CN109209495B - 一种综采工作面的停采面上的切顶卸压保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿山综采面保护永久性巷道围岩稳定的技术领域，尤其涉及一种综采工作面的停采面上的切顶卸压保护方法。该保护方法中，综采工作面的停采面预设在采煤巷区和采空区之间，在三机自停采面撤离以前，对停采面上方的覆岩层进行垂直向上切割，以得到切顶面，切顶面使得停采面上方的覆岩层与采煤巷区上方的覆岩层之间断开，从而在三机处于支护作业时，快速切断停采面上方和采煤巷区上方的覆岩层之间的应力连接，从而有效化解并消除停采面上方的覆岩层高应力对采煤巷区上方的覆岩层应力的影响，从根本上消除了作用到巷道的动压源，进而达到避免或者消除大巷或采区集中巷长期遭受高集中应力作用，最后达到实现保护永久性巷道的长久安全稳定。
Description
技术领域
本发明涉及矿山综采面保护永久性巷道围岩稳定的技术领域，尤其涉及一种综采工作面的停采面上的切顶卸压保护方法。
背景技术
煤矿井下巷道返修是其开采过程必不可少的一项艰巨工程，轻则简单补打锚杆锚索加强支护，重则繁琐扩帮挑顶注浆重新打设锚杆锚索再加固，采动破坏维修巷道不仅围岩稳定性急剧降低，存在严重顶板冒落冒顶风险，潜在威胁着井下矿工的生命安全，而且巷道维修所需费用甚至超过新掘巷道费用，给煤炭企业背上巨大经济安全包袱。故而煤矿采区集中巷或者大巷频繁失稳反复维修，正逐步成为煤矿最典型头疼的疑难治理巷道工程。特别是采区集中巷或大巷单侧或双侧工作面回采到停采线位置，三机等重型设备安全撤离后工作面回采完毕时，也是采区集中巷或大巷发生变形破坏灾变的开始。
在煤矿生产实践中非常重视停采线的合理选取问题，但实践表明，尽管已经从充分延长停采位置距临近巷道的距离，但巷道仍然受到两翼工作面回采后强烈的采动动压的扰动作用，导致采区集中巷或者大巷长久持续再变形再破坏。
目前，针对这种情况，在实践中不得已只能反复采用补打锚杆锚索进行维修，甚至也采用注浆联合锚杆锚索补强加固的方法，但上述方法的治理效果都不尽人意，矿区巷道围岩的变形依然得不到控制，不得不继续反复加固维护，从而形成恶性循环。
发明内容
（一）发明目的
本发明的目的是解决煤矿采区的采煤巷区受到两侧或单侧工作面停采后强烈的采动应力作用，从而引起巷道强烈变形破坏，进而难以确保矿区内永久性巷道长久安全使用的问题。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种综采工作面的停采面上的切顶卸压保护方法，综采工作面的停采面预设在采煤巷区和采空区之间，在三机自所述停采面撤离以前，对所述停采面上方的覆岩层进行垂直向上切割，以得到切顶面，所述切顶面使得所述停采面上方的覆岩层与采煤巷区上方的覆岩层之间断开。
进一步的，在所述切顶面切割完毕以后，将所述三机自所述停采面撤离，以使所述停采面上方的覆岩层受自重作用下落至所述停采面与采空区之间。
进一步的，所述采煤巷区和采空区之间设有支护区，所述停采面预设在所述采煤巷区和支护区之间，所述三机在撤离前被安装在所述支护区内，在所述切顶面切割完毕并撤离所述三机以后，所述停采面上方的覆岩层受自重作用下落至所述支护区内。
进一步的，所述覆岩层的上方覆盖有岩壁顶，所述停采面上方的覆岩层受自重作用下落时，所述停采面上方的覆岩层与所述岩壁顶之间分离。
