CN109826628B - 一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，涉及地下采矿方法技术领域，步骤包括：A.掘进首采工作面回采巷道，使用锚杆和锚索支护回采巷道；B.回采巷道内沿工作面煤壁在顶板设置预裂孔，预裂孔垂直于顶板布置，长度等于直接顶厚度；C.沿首采工作面煤壁一侧设置液压支架；D.超前工作面50～70m范围内的预裂孔进行装药爆破致裂直接顶；E.推采工作面，工作面后方预裂段的直接顶下沉成拱；F.顶板下沉量稳定后，调整巷道的高度；G.掘进相邻工作面的回采巷道，重复步骤A至F，随相邻工作面推进回收上一工作面回采巷道内的液压支架；解决了顶板破碎容易漏风的技术问题，还具有巷道变形量小，施工方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及地下采矿方法技术领域，尤其是一种坚硬顶板条件下通过预裂直接顶在巷旁成拱进行无煤柱开采发方法。
背景技术
目前在煤矿开采过程中，坚硬顶板由于其顶板垮落步距大，导致采空区悬露范围大，传递至巷道两侧煤壁的压力也较大，进而可能会导致冲击地压或者大面积冒顶等事故，影响煤矿的安全生产。无煤柱开采方法是采煤过程中不留护巷煤柱而用其它方式维护巷道的开采技术，在坚硬顶板的条件下进行无煤柱开采需要对坚硬顶板进行控制。针对坚硬顶板条件下的巷道顶板控制不同的学者持不同的意见：
(1)宋振骐院士提出“传递岩梁”理论，对坚硬顶板“给定变形”，完全让压触矸。在现场实践中该理论存在以下优点：①无硬抗硬顶行为，对顶板破坏少；②支柱初撑力要求不大。但是还存在：①任由顶板旋转下沉，煤体破坏严重，巷道变形大；②巷道缺少巷帮墙体，容易串风的不足。
(2)何满潮院士提出“切顶短壁梁理论”，在采空区边缘超前爆破切顶，待断裂坚硬顶板完全断裂后沉降至采空区成为巷帮。在现场实践中该理论存在以下优点：①超前爆破断裂，改变断裂位置，卸压效果好；②切断顶板压力对煤体的传递；有效的控制了巷道的变形。但是还存在：①爆破效果难以控制，容易把完整顶板爆破至碎；②切断了顶板的联系容易漏风；③炸药消耗量太大的不足。
因此，现有的坚硬顶板控制方法应用与无煤柱开采中还存在沿空留巷的巷道变形量大，以及顶板破碎容易漏风等问题，因此在现有的坚硬顶板控制理论的基础上，需要对坚硬顶板条件下无煤柱开采方法作进一步的改进。
发明内容
为解决坚硬顶板条件下无煤柱开采时巷道顶板破碎容易漏风的技术问题，本发明提供了一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，具体技术方案如下。
一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，步骤包括：
A.掘进首采工作面回采巷道，使用锚杆和锚索支护回采巷道；
B.回采巷道内沿工作面煤壁在顶板设置预裂孔，预裂孔垂直于顶板布置，预裂孔长度等于直接顶厚度；
C.在沿空留巷的回采巷道内沿首采工作面煤壁一侧设置液压支架；
D.在超前工作面50～70m范围内的预裂孔进行装药爆破，致裂直接顶的上部；
E.推采工作面，工作面后方预裂段的直接顶上部开裂，直接顶整体下沉成拱；
F.顶板下沉量稳定后，调整巷道的高度；
G.掘进相邻工作面的回采巷道，重复步骤A至F，随相邻工作面推进回收沿空留巷的回采巷道内的液压支架。
优选的是，首采工作面回采巷道顶板使用锚索+钢带+锚网进行支护，锚索设置数量根据公式
进行计算，其中n为锚索数量，N为每根锚索承受的最大重量，ma为直接顶厚度，l1为切顶后巷道直接顶宽度，l2为直接顶长度，ρ为直接顶密度，锚索的长度大于直接顶的厚度，锚索的锚固点设置在基本顶内。
优选的是，直接顶厚度ma根据公式
计算确定，其中ha为采高，sa为岩梁实际沉降值，ka为岩梁下部垮落岩层碎胀系数。
还优选的是，锚网铺设在直接顶下方，锚网之间通过铁丝连接固定；所述钢带压设在锚网上，锚索的托盘固定钢带和锚网。
进一步优选的是，预裂孔垂直于直接顶，或者向巷道一侧倾斜且倾斜角小于5°；预裂孔钻孔直径为40～50mm，钻孔间距为0.4～0.6m。
进一步优选的是，预裂孔装药爆破时间隔起爆，两个装药孔之间间隔一个空炮眼；预裂孔装药的装药长度小于钻孔深度的三分之一，从预裂孔的孔底开始装药；预裂孔装药后使用海绵塞固定炸药。
