CN109779663A - 沿空留巷分区协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿空留巷分区协同控制方法，首先以钻进为核心，结合地质条件对巷道顶板围岩进行综合分区；根据巷道顶板围岩分区结果，初步确定顶板超前预裂参数和锚注参数；利用高强注浆锚杆、高强注浆锚索、定量让压装置对巷道顶板围岩进行锚注支护；对巷道顶板围岩的锚注效果进行评价，根据评价结果优化顶板超前预裂参数和锚注参数，并结合数值模拟确定超前支护设计参数；对巷道顶板进行超前预裂，并架设支顶护帮柱。本发明提出的沿空留巷分区协同控制方法，能够准确确定锚注参数、顶板超前预裂参数和超前支护参数，并能够定量评价锚注支护效果，为煤矿沿空留巷及其参数设计提供了有效的方法与手段。

Description

沿空留巷分区协同控制方法

技术领域

本公开属于矿山地下工程中安全技术领域，具体涉及一种在沿空巷道掘进过程中对沿空留巷参数进行设计和对巷道顶板围岩进行高效支护的沿空留巷分区协同控制方法，适用于矿山地下工程中沿空留巷的安全、高效施工。

背景技术

沿空留巷是沿采空区边缘将本工作面回采巷道保留下来，实现下区段回采功能的回采巷道布置方式和控制技术。沿空留巷取消了煤柱，实现无煤柱连续开采，降低巷道掘进率、缓解采掘接替矛盾，优化开拓开采布局，消除了煤柱上下区域的应力集中，有效提高了煤炭资源回收率的同时降低了巷道掘进率，是煤炭资源绿色、安全、高效的开采技术之一。

巷道顶板围岩的稳定性控制决定沿空留巷的安全、高效施工，但目前巷道顶板围岩的控制主要基于经验类比法，该方法具有以下不足：

(1)无法对巷道顶板围岩进行准确、实时分区，巷道顶板围岩支护设计和超前支护设计缺乏定量依据，容易产生支护不当的问题，造成巷道大变形、冒顶、塌方等严重安全事故。

(2)无法对锚注后巷道顶板围岩支护效果进行实时、定量评价，锚注参数、超前支护参数无法得到及时优化，耗费大量的人力物力。

综上所述，目前对于巷道顶板围岩进行准确、实时分区，以及锚注后对巷道顶板围岩支护效果进行实时、定量评价的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

针对上述问题，本公开提供了一种沿空留巷分区协同控制方法，能够准确确定锚注参数、顶板超前预裂参数和超前支护设计参数，并能够定量评价锚注效果。

本公开所采用的技术方案是：

一种沿空留巷分区协同控制方法，该方法包括以下步骤：

以钻进为核心，结合地质条件对巷道顶板围岩进行综合分区；

根据巷道顶板围岩分区结果，初步确定顶板超前预裂参数和锚注参数；

利用高强注浆锚杆、高强注浆锚索和定量让压装置，结合初次锚网支护，对巷道顶板围岩进行锚注支护；

对巷道顶板围岩的锚注效果进行评价，根据评价结果优化顶板超前预裂参数和锚注参数，并确定超前支护设计参数；

对巷道顶板进行超前预裂，并架设支顶护帮柱。

进一步的，所述以钻进为核心，结合地质条件对巷道顶板围岩进行综合分区的步骤包括：

使用数字钻机对巷道顶板围岩进行数字钻进，根据数字钻机的随钻参数与巷道顶板围岩等效强度关系公式，获得巷道顶板围岩等效强度；根据巷道顶板围岩等效强度对巷道顶板围岩进行分区。

进一步的，所述确定顶板超前预裂参数和锚注参数的步骤包括：

根据巷道顶板围岩分区结果，并结合数值模拟结果，初步确定巷道顶板围岩的超前预裂参数、高强注浆锚杆设计参数、高强注浆锚索设计参数和注浆参数，其中，所述顶板超前预裂参数包括顶板超前预裂纵向高度和顶板超前预裂角度，所述高强注浆锚杆设计参数、高强注浆锚索设计参数和注浆参数包括高强注浆锚杆及高强注浆锚索长度、间排距、注浆量、注浆压力、浆液配比、添加剂种类及含量。