进一步的，所述对所述停采面上方的覆岩层进行垂直向上切割，以得到切顶面，进一步包括以下步骤：
自所述停采面的长度方向上预设多个切割位置；
自各个所述切割位置垂直向上钻孔，以在所述停采面上方的覆岩层内制得多条切顶线；
通过定向爆破处理或水力压裂处理，将各条所述切顶线之间贯通，以形成所述切顶面。
进一步的，所有所述切顶线均处于同一平面内，该平面与所述停采面平行。
进一步的，相邻的两条所述切顶线之间预留有一定间距。
进一步的，所述采煤巷区包括保护煤柱和多个巷道，各个所述巷道排列在所述保护煤柱的前端，所述保护煤柱的后端设有所述停采面。
进一步的，所述巷道包括皮带巷、回风巷和轨道巷，所述皮带巷、回风巷和轨道巷顺序排列在所述保护煤柱的前端，且相邻的两个所述巷道之间通过煤柱壁隔开。
进一步的，所述保护煤柱的厚度不小于所述煤柱壁的厚度。
（三）有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明所述的综采工作面的停采面上的切顶卸压保护方法中，综采工作面的停采面预设在采煤巷区和采空区之间，在三机自停采面撤离以前，对停采面上方的覆岩层进行垂直向上切割，以得到切顶面，切顶面使得停采面上方的覆岩层与采煤巷区上方的覆岩层之间断开，从而在三机处于支护作业时，快速切断停采面上方和采煤巷区上方的覆岩层之间的应力连接，从而有效化解并消除停采面上方的覆岩层高应力对采煤巷区上方的覆岩层应力的影响，从根本上消除了作用到巷道的动压源，进而达到避免或者消除大巷或采区集中巷长期遭受高集中应力作用，最后达到实现保护永久性巷道的长久安全稳定。
采用本保护方法在撤离三机后，可以保证停采面上方的覆岩层自主落入支护区内，既为覆岩层提供了下落空间，同时又不会使得覆岩层对其两侧的采煤巷区和采空区造成采动压力影响，还能有效降低采煤巷区的保护煤柱的应力集中值，从而对巷道围岩（即煤柱壁及巷道顶部支撑结构）的结构稳定起到了非常好的保护作用，有效避免巷道重复变形破坏，确保煤矿永久性巷道的长久安全使用，保证煤矿安全高效生产。
附图说明
图1为现有矿区中的停采面上的覆岩结构在三机未撤离状态下的岩层结构示意图；
图2为现有矿区中的停采面上的覆岩结构在三机撤离后的岩层结构及应力分布图；
图3为本发明实施例的停采面上的覆岩结构在三机未撤离状态下的岩层结构示意图；
图4为本发明实施例的停采面上的覆岩结构在三机撤离后的岩层结构及应力分布图；
其中，1、停采面；2、三机；3、覆岩层；4、保护煤柱；5、采空区；6、皮带巷；7、回风巷；8、轨道巷；9、切顶面；
Ⅰ、工作面前方应力变化区；Ⅱ、工作面控顶区；
Ⅲ、冒落岩石松散区；Ⅳ、冒落岩石逐渐压缩区；
Ⅴ、冒落岩石压实区；
A、原始应力区；B、应力增高区；
C、应力降低区；D、应力稳定区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中所述的三机2为煤矿综采工作面上使用的三机2，即应用在综采工作面的液压支架、采煤机和刮板输送机，其中，采煤机和刮板输送机的生产能力满足工作面产量要求，采煤机和液压支架调高范围能适应煤层厚度及变化范围，液压支架的移架速度与采煤机的牵引速度相匹配。具体的，该三机2配套结构为：采煤机依靠刮板输送机导向并在其上移动，刮板输送机依靠液压支架推移，液压支架依靠刮板输送机支承而移动，并且液压支架支撑在综采工作面的停采位置。因此，为了实现综采工作面最大生产力和安全生产，采煤机，刮板输送机和液压支架之间在性能、结构、采面空间要求以及三机2相互联接的结构、强度和尺寸方面均相互适应和匹配。