进一步优选的是，步骤F中通过开挖巷道底板调整巷道的高度。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供的坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，通过在沿空留巷一侧施工预裂孔，预裂直接顶的上部，工作面推进过后直接顶上部开裂，由于下部连接使直接顶弯曲下沉成拱，成拱后直接顶下部仍然保持连接从而能实现沿煤层方向的力的传递，从而能够改善巷道应力环境减小巷道变形。
(2)本方法通过无煤柱开采能够避免留煤柱造成的资源浪费，另外不会产生煤柱应力集中，降低了冲击地压的危险性；预裂孔爆破只对孔底进行爆破，装药量少容易控制，并且对直接顶的破坏较小，施工更加安全。
(3)巷道采用锚索、钢带和锚网联合支护的方式，锚索伸入基本顶内部，从而保证了巷道的安全；沿工作面煤壁一侧设置液压支架从而保证对巷道采空区顶板一侧的支撑，在下一工作面回采过后撤出液压支架；如果巷道高度不能满足开采需求，通过开挖底板调整巷道的高度。另外本发明还具有施工简便，回采率高，巷旁密封性好等优点。
附图说明
图1是首采工作面回采巷道的布置结构示意图；
图2是预裂成拱结构示意图；
图3是预裂孔布置情况示意图；
图4是部分直接顶预裂后俯视结构示意图；
图5是实施例2的岩层柱状图；
图中：1-预裂孔；2-锚索；3-直接顶；4-基本顶；5-液压支架。
具体实施方式
结合图1至图5所示，本发明提供的一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法具体实施方式如下。
实施例1
为适应坚硬顶板条件下的无煤柱开采，提出了一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，通过在沿空留巷一侧施工预裂孔，预裂直接顶的上部，工作面推进过后直接顶上部开裂，由于下部连接使直接顶弯曲下沉成拱，成拱后直接顶下部仍然保持连接从而能实现沿煤层方向的力的传递，从而能够改善巷道应力环境，减小巷道变形，并且由于预裂孔的爆破范围小从而保持了较完整的顶板，从而能够有效的防止顶板漏风。该方法具体的施工步骤包括：
步骤A.掘进首采工作面回采巷道，使用锚杆和锚索支护回采巷道。
首采工作面回采巷道顶板使用锚索+钢带+锚网进行支护，钢带可以选用M钢带，锚索设置数量根据公式
进行计算，其中n为锚索数量，N为每根锚索承受的最大重量，ma为直接顶厚度，l1为切顶后巷道直接顶宽度，l2为直接顶长度，ρ为直接顶密度。根据上述计算确定锚索的数量后，可以合理的设计锚索的间排距，保证施工巷道的安全。
锚索在选择时需要保证锚索的长度大于直接顶的厚度，锚索的锚固点设置在基本顶内。锚索的锚固点设置在基本顶内，从而防止直接顶断裂导致的锚索失效。
其中锚网铺设在直接顶下方，锚网之间通过铁丝连接固定，钢带压设在锚网上，锚索的托盘固定钢带和锚网，巷道内设置钢带和锚网进一步保证了巷道的安全。
步骤B.回采巷道内沿工作面煤壁在顶板设置预裂孔，如图3所示，其中预裂孔垂直于顶板布置，预裂孔的长度等于直接顶厚度。
其中，直接顶厚度ma根据公式
计算确定，式中ha为采高，sa为岩梁实际沉降值，ka为岩梁下部垮落岩层碎胀系数。根据矿井同煤层工作面的开采情况进行计算，还可以通过钻探进一步确定具体的顶板情况，合理的确定直接顶厚度，从而保证施工数据的准确设计。
预裂孔在布置时可以垂直于直接顶，或者向巷道一侧倾斜且倾斜角小于5°，从而更好的保证直接顶上部开裂范围，并使其向采空区一侧弯裂成拱。另外预裂孔钻孔直径可以设计为40～50mm，该范围内使用合适的钻头进行钻孔，不宜使用过大的钻头对顶板下部的完整性造成影响，另外钻孔间距为0.4～0.6m，一般取0.5m，还可以根据直接顶的厚度和硬度对钻孔的直径和间距进行合理的设计。
步骤C.在沿空留巷的回采巷道内沿首采工作面煤壁一侧设置液压支架，如图1所示。通过设置液压支架保证直接顶成拱过程中巷道的安全，减小巷道整体变形量。
步骤D.在超前工作面50～70m范围内的预裂孔进行装药爆破，可以选择在工作面超前60m的范围内同时起爆，在该工作面超前范围内预裂效果较好并能保证安全。