进一步的，所述顶板超前预裂纵向高度与巷道高度、巷道顶板下沉量、底臌量和巷道顶板岩体碎胀系数有关；所述顶板超前预裂角度与采空区采高、巷道宽度、直接顶悬臂梁长度有关。

进一步的，所述对巷道顶板围岩进行锚注支护的步骤包括：

根据初步确定的高强注浆锚杆设计参数、高强注浆锚索设计参数和注浆参数，设计高强注浆锚杆、高强注浆锚索；

利用设计好的高强注浆锚杆、高强注浆锚索对巷道顶板围岩进行锚固注浆。

进一步的，所述对巷道顶板围岩的锚注效果进行评价的步骤包括：

使用数字钻机对锚注后的巷道顶板围岩进行数字钻探，得到锚注后巷道顶板围岩的随钻参数；

根据锚注后巷道顶板围岩的随钻参数与巷道顶板围岩等效强度关系公式，得到锚注后巷道顶板围岩等效强度；

对锚注后巷道顶板围岩强度进行定量评价，并结合钻孔电视测试，对锚注后浆液扩散范围进行定量评价。

进一步的，所述对锚注后浆液扩散范围进行定量评价的方法为：

在高强注浆锚杆、高强注浆锚索四周距离高强注浆锚杆、高强注浆锚索l_n米处使用数字钻机进行数字钻探，得到锚注后巷道顶板围岩的随钻参数；

根据锚注后的随钻参数与巷道顶板围岩等效强度的关系公式，得到钻进深度H范围内锚注后巷道顶板围岩各个位置的等效强度σ_e；

根据钻进深度H范围内锚注后巷道顶板围岩各个位置的等效强度，绘制l_n米处的锚注后巷道顶板围岩等效强度与钻进深度曲线；

将锚注后巷道顶板围岩等效强度与钻进深度曲线上的每一个突变点所对应的深度位置A_ln依次连接形成浆液扩散范围轮廓线，并采用钻孔电视测试对浆液扩散范围轮廓线进行验证并修正。

进一步的，得到锚注后巷道顶板围岩强度和浆液扩散范围的定量评价结果后，根据锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果，同时结合数值模拟，优化顶板超前预裂参数、高强注浆锚杆参数和高强注浆锚索参数。

进一步的，得到锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果后，采集多点位移计和压力表数据，根据锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果，结合顶板超前预裂过程数值模拟结果，确定沿空留巷沿空一侧巷旁超前支护设计范围，根据高强锚注后数字钻探评价结果，结合高强锚注参数和支顶护帮柱参数数值模拟确定支顶护帮柱设计参数。所述支顶护帮柱包括木垛、单体液压支架及约束混凝土支护柱。

进一步的，对巷道顶板进行超前预裂的步骤包括：

采用超前预裂方法，按照设定的顶板超前预裂角度和顶板超前预裂高度，在采场周期来压作用下对采空区上方顶板进行超前预裂形成预裂面，切落顶板垮落形成采空区侧巷帮，并架设支顶护帮柱。

通过上述的技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开通过数字钻机在锚注前以钻进为核心，结合地质条件对巷道顶板围岩进行综合分区，准确确定高强注浆锚杆设计参数、高强注浆锚索设计参数和注浆参数，利用高强注浆锚杆、高强注浆锚索对巷道顶板围岩进行锚注，并在锚注后通过数字钻机对锚注效果进行评价，根据数字钻机对锚注效果的评价结果准确确定顶板超前预裂参数和超前支护的设计参数；

(2)本公开能够准确确定锚注参数、顶板超前预裂参数和超前支护设计参数，并能够定量评价锚注效果，具有准确、高效、经济等优点，对切顶卸压沿空留巷的安全高效施工具有重要意义。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是根据一种或多种实施方式的沿空留巷分区协同控制方法的流程图；

