CN110145305B - 一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，其步骤主要包括：掘进巷道圈出工作面开采区域、巷道内施工垂直钻孔、放入并调整射流器方位、定向水力割缝、将割缝切顶后的巷道用作下一个工作面的回风巷等过程。本发明提供的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，不仅能够减小巷道掘进及维护工作量，减小煤炭资源损失，而且对控制临空巷道矿压显现尤其是冲击地压灾害具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别涉及一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法。
背景技术
冲击地压是煤矿的主要灾害类型之一，冲击地压发生时伴随大量的煤体突然冲出，常常造成巷道严重破坏、设备受损和人员伤亡。据不完全统计，2000年至今期间，全国范围共发生冲击地压事故431起，伤亡人数达601人，造成了巨大的经济损失，形成了不良的社会影响。
冲击地压主要发生在巷道，尤其是沿空侧的回采巷道，其原因为沿空巷道不可避免的受侧向采空区顶板悬顶的影响，导致巷道附近煤体承受较高的顶板压力。同时，为了隔离采空区，需要在采空区和临空巷道之间留设一定宽度的煤柱，当煤柱留设不合理时，容易造成煤柱应力集中，从而进一步加剧冲击地压风险。因此，如果在工作面回采过程中沿巷道侧向切落顶板，使采空后顶板能及时垮落充填采空区，同时将切顶后的巷道留下来作为下一个工作面的一条回采巷道，就能同时消除侧向悬顶和隔离煤柱的影响，显著降低下一工作面回采期间临空巷道的冲击致灾风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，以提高留巷效果，降低资源损失和巷道维护成本，减小巷道矿压显现尤其是冲击地压发生的风险。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，包括如下步骤：
掘进巷道圈出工作面开采区域：分别掘出运输巷、回风巷和切眼，掘进期间对运输巷顶板采用强力锚索进行加强支护；
在运输巷施工垂直钻孔：在运输巷靠近工作面侧的顶板施工垂直钻孔；
放入并调整射流器方位：钻孔完成后退出钻杆，将连接密封钻杆的射流器放入孔底，密封钻杆外端通过胶管与高压泵连接，调整射流器两侧的射流孔方位，使两射流孔朝向运输巷走向方向；
高压射流切缝：开启高压泵逐步加压至设计割缝压力，从射流孔喷出的高压液体对孔壁定向切割，切割时保持射流孔方位不变按设计后退速度后退高压钻杆及射流器，至设计终止射流位置，使钻孔两侧分别形成垂直于水平面且延伸方向平行于运输巷走向的裂缝；
施工剩余钻孔及切缝：按照上述方法，根据设计钻孔间距逐个完成余下钻孔及各钻孔的割缝工序，使各钻孔间的裂缝连接在一起在运输巷靠近工作面侧一定范围内的顶板内形成一道垂直于水平面且延伸方向平行于运输巷走向的人造贯通裂缝面，工作面采空后在矿山压力作用下，采空区域的顶板沿着人造贯通裂缝面切落而形成隔离墙，对采空区起到隔离作用；
将切顶后的运输巷作为下一个工作面的回风巷：根据工作面开采情况，逐段完成整条运输巷的切顶工序，在工作面回采完毕后，切顶后的运输巷作为下一个工作面的回风巷，使临近采空区的运输巷处于侧向压力降低区域；
下一工作面无煤柱低压开采：将工作面切顶后的运输巷作为下一个工作面的回风巷，对下一工作面实现无煤柱低压开采。
进一步地，所述钻孔的直径D根据所述射流器的尺寸确定，为射流器直径d的1.2-1.5倍，所述钻孔深度L根据顶板岩层碎涨系数k和煤层开采厚度M由公式L＝M/(k-1)确定，且L>1.5H，其中H为运输巷的净高。
进一步地，所述射流器的两侧的射流孔的连线与射流器轴线相交成90°角。