如图1所示，以图1中左侧为前端，右侧为后端。现有矿区内的采煤巷区包括保护煤柱4和多个巷道，各个巷道排列在保护煤柱4的前端，保护煤柱4的后端设有停采面1。本实施例所述的巷道即为背景技术中所述的集中巷或大巷，本实施例中，巷道包括皮带巷6、回风巷7和轨道巷8，皮带巷6、回风巷7和轨道巷8顺序排列在保护煤柱的前端，且相邻的两个巷道之间通过煤柱壁隔开，则巷道侧面的煤柱壁及其顶部的支撑结构共同构成了巷道围岩。本实施例所述的巷道在采煤巷区内由于受到采动应力的破坏，从而导致巷道围岩稳定性极具降低，从而存在严重的顶板冒落冒顶风险，优选保护煤柱4的厚度不小于煤柱壁的厚度，以使得巷道尽可能远离停采面1，从而辅助降低采动应力的破坏性。
则如图2所示，根据矿区顶部覆岩层的应力变化，将矿区由前至后顺序分为工作面前方应力变化区Ⅰ、工作面控顶区Ⅱ、冒落岩石松散区Ⅲ、冒落岩石逐渐压缩区Ⅳ和冒落岩石压实区Ⅴ，其中，采煤巷区整体处于工作面前方应力变化区Ⅰ内，停采面1及支护区位于工作面控顶区Ⅱ内，采空区5由前至后顺序位于冒落岩石松散区Ⅲ、冒落岩石逐渐压缩区Ⅳ和冒落岩石压实区Ⅴ。
当三机2自停采面1后方的支护区内撤离后，根据图2所示的应力变化可知，图2中采煤巷区的前端处于原始应力区A，采煤巷区的后端处于应力增高区B，停采面1、支护区、以及采空区5的前端和中端均处于应力降低区C，采空区5的后端处于应力稳定区D，由此可知停采面1上方的覆岩层3的自主下落会对停采面1两侧的采煤巷区后端和采空区5的前端甚至中端产生应力影响。在三机2撤离后，由于支护区内不存在任何支撑作用，则停采面1上方的覆岩层3受重力作用而产生下沉，并对采煤巷区上方的覆岩层产生应力作用，使得采煤巷区所在的工作面前方应力变化区Ⅰ的后端产生应力增高区B，且该应力增高区B的应力变化急剧变大，对保护煤柱4会产生很大的破坏力，并对靠近保护煤柱4的巷道围岩的稳定性产生极大的不良影响。
在上述矿区状态基础上，本实施例提供了一种综采工作面的停采面1上的切顶卸压保护方法，该保护方法中，采煤巷区和采空区5之间设有支护区，停采面1预设在采煤巷区和支护区之间，三机2在撤离前被安装在采煤巷区和采空区5之间的支护区内。如图3所示，将综采工作面的停采面1预设在采煤巷区和采空区5之间，在三机2自停采面1撤离以前，对停采面1上方的覆岩层3进行垂直向上切割，以得到切顶面9，切顶面9使得停采面1上方的覆岩层3与采煤巷区上方的覆岩层之间断开，从而在三机2处于支护作业时，快速切断停采面1上方和采煤巷区上方的覆岩层之间的应力连接，有效化解并消除停采面1上方的覆岩层3高应力对采煤巷区上方的覆岩层应力的影响，从根本上消除了作用到巷道的动压源。
如图4所示，在切顶面9切割完毕以后，将三机2自停采面1撤离，在三机2撤离后则停采面1的后端具有一空置区，该空置区即为原有的三机2所在的支护区；此时，停采面1上方的覆岩层3底部不存在有支撑力，故而停采面1上方的覆岩层3受重力作用自主下落至停采面1与采空区5之间的支护区内；在覆岩层的上方覆盖有岩壁顶，停采面1上方的覆岩层3受自重作用下落时，停采面1上方的覆岩层3与岩壁顶之间分离。故而撤离三机2后形成的空置区既为覆岩层提供了下落空间，同时停采区上方的覆岩层由于与采煤巷道上方的覆岩层之间彻底断开，故而覆岩层在自主下落过程中以及下落后，均不会对其两侧的采煤巷区和采空区5及这两个区域上方的覆岩层造成采动压力影响，进而有效降低采煤巷区内的保护煤柱4的应力集中值，从而对巷道围岩（即煤柱壁及巷道顶部支撑结构）的结构稳定起到了非常好的保护作用，有效避免巷道重复变形破坏，确保煤矿永久性巷道的长久安全使用，保证煤矿安全高效生产。