如图4所示，采用定向聚能爆破的方法使预裂孔上部呈切线状开裂，从而在直接顶上部形成切线，致裂直接顶的上部。
预裂孔装药爆破时间隔起爆，两个装药孔之间间隔一个空炮眼，提升爆破效果。预裂孔装药的装药长度小于钻孔深度的三分之一，从预裂孔的孔底开始装药，预裂孔装药后使用海绵塞固定炸药，并进行封孔，保证爆破效果。
步骤E.推采工作面，工作面后方预裂段的直接顶上部开裂，直接顶整体下沉成拱，如图2所示。
随着工作的推进，工作面在推进时，采煤机割煤可以从另一侧向沿空留巷的巷道一侧割煤，从而方便直接顶另一侧先下沉，从而保证顺利成拱。
步骤F.顶板下沉量稳定后，调整巷道的高度，具体是通过开挖巷道底板调整巷道的高度，尤其是当顶板下沉稳定后巷道的高度不能满足下一个工作面回采的要求时，需要开挖底板调整巷道整体的高度从而方便下一工作面回采。
步骤G.掘进相邻工作面的回采巷道，重复步骤A至F，随相邻工作面推进回收沿空留巷的回采巷道内的液压支架，完成无煤柱开采。
本方法通过无煤柱开采能够避免留煤柱造成的资源浪费，另外不会产生煤柱应力集中，降低了冲击地压的危险性；预裂孔爆破只对孔底进行爆破，装药量少容易控制，并且对直接顶的破坏较小，施工更加安全。
实施例2
在实施例1的基础上，以某矿16#煤层的开采为例对坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法作进一步的详细说明。
某矿的16#煤层较稳定，走向长度为741.1m，位于太原组下部，十下灰岩之下，平均厚度为0.86m；煤层柱状图如图5所示。煤岩层走向为北西30°～40°，倾角一般在3°～8°左右；矿井瓦斯相对涌出量为0.79m3/t，为低瓦斯矿井；CO2相对涌出量为1.38m3/t；煤尘爆炸指数为44.54％，具有煤尘爆炸的危险；煤的最短自然发火期为94天；煤层自燃倾向等级为Ⅱ类自燃煤层。直接顶平均厚度为5.49m的石灰岩，属坚硬顶板；底板为6.93m厚的泥岩。16610工作面主采16#煤层，在该煤层使用本发明提供的方法进行开采。
步骤A.掘进首采工作面回采巷道，使用锚杆和锚索支护回采巷道。
掘进首采工作面回采巷道，在该工作面回采巷道内采用锚杆+锚索+M钢带+锚网的支护方法来控制顶板。其中根据公式
计算锚索数量，其中n为锚索数量，N为每根锚索承受的最大重量，ma为直接顶厚度，l1为切顶后巷道直接顶宽度，l2为直接顶长度，ρ为直接顶密度。计算得出锚索的数量为3根，锚索的锚固长度选用6.5m，将锚索的锚固点打在坚硬的基本岩梁内，锚索的底端与顺槽巷道的顶板相连。
在实施上述支护的同时根据开采实际情况对顶部以及帮部进行了加强支护，其中，顶板支护：采用Φ16×1800mm的金属螺纹锚杆支护，间排距为1200×2000mm；每根锚杆使用2根型号为MSK2350的树脂锚固剂锚固，锚固长度不低于600mm；锚杆均使用配套标准锚柄和螺母拧紧上牢，锚杆露出螺母10～40mm；帮部支护：采用Φ16×1200mm的金属螺纹锚杆支护，间排距为800×1000mm，每根锚杆使用2根型号为MSK2350的树脂锚固剂锚固，锚固长度不低于500mm；锚杆露出螺母10～100mm。
步骤B.回采巷道内沿工作面煤壁在顶板设置预裂孔，预裂孔垂直于顶板布置，预裂孔长度等于直接顶厚度。
预裂孔施工的位置需沿首采工作面煤壁在顶板进行施工，预裂孔间距500mm，预裂孔深度为直接顶厚度ma，
式中ha为采高，sa为岩梁实际沉降值，ka为岩梁下部垮落岩层碎胀系数。预裂孔的孔径为42mm，钻杆选用长度为1m的钻杆。该煤层的直接顶平均厚度为5.49m，结合煤矿实际确定钻孔的深度确定在5.5m，并且煤矿在进行钻孔施工时，对预裂孔的角度进行了控制，保证预裂孔垂直于直接顶。另外还可以预裂孔向巷道一侧倾斜且倾斜角小于5°，从而更好的保证直接顶上部开裂范围，并使其向采空区一侧弯裂成拱。整个钻孔过程中需要严格控制钻孔的深度和倾斜角度，尽量避免预裂孔向采空区一侧倾斜，并且保证预裂孔的施工误差范围不大于3°。
步骤C.在沿空留巷的回采巷道内沿首采工作面煤壁一侧设置液压支架。对顶板进行预先支护，稳定巷道上方顶板。在架设液压支柱时应严格控制支柱之间的间距，按照要求，施工中使用单体液压支柱并保证间距小于等于0.8m，并且避免支柱遮挡预裂孔的孔口。