进一步地，所述设计割缝压力根据顶板强度确定，为顶板抗拉强度σc的5-8倍；所述设计后退速度可根据实验室或现场测试确定，为0.01-0.05m/min。
进一步地，设计钻孔间距为割缝半径的2倍，所述割缝半径由实验室或现场测试确定。
本发明提供的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，采用钻孔和水力割缝的方法，使运输巷的顶板沿巷道轴线方向形成一条人造裂缝，工作面推进过来后，在矿山压力作用下，顶板沿人造裂缝自然切落，从而形成一道隔离岩墙，对侧向采空区起到隔离作用。并且该巷道还可以作为下一个工作面的回风巷，这样不仅减少了掘巷工程，降低了资源损失，而且由于沿空留巷处于应力降低区，同时侧向采空区充填较好，能大大降低沿空巷道的冲击致灾风险。本发明提供的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，对冲击地压防治技术及防治理念的进步具有重要意义，社会经济效益显著。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法中施工位置平面示意图
图3为本发明实施例提供的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法中施工示意图
图4为本发明实施例提供的一种切顶留巷防治巷道冲击地压的方法中没有采用本发明对巷道顶板进行切顶时的巷道破坏示意图。
图5为本发明实施例提供的一种切顶留巷防治巷道冲击地压的方法中采用本发明对巷道顶板进行切顶留巷的效果示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，包括如下步骤：
掘进巷道圈出工作面开采区域：分别掘出运输巷、回风巷和切眼，掘进期间需要对运输巷顶板采用强力锚索进行加强支护。其中，所述工作面为由运输巷、回风巷、切眼及停采线包围的区域，该区域用于煤炭资源的开采。所述运输巷、回风巷指在工作面开采期间用于运输和回风的巷道，运输巷为下巷，回风巷为上巷。其中，所述强力锚索是外端通过托盘、螺母固定在巷道表面，另一端锚固在距巷道顶板一定深度范围内的预应力钢绞线。通过锚索可使巷道以上一定范围内的顶板处于压紧状态，从根本上改善顶板的力学性能，有效地控制顶板的位移，促使其稳定，达到加强巷道支护的目的。
在运输巷施工垂直钻孔：在运输巷靠近工作面侧的顶板上施工垂直钻孔，钻孔直径D根据射流器的尺寸确定，一般为射流器直径d的1.2-1.5倍，钻孔深度L根据顶板岩层碎涨系数k和煤层开采厚度M由公式L＝M/(k-1)确定，且L>1.5H，其中H为运输巷的净高。
放入并调整射流器方位：钻孔完毕后，退出钻杆，将连接高压密封钻杆的射流器推入孔底，高压密封钻杆外端连接高压胶管，高压胶管另一端与高压泵连接，射流器两侧各有一个射流孔，能喷射高压液体射流，调整射流孔的方位，使两射流孔朝向运输巷道走向方向，并且射流器两侧的射流孔的连线与射流器轴线相交成90°角。其中，所述巷道走向方向指的是巷道轴线方向，即调整射流孔的方位，使两射流孔朝向巷道轴线方向。
高压射流切缝：启动高压泵逐步加压至设计割缝压力，此时，从射流器两侧的射流孔中喷出的高压液体对钻孔进行定向切割，在切割过程中按照设计后退速度匀速缓慢后退高压钻杆及射流器，退杆时要保持射流器方位不变，直至射流器退至距钻孔设计终止射流位置后关闭高压泵，这样在钻孔两侧分别形成垂直于水平面且延伸方向平行于运输巷走向的裂缝。其中，所述割缝压力根据顶板强度确定，一般为顶板抗拉强度σc的5-8倍；所述设计后退速度可根据实验室或现场测试确定，一般为0.01-0.05m/min，且后退速度保持恒速。所述的设计终止射流位置，可根据巷道顶板条件确定，一般终止位置距巷道顶部的垂直距离大于1.0m。为了提高切割范围和切割效果，射流器两侧射流孔喷出的高压液体是携带一定量金刚砂的高压水。