优选的，对停采面1上方的覆岩层3进行垂直向上切割以得到切顶面9的过程中，进一步包括以下步骤：
步骤1：自停采面1的长度方向上预设多个切割位置，在图3和图4中，以垂直于纸面的方向为该停采面1的长度方向，优选各个切割位置沿停采面1的长度方向均匀排列。本实施例中所述的切割位置即为步骤2中钻孔的起始点。
步骤2：自各个切割位置垂直向上钻孔，以在停采面1上方的覆岩层3内制得多条切顶线，优选相邻的两条切顶线之间预留有一定间距，该间距应处于定向爆破或水力压裂处理的范围以内，从而确保各条切顶线之间能快速贯通；为了便于后续的爆破或压裂处理，优选所有切顶线均处于同一平面内，该平面与停采面1平行，并根据该平面预设切顶面9的位置，以保证切顶面9在切割时和切割后能够确保其两侧覆岩层的结构稳定，防止对覆岩层造成过大冲击，从而避免产生额外的应力破坏。
步骤3：通过定向爆破处理或水力压裂处理，将各条切顶线之间贯通，以形成切顶面9。
本实施例中所述的定向爆破处理优选为定向断裂爆破处理技术，该处理过程优选为：利用步骤2钻孔得到多条切顶线，即为爆破孔，在爆破孔内设置横向导向孔，并在爆破孔内埋设火药，从而在爆破时能够利用相邻两条切顶线之间的导向孔引导爆破走向，从而促使多条切顶线贯通并断裂形成切顶面9。
本实施例中所述的水力压裂处理的处理过程优选为：利用步骤2钻孔得到多条切顶线，即为压裂孔，并在各条压裂孔内设置横向导向孔，向压裂孔内注入高压水，从而利用高压水的压力作用快速压裂覆岩层，同时利用相邻两条切顶线之间的导向孔引导压裂走向，从而促使多条切顶线贯通并断裂形成切顶面9。
由上述内容可以得出如图4所示的矿区应力变化图，图4中采煤巷区的前端处于原始应力区A，采煤巷区的后端处于应力增高区B，停采面1、支护区、以及采空区5的前端和中端均处于应力降低区C，采空区5的后端处于应力稳定区D，由此可知停采面1上方的覆岩层3的自主下落会对停采面1两侧的采煤巷区后端和采空区5的前端甚至中端产生应力影响。
根据图4中的应力变化可知，由于停采面1上方的覆岩层3与采煤巷区上方的覆岩层之间断开，故而在停采面1所处的工作面空顶区内有覆岩层自主下落时，工作面前方应力变化区Ⅰ并未受到过多的应力影响。虽然图4中所示在工作面前方应力变化区Ⅰ的后端也存在有应力增高区B，但是比较图2和图4可知，由于图4中采用了本实施例所述的保护方法，则图4中所示的应力增高区B内的应力变化峰值明显低于图2中所示的应力增高区B内的应力变化峰值，并且图4所示的应力增高区B内的应力变化趋势较图2所示的应力增高区B内的应力变化趋势更加平缓。
换言之，采用该保护方法能够有效降低采煤巷区上方覆岩层的应力集中，缓解工作面前方的应力增高问题，特别是能够大幅度缓解保护煤柱4的顶部受压，减缓并防止保护煤柱4受到冒落岩石影响而遭到破坏，并且能进一步对采煤巷区内的各个巷道的巷道围岩的结构稳定产生积极的保护作用。