图2是根据一种或多种实施方式的数字钻机以钻进为核心，结合地质条件对巷道顶板围岩进行综合分区示意图；

图3是根据一种或多种实施方式的对巷道顶板围岩进行锚注支护示意图；

图4是根据一种或多种实施方式的数字钻机对锚注效果钻进评价示意图；

图5是根据一种或多种实施方式的巷道顶板超前预裂示意图；

图6是根据一种或多种实施方式的巷道顶板超前预裂效果图；

图中，1、底板；2、煤体；3、直接顶；4、基本顶；5、数字钻机；6、沿空巷道；7、超前支护；8、高强注浆锚杆、高强注浆锚索；9、预裂面；10、采空区。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种或多种实施例提供了一种沿空留巷分区协同控制方法，该方法通过数字钻机在锚注前以钻进为核心，结合地质条件对巷道顶板围岩进行综合分区，准确确定高强注浆锚杆设计参数、高强注浆锚索设计参数和注浆参数，利用高强注浆锚杆、高强注浆锚索对巷道顶板围岩进行锚注，并在锚注后通过数字钻机对锚注效果进行评价，根据数字钻机对锚注效果的评价结果准确确定顶板超前预裂参数和超前支护的设计参数。

图1是沿空留巷分区协同控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

S101，通过数字钻机以钻进为核心，结合地质条件对巷道顶板围岩进行综合分区。

在本实施例中，使用数字钻机5对巷道顶板围岩进行数字钻进，根据数字钻机的随钻参数与巷道顶板围岩等效强度关系公式，获得巷道顶板围岩等效强度，根据巷道顶板围岩等效强度快速准确地对巷道顶板围岩进行分区，如图1所示。

S102，根据巷道顶板围岩分区结果初步确定顶板超前预裂参数和高强锚注参数。

在本实施例中，根据巷道顶板围岩分区结果并结合对巷道顶板围岩的数值模拟结果初步确定巷道顶板围岩的超前预裂参数和高强锚注参数。其中，所述顶板超前预裂参数包括顶板超前预裂纵向高度和顶板超前预裂角度。锚注参数包括高强注浆锚杆、高强注浆锚索8设计参数和注浆参数，具体为高强注浆锚杆及高强注浆锚索长度、间排距、注浆量、注浆压力、浆液配比、添加剂种类及含量。

所述对巷道顶板围岩的数值模拟包括在不同的顶板超前预裂参数、不同的高强锚注参数、不同的高强注浆锚杆及高强注浆锚索长度、不同的间排距、不同的注浆量、不同的注浆压力、不同的浆液配比、不同的添加剂种类及含量条件下巷道顶板围岩的数值模拟。

在本实施例中，所述顶板超前预裂纵向高度与巷道高度、巷道顶板下沉量、底臌量和巷道顶板岩体碎胀系数有关。

为保证采空区顶板顺利下沉垮落、减小预裂面上的摩擦阻力，所述顶板超前预裂角度与顶板岩性、采空区采高、巷道宽度、直接顶悬臂梁长度有关。

S103，使用高强注浆锚杆、高强注浆锚索8以及定量让压装置对巷道顶板围岩进行锚注支护。

根据步骤S102所确定的顶板超前预裂参数和高强锚注参数，设计高强注浆锚杆、高强注浆锚索，高强注浆锚杆、高强注浆锚索8的长度与顶板超前预裂的纵向高度有关，并且高强注浆锚杆、高强注浆锚索8的长度原则上应超过不稳定岩层1.2～1.5m，高强注浆锚杆、高强注浆锚索8的长度在满足巷道顶板围岩控制要求的同时要大于顶板超前预裂纵向高度。