施工剩余钻孔及切缝：根据设计钻孔间距，将施工设备移动至下一个施工地点，按照上述方法步骤，逐个完成余下钻孔及各钻孔的割缝工序，使各钻孔间的裂缝连接在一起,在运输巷靠近工作面侧一定范围内的顶板内形成一道垂直于水平面且延伸方向平行于运输巷走向的人造贯通裂缝面，工作面采空后，在矿山压力作用下，工作面采空区域的顶板沿着人造贯通裂缝面切落而形成一道隔离墙，对采空区起到隔离作用。其中，各个钻孔的施工地点为平行于运输巷轴线方向，各施工地点的间距为割缝半径的2倍，即设计钻孔间距为割缝半径的2倍，而割缝半径可根据实验室或现场实测获得。并且各个钻孔连线走向与运输巷的走向方向(即运输巷轴线方向)平行。这样，各个钻孔两侧高压液体割缝后产生的裂缝相互连接在一起，在运输巷靠近工作面侧的一定范围内的顶板上形成一道垂直于水平面且延伸方向平行于运输巷走向的人造贯通裂缝面。其中，一定范围内的顶板内形成的人造贯通裂缝，其一定范围可根据施工安全性、采动应力影响范围、顶板支护条件等综合确定，一般超前工作面最大距离不大于300m。
将切顶后的巷道作为下一个工作面的回风巷：根据工作面推进情况，逐段完成整条巷道的切顶工序，在该工作面回采完毕后，切顶巷道作为下一个工作面的回风巷，使临近采空区的巷道处于侧向压力降低区域。这样不仅减少了掘巷工程，降低了资源损失，而且由于临空留巷处于应力降低区，且侧向采空区充填较好，能大大降低临空巷道的应力集中程度，从根本上解除的由于侧向悬顶和煤柱应力集中造成的冲击致灾风险。
下一工作面无煤柱低压开采：将工作面切顶后的巷道作为下一个工作面的回风巷，对下一工作面实现无煤柱低压开采。
本发明实施例提供的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，通过在巷道侧向形成一条沿巷道走向的人造贯通裂缝面，当工作面推进过后，顶板沿裂缝面自然切落，形成一道岩墙对采空区进行隔离，不仅能显著降低冲击地压危险，同时对控制巷道常规矿压显现(如顶板下沉、帮鼓、底鼓等)也具有积极作用，经济效益和安全效益都很显著。
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。
参见图2，工作面1为正在开采的工作面，工作面2是下一个需要开采的工作面，在工作面1和工作面2之间的巷道是工作面1开采期间的运输巷。工作面1自切眼位置处开始往前回采煤炭。当前推进位置后面采空区的一段运输巷是切顶后预留下来的巷道，用作工作面2开采期间的回风巷。
参见图3，在运输巷靠近工作面侧的顶板14施工垂直钻孔5，钻孔5的直径D根据射流器3的尺寸确定，一般为射流器直径d的1.2-1.5倍，钻孔深度L根据顶板岩层碎涨系数k和煤层开采厚度M确定，L＝M/(k-1)，且L>1.5H，H为巷道的净高。
钻孔5施工完毕后，退出高压密封钻杆4，将两侧各有一个射流孔的射流器3安装在钻头2后方，记好射流孔的方位，将连接高压密封钻杆4的射流器3放入钻孔底部，高压密封钻杆4外端连接高压胶管8，高水胶管8另一端与高压泵12的高压出水管10连接，高压泵12上还设置有调压阀9、进水管11及压力表13等装置。通过履带钻机7上的钻孔控制装置15调整射流器3的射流孔方位，使两射流孔朝向运输巷走向方向，即朝向运输巷的轴线方向。
从高压水变头6放入一钢球，开启高压水泵12，此时钢球堵住钻头2前方的出水孔，逐步加压至设计割缝压力，此时，从射流器3两侧的射流孔中喷出携带金刚砂的高压水射流1对钻孔5进行定向切割，在切割过程中以设计速度缓慢退出高压密封钻杆4及射流器3，退杆时要保持射流器3方位不变，直至射流器3退至距钻孔设计终止射流位置后关闭高压泵，这样在钻孔5两侧分别形成垂直于水平面且延伸方向平行于运输巷走向的裂缝，裂缝长度为孔间距的2倍，宽度为孔底到割缝终止位置的长度。
根据设计钻孔间距，将施工设备移动至下一个施工地点，按以上步骤完成剩余各孔的钻孔及割缝工序，使各钻孔5间的裂缝连接在一起在运输巷靠近工作面侧的一定范围内的顶板14内形成一道垂直于顶板14且延伸方向平行于运输巷走向的人造贯通裂缝面。工作面推过来后，在矿山压力的作用下，顶板14能够沿着人造贯通裂缝面切落，并形成一道隔离墙，对采空区起到隔离作用。