综上所述，本实施例的所述的综采工作面的停采面1上的切顶卸压保护方法中，综采工作面的停采面1预设在采煤巷区和采空区5之间，在三机2自停采面1撤离以前，对停采面1上方的覆岩层3进行垂直向上切割，以得到切顶面9，切顶面9使得停采面1上方的覆岩层3与采煤巷区上方的覆岩层之间断开，从而在三机2处于支护作业时，快速切断停采面1上方和采煤巷区上方的覆岩层之间的应力连接，从而有效化解并消除停采面1上方的覆岩层3高应力对采煤巷区上方的覆岩层应力的影响，从根本上消除了作用到巷道的动压源，进而达到避免或者消除大巷或采区集中巷长期遭受高集中应力作用，最后达到实现保护永久性巷道的长久安全稳定。
采用本保护方法在撤离三机2后，可以保证停采面1上方的覆岩层3自主落入支护区内，既为覆岩层提供了下落空间，同时又不会使得覆岩层对其两侧的采煤巷区和采空区5造成采动压力影响，还能有效降低采煤巷区的保护煤柱4的应力集中值，从而对巷道围岩（即煤柱壁及巷道顶部支撑结构）的结构稳定起到了非常好的保护作用，有效避免巷道重复变形破坏，确保煤矿永久性巷道的长久安全使用，保证煤矿安全高效生产。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (6)
1.一种综采工作面的停采面上的切顶卸压保护方法，其特征在于，综采工作面的停采面预设在采煤巷区和采空区之间，在三机自所述停采面撤离以前，对所述停采面上方的覆岩层进行垂直向上切割，以得到切顶面，所述切顶面使得所述停采面上方的覆岩层与采煤巷区上方的覆岩层之间断开；
其中，所述的对所述停采面上方的覆岩层进行垂直向上切割，以得到切顶面，进一步包括以下步骤：
自所述停采面的长度方向上预设多个切割位置，各个所述切割位置沿所述停采面的长度方向均匀排列；
自各个所述切割位置垂直向上钻孔，以在所述停采面上方的覆岩层内制得多条切顶线；
通过定向爆破处理或水力压裂处理，将各条所述切顶线之间贯通，以形成所述切顶面；
其中，所有所述切顶线均处于同一平面内，该平面与所述停采面平行，相邻的两条所述切顶线之间预留有一定间距；
其中，所述定向爆破处理或水力压裂处理为：以多条所述切顶线为爆破孔或压裂孔，在所述爆破孔或压裂孔内设置横向导向孔，以在爆破或压力作用下利用相邻两条切顶线之间的所述导向孔引导爆破或压裂走向；
在所述切顶面切割完毕以后，将所述三机自所述停采面撤离，以使所述停采面上方的覆岩层受自重作用下落至所述停采面与采空区之间。
2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述采煤巷区和采空区之间设有支护区，所述停采面预设在所述采煤巷区和支护区之间，所述三机在撤离前被安装在所述支护区内，在所述切顶面切割完毕并撤离所述三机以后，所述停采面上方的覆岩层受自重作用下落至所述支护区内。
3.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述覆岩层的上方覆盖有岩壁顶，所述停采面上方的覆岩层受自重作用下落时，所述停采面上方的覆岩层与所述岩壁顶之间分离。
4.根据权利要求1-3任一项所述的保护方法，其特征在于，所述采煤巷区包括保护煤柱和多个巷道，各个所述巷道排列在所述保护煤柱的前端，所述保护煤柱的后端设有所述停采面。
5.根据权利要求4所述的保护方法，其特征在于，所述巷道包括皮带巷、回风巷和轨道巷，所述皮带巷、回风巷和轨道巷顺序排列在所述保护煤柱的前端，且相邻的两个所述巷道之间通过煤柱壁隔开。
6.根据权利要求5所述的保护方法，其特征在于，所述保护煤柱的厚度不小于所述煤柱壁的厚度。
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