使用设计好的高强注浆锚杆、高强注浆锚索8以及定量让压装置，结合初次锚网支护，对巷道顶板围岩进行锚固注浆支护，如图3所示。

S104，利用数字钻机5对锚注后巷道顶板围岩进行评价，并根据评价结果优化顶板超前预裂参数和高强锚注参数，同时确定支顶护帮柱设计参数。

所述步骤S104中，利用数字钻机对锚注后巷道顶板围岩进行评价的步骤包括：

S104-1，使用数字钻机对锚注后的巷道顶板围岩进行数字钻探，得到锚注后巷道顶板围岩的随钻参数；

S104-2，根据锚注后巷道顶板围岩的随钻参数与巷道顶板围岩等效强度关系公式，得到锚注后巷道顶板围岩等效强度；

S104-3，对锚注后巷道顶板围岩强度的提高进行定量评价，并结合钻孔电视设备对浆液扩散范围的测试结果对锚注后浆液扩散范围进行定量评价，如图4所示。

在步骤S104-3中，所述浆液扩散范围的定量评价方法具体为：

在高强注浆锚杆、高强注浆锚索四周距离高强注浆锚杆、高强注浆锚索l_n(n＝1、2、3…)米处使用数字钻机进行数字钻探，得到锚注后巷道顶板围岩的随钻参数；

根据锚注后的随钻参数与巷道顶板围岩等效强度的关系公式，得到钻进深度H范围内锚注后巷道顶板围岩各个位置的等效强度σ_e；

根据钻进深度H范围内锚注后巷道顶板围岩各个位置的等效强度，绘制l_n(n＝1、2、3…)米处的锚注后巷道顶板围岩等效强度与钻进深度曲线(σ_e-H曲线)；

将锚注后巷道顶板围岩等效强度与钻进深度曲线上的每一个突变点所对应的深度位置A_ln(n＝1、2、3…)依次连接形成浆液扩散范围轮廓线，并采用钻孔电视测试对浆液扩散范围轮廓线进行验证并修正，从而实现对锚注后浆液扩散范围的定量评价。

在本实施例中，钻进深度根据高强注浆锚杆、高强注浆锚索长度确定，l_n为高强注浆锚杆、高强注浆锚索扩散范围监测步距，根据高强注浆锚杆、高强注浆锚索8参数确定。

在步骤S104中，得到锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果后，根据锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果，同时结合对巷道顶板围岩的锚注过程的数值模拟结果，优化顶板超前预裂参数、高强注浆锚杆参数和高强注浆锚索参数。

所述对巷道顶板围岩的锚注过程数值模拟是根据S104确定的优化后的顶板超前预裂参数和高强锚注参数对巷道顶板围岩的锚注过程进行数值模拟。

在步骤S104中，得到锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果后，还采集事先布设的多点位移计和压力表数据，根据锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果，结合顶板超前预裂过程数值模拟结果，确定沿空留巷沿空一侧巷旁超前支护7设计范围。根据高强锚注后数字钻探评价结果，结合高强锚注参数和支顶护帮柱参数数值模拟确定支顶护帮柱设计参数。其中，所述支顶护帮柱包括但不限于约束混凝土柱、单体液压支架和木垛。

所述多点位移计布设在巷道顶板围岩中，所述压力表布设在高强注浆锚杆及高强注浆锚索上。

S105，对巷道顶板围岩进行超前预裂，并架设支顶护帮柱。

采用超前预裂方法，按照设定的顶板超前预裂角度和顶板超前预裂高度，在采场周期来压作用下对采空区上方顶板进行超前预裂形成预裂面，切落顶板垮落形成采空区10侧巷帮，并架设支顶护帮柱。巷道顶板超前预裂示意图如图5所示，巷道顶板超前预裂效果图如图6所示。

在本实施例中，所述顶板超前预裂方法包括爆破、密集钻孔和水力切割。

本实施例提出的沿空留巷分区协同控制方法能够准确确定锚注参数、顶板超前预裂参数和超前支护设计参数，并能够定量评价锚注效果，具有准确、高效、经济等优点。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

以钻进为核心，结合地质条件对巷道顶板围岩进行综合分区；

根据巷道顶板围岩分区结果，初步确定顶板超前预裂参数和锚注参数；

利用高强注浆锚杆、高强注浆锚索和定量让压装置，结合初次锚网支护，对巷道顶板围岩进行锚注支护；

对巷道顶板围岩的锚注效果进行评价，根据评价结果优化顶板超前预裂参数和锚注参数，并确定超前支护设计参数；

对巷道顶板进行超前预裂，并架设支顶护帮柱。

2.根据权利要求1所述的沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，所述以钻进为核心，结合地质条件对巷道顶板围岩进行综合分区的步骤包括：

使用数字钻机对巷道顶板围岩进行数字钻进，根据数字钻机的随钻参数与巷道顶板围岩等效强度关系表达式，获得巷道顶板围岩等效强度；根据巷道顶板围岩等效强度对巷道顶板围岩进行分区。