参见图4，如果没有对工作面1的运输巷进行钻孔切顶，工作面1采完后，运输巷侧向采空区顶板垮落不充分，将会形成大面积的悬顶，导致运输巷压力大，巷道破坏严重，无法维护。此时要开采工作面2，必须要另外重新掘出一条巷道，不仅增加了掘进工程量，而且为了隔离采空区，需要在新掘巷道和运输巷之间留设一定宽度的煤柱，煤柱内应力很高，不仅不利于新掘巷道的维护，而且容易发生冲击地压事故。
参见图5，根据工作面1推进情况，逐段完成整条巷道的切顶工序，在该工作面回采完毕后，运输巷侧向采空区顶板都沿着裂缝面切落，形成一道岩墙隔离采空区，可作为下一个工作面的回风巷，这样不仅减少了掘巷工程，降低了资源损失，而且由于临空留巷处于应力降低区，同时侧向采空区充填较好，能大大降低临空巷道的应力集中程度，从根本上解除的由于侧向悬顶和煤柱应力集中造成的冲击致灾风险。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，其特征在于，包括如下步骤：
掘进巷道圈出工作面开采区域：分别掘出运输巷、回风巷和切眼，掘进期间对运输巷顶板采用强力锚索进行加强支护；
在运输巷施工垂直钻孔：在运输巷靠近工作面侧的顶板施工垂直钻孔；
放入并调整射流器方位：钻孔完成后退出钻杆，将连接密封钻杆的射流器放入孔底，密封钻杆外端通过胶管与高压泵连接，调整射流器两侧的射流孔方位，使两射流孔朝向运输巷走向方向；
高压射流切缝：开启高压泵逐步加压至设计割缝压力，从射流孔喷出的高压液体对孔壁定向切割，切割时保持射流孔方位不变，按设计后退速度后退高压钻杆及射流器，至设计终止射流位置后关闭高压泵，使钻孔两侧分别形成垂于水平面且延伸方向平行于运输巷走向的裂缝，所述高压液体为携带金刚砂的高压水；
施工剩余钻孔及切缝：按照上述方法，根据设计钻孔间距逐个完成余下钻孔及各钻孔的割缝工序，使各钻孔间的裂缝连接在一起，在运输巷靠近工作面侧一定范围内的顶板内形成一道垂直于水平面且延伸方向平行于运输巷走向的人造贯通裂缝面，工作面采空后在矿山压力作用下，采空区域的顶板沿着人造贯通裂缝面切落而形成隔离墙，对采空区起到隔离作用；
将切顶后的运输巷作为下一个工作面的回风巷：根据工作面开采情况，逐段完成整条运输巷的切顶工序，在工作面回采完毕后，切顶后的运输巷作为下一个工作面的回风巷，使临近采空区的运输巷处于侧向压力降低区域；
下一工作面无煤柱低压开采：将工作面切顶后的运输巷作为下一个工作面的回风巷，对下一工作面实现无煤柱低压开采。
2.根据权利要求1所述的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，其特征在于：所述钻孔的直径D根据所述射流器的尺寸确定，为射流器直径d的1.2-1.5倍，所述钻孔深度L根据顶板岩层碎涨系数k和煤层开采厚度M由公式L＝M/(k-1)确定，且L>1.5H，其中H为运输巷的净高。
3.根据权利要求1所述的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，其特征在于：所述射流器的两侧的射流孔的连线与射流器轴线相交成90°角。
4.根据权利要求1所述的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，其特征在于：所述设计割缝压力根据顶板强度确定，为顶板抗拉强度σc的5-8倍；所述设计后退速度可根据实验室或现场测试确定，为0.01-0.05m/min。
5.根据权利要求1所述的一种水力切顶留巷防治巷道冲击地压的方法，其特征在于：设计钻孔间距为割缝半径的2倍，所述割缝半径由实验室或现场测试确定。
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