裂隙的密度、组数和贯通性等的增大,使煤体冒落的块度减小,易于放出。

附图说明

图1本发明在工作面推进方向的剖面图。

图2本发明在工作面内布置俯视图。1.接续面沿空巷道；2.首采面回风巷道(沿顶巷道)；3.首采面进风巷道；4.顶煤中的钻孔；5.工作面钻机。

图3顶煤裂隙发育情况。a顶煤未钻孔预裂裂隙发育情况；b.顶煤钻孔预裂(注静态破碎剂)后裂隙发育情况。

图4顶煤分区图。Ⅰ.原始状态区；Ⅱ.压缩变形区；Ⅲ.拉剪破坏区；Ⅳ.散体冒放区。

具体实施步骤

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述：

本发明的厚煤层错层位外错式综放开采沿顶布置钻孔预裂顶煤的方法，具体步骤如下：

a图1中首采工作面回风巷道(沿顶巷道)(3)超前工作面5m处布置钻机(5)，向实体煤体中打设钻孔(4)预裂顶煤。钻孔(4)打设角度全部取0°，和上覆岩层顶板平行打钻孔(4)，钻孔(4)水平方向倾斜一定角度打设，包括支架上方顶煤。

b钻孔(4)打设完毕后，利用钻孔中注破碎剂预裂顶煤(图3b)，然后继续推进工作面，支架后尾梁进行放煤作业。

c随着工作面的不断推进，不断重复a、b步骤，完成顶煤预裂，增加顶煤回收率。

步骤b中，厚煤层综放开采时，顶煤普氏系数越大，越难以破碎放冒。下面分析顶煤破碎的过程：1.顶煤始动点越超前煤壁，累计位移量越大，顶煤破碎越充分。2.顶煤移动初期，水平移动为主(三向受力)，随着工作面推进，垂直位移增大。软煤在煤壁附近垂直位移超过水平，硬煤在煤壁后1m，支架对顶煤支承近似三向受力。坚硬顶煤内部结构致密含裂隙量较少。在采动影响下，应力水平难以达到破坏致密煤块的程度。并且块体大，不易从支架后方放出(图3a)。

破碎剂与水调和成浆状，注入顶煤钻孔内，通过化合反应，生成膨胀性的水化物。随着化学反应的进行，破碎剂的温度会出现一定程度的上升，体积膨胀，在煤岩体内会产生径向压应力和切向拉应力的双向应力。

就单个裂隙来讲,有以下公式:

式中R_L—裂隙煤层的抗压强度；R_c—整体煤层的抗压强度；C_l—沿裂隙面的粘结力；C—整体煤层的粘结力；f_l—沿裂隙方向的摩擦因数；f—煤体的摩擦因数；α—载荷与裂隙面的夹角。

注入破碎剂在钻孔(4)中所产生的膨胀压力，可以通过实验室测定破碎剂在钢管中反应后所产生的轴向和切向应变值，利用下式来计算管中径向与轴向的压力：

式中，P_r，P_z——径向和轴向膨胀压力；a,b——钢管的内径与外径；E，μ——钢管的弹性模量和泊松比；ε_θ，εz——钢管的外壁的切向和轴向应变值。

将破碎圈的煤岩体视为一个弹性体厚壁筒，其内半径(钻孔半径)为r₁,外半径为r₂，作用在钻孔壁上的膨胀压力为P_r，则在厚壁筒内任意半径r处的切向拉升应力σ_θ可用下式求得：

当切向拉伸应力σ_θ所产生的变形超过顶煤的抗拉断变形量时，顶煤中便会产生破裂，出现裂隙，煤层中节理裂隙发育大大降低了顶煤的综合强度。总的来讲,裂隙发育程度高利于顶煤的再次破碎与冒落成均质松散体,从而在顶煤放出时具有明显的规律性,回收率高。

结合公式2、3可知，当切向拉伸应力σ_θ大于裂隙顶煤的抗压强度R_L，顶煤就会发生裂隙扩张，因煤层具有层状结构，利于裂隙发育，会产生更多垂直工作面的裂隙和平行工作面的裂隙交错，增加冒放特性。

Claims (1)

1.一种厚煤层错层位外错式综放开采沿顶布置钻孔预裂顶煤的方法，其特征在于

采用错层位外错式沿顶巷道打设钻孔注破碎剂顶煤预裂技术使坚硬顶煤产生裂隙减小放出顶煤的块体大小提高回收率，具体步骤如下：

a.图1中首采工作面回风巷道(沿顶巷道)(3)超前工作面5m处布置钻机(5)，向实体煤体中打设钻孔(4)预裂顶煤。钻孔(4)打设角度全部取0°，和上覆岩层顶板平行打钻孔(4)，钻孔(4)水平方向倾斜一定角度打设，包括支架上方顶煤。

b.钻孔(4)打设完毕后，利用钻孔中注静态破碎剂预裂顶煤(图3b)，然后继续推进工作面。支架后尾梁进行放煤作业。

c.随着工作面的不断推进，不断重复a、b步骤，完成顶煤预裂，增加顶煤回收率。