步骤D.在超前工作面50～70m范围内的预裂孔进行装药爆破，致裂直接顶的上部。装药的位置从预裂孔的孔底处开始，装药长度为孔深的三分之一，因此按照钻孔的深度5.5m进行计算，确定出工作面的预裂孔装药深度为1.8m。将特定规格的炸药装入钻孔中，因为角度过大，为防止炸药溜出，需要对炸药用海绵塞进行固定，并使用泡泥对钻孔进行封堵。具体使用3号乳胶炸药，采用间隔起爆的方式进行爆破，即相邻装药孔之间间隔一个空炮眼。为了安全起见，应在工作面超前60m距离对直接顶上方进行爆破致裂。
步骤E.推采工作面，工作面后方预裂段的直接顶上部开裂，直接顶整体下沉成拱。首采工作面回采过后，采空区顶板受超前爆破的影响使其上部开裂，工作面回采过后直接顶在矿山压力的作用下回转下沉，下部仍然处于相连状态，形成铰接拱结构。
步骤F.顶板下沉量稳定后，调整巷道的高度。采空区上方直接顶与巷道顶板处于铰接状态，当巷道顶板下沉量达到200mm时，巷道逐渐的稳定，然后对底板进行挖掘，增大巷道高度，为下一工作面回采提供开采条件。
步骤G.掘进相邻工作面的回采巷道，开切眼连通该巷道和沿空留巷的巷道，重复步骤A至F，在随相邻工作面推进的过程中回收沿空留巷的巷道内的液压支架，完成整个煤层相连工作面的无煤柱开采
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，其特征在于，步骤包括：
A.掘进首采工作面回采巷道，使用锚杆和锚索支护回采巷道；
B.回采巷道内沿工作面煤壁在顶板设置预裂孔，预裂孔垂直于顶板布置，预裂孔长度等于直接顶厚度；
C.在沿空留巷的回采巷道内沿首采工作面煤壁一侧设置液压支架；
D.在超前工作面50～70m范围内的预裂孔进行装药爆破，致裂直接顶的上部；
E.推采工作面，工作面后方预裂段的直接顶上部开裂，下部连接使直接顶弯曲下沉成拱；
F.顶板下沉量稳定后，调整巷道的高度；
G.掘进相邻工作面的回采巷道，重复步骤A至F，随相邻工作面推进回收沿空留巷的回采巷道内的液压支架。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，其特征在于，所述首采工作面回采巷道顶板使用锚索+钢带+锚网进行支护，锚索设置数量根据公式：
进行计算，其中n为锚索数量，N为每根锚索承受的最大重量，ma为直接顶厚度，l1为切顶后巷道直接顶宽度，l2为直接顶长度，ρ为直接顶密度，锚索的长度大于直接顶的厚度，锚索的锚固点设置在基本顶内。
3.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，其特征在于，所述直接顶厚度ma根据公式
计算确定，其中ha为采高，sa为岩梁实际沉降值，ka为岩梁下部垮落岩层碎胀系数。
4.根据权利要求2所述的一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，其特征在于，所述锚网铺设在直接顶下方，锚网之间通过铁丝连接固定；所述钢带压设在锚网上，锚索的托盘固定钢带和锚网。
5.根据权利要求2或3所述的一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，其特征在于，所述预裂孔垂直于直接顶，或者向巷道一侧倾斜且倾斜角小于5°；预裂孔钻孔直径为40～50mm，钻孔间距为0.4～0.6m。
6.根据权利要求5所述的一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，其特征在于，所述预裂孔装药爆破时间隔起爆，两个装药孔之间间隔一个空炮眼；预裂孔装药的装药长度小于钻孔深度的三分之一，从预裂孔的孔底开始装药；预裂孔装药后使用海绵塞固定炸药。
7.根据权利要求5所述的一种坚硬顶板条件下预裂成拱的无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤F中通过开挖巷道底板调整巷道的高度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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