3.根据权利要求1所述的沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，所述确定顶板超前预裂参数和锚注参数的步骤包括：

根据巷道顶板围岩分区结果，并结合对巷道顶板围岩的数值模拟结果，初步确定巷道顶板围岩的超前预裂参数、高强注浆锚杆设计参数、高强注浆锚索设计参数和注浆参数，其中，所述顶板超前预裂参数包括顶板超前预裂纵向高度和顶板超前预裂角度，所述高强注浆锚杆设计参数、高强注浆锚索设计参数和注浆参数包括高强注浆锚杆及高强注浆锚索长度、间排距、注浆量、注浆压力、浆液配比、添加剂种类及含量。

4.根据权利要求3所述的沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，所述顶板超前预裂纵向高度与巷道高度、巷道顶板下沉量、底臌量和巷道顶板岩体碎胀系数有关；所述顶板超前预裂角度与顶板岩性、采空区采高、巷道宽度、直接顶悬臂梁长度有关。

5.根据权利要求1所述的沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，所述对巷道顶板围岩进行锚注支护的步骤包括：

根据初步确定的高强注浆锚杆设计参数、高强注浆锚索设计参数和注浆参数，设计高强注浆锚杆、高强注浆锚索；

利用设计好的高强注浆锚杆、高强注浆锚索以及定量让压装置对巷道顶板围岩进行锚固注浆。

6.根据权利要求1所述的沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，所述对巷道顶板围岩的锚注效果进行评价的步骤包括：

使用数字钻机对锚注后的巷道顶板围岩进行数字钻探，得到锚注后巷道顶板围岩的随钻参数；

根据锚注后巷道顶板围岩的随钻参数与巷道顶板围岩等效强度关系表达式，得到锚注后巷道顶板围岩等效强度；

对锚注后巷道顶板围岩强度进行定量评价，并结合钻孔电视设备对浆液扩散范围的测试结果，对锚注后浆液扩散范围进行定量评价。

7.根据权利要求6所述的沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，所述对锚注后浆液扩散范围进行定量评价的方法为：

在高强注浆锚杆、高强注浆锚索四周距离高强注浆锚杆、高强注浆锚索l_n米处使用数字钻机进行数字钻探，得到锚注后巷道顶板围岩的随钻参数；

根据锚注后的随钻参数与巷道顶板围岩等效强度的关系公式，得到钻进深度H范围内锚注后巷道顶板围岩各个位置的等效强度σ_e；

根据钻进深度H范围内锚注后巷道顶板围岩各个位置的等效强度，绘制l_n米处的锚注后巷道顶板围岩等效强度与钻进深度曲线；

将锚注后巷道顶板围岩等效强度与钻进深度曲线上的每一个突变点所对应的深度位置A_ln依次连接形成浆液扩散范围轮廓线，并采用钻孔电视测试结果对浆液扩散范围轮廓线进行验证并修正。

8.根据权利要求6所述的沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，得到锚注后巷道顶板围岩强度和浆液扩散范围的定量评价结果后，根据锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果，同时结合对巷道顶板围岩的锚注过程数值模拟结果，优化顶板超前预裂参数、高强注浆锚杆参数和高强注浆锚索参数。

9.根据权利要求6所述的沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，得到锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果后，采集多点位移计和压力表数据，根据锚注后巷道顶板围岩强度的提高和浆液扩散范围的定量评价结果，结合顶板超前预裂过程数值模拟结果，确定沿空留巷沿空一侧巷旁超前支护设计范围。根据高强锚注后数字钻探评价结果，结合高强锚注参数和支顶护帮柱参数数值模拟确定支顶护帮柱设计参数。

10.根据权利要求1所述的沿空留巷分区协同控制方法，其特征是，对巷道顶板进行超前预裂的步骤包括：

采用超前预裂方法，按照设定的顶板超前预裂角度和顶板超前预裂高度，在采场周期来压作用下对采空区上方顶板进行超前预裂形成预裂面，切落顶板垮落形成采空区侧巷帮，并架设支顶护帮柱。