CN110344831A - 切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿产资源开采技术领域，提供了一种切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，包括：压裂，向裂隙带内的岩层施加定向压裂压力，所述定向压裂压力由上向下施加，以切断所述裂隙带内的岩层；其中，所述定向压裂压力作用于定向切顶面，所述定向切顶面靠近工作面侧；成巷，所述裂隙带内的岩层自然垮落，并压断所述裂隙带下方的直接顶岩层，所述裂隙带内的岩层与所述直接顶岩层整体垮落充填所述定向切顶面第一侧的采煤遗留空间，并在所述定向切顶面的第二侧形成下一个工作面巷道。本发明提供的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，实现切顶和卸压的双重功能，形成更加密实墙体来封闭采空区，满足留巷安全要求。
Description
技术领域
本发明涉及矿产资源开采技术领域，特别是涉及一种切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法。
背景技术
无煤柱沿空留巷是中国煤矿煤炭资源高回收开采模式，切顶卸压无煤柱自成巷沿空留巷技术近年来已经在我国井工煤矿得到广泛推广应用，并且也取得了显著的技术经济效果。
沿空留巷当前主要采用两种方式：砌墙留巷和无墙自成巷，后者正在逐步取代前者作为无煤柱沿空留巷主要形式。无墙自成巷沿空留巷关键工艺采用聚能爆破切断冒落带内直接顶岩层，然后利用矿山压力传递规律，待回采工作面推过后，直接顶岩层自行垮落成墙来封堵采空区并作为留巷巷帮，如图1所示，采用炸药聚能爆破切断位于冒落带内直接顶岩层，利用岩石垮落碎胀充填满采煤遗留空间并形成墙体成为巷帮，切落直接顶厚度主要根据采高和岩石碎胀性来综合确定。
炸药爆破切顶技术是实现自成巷的关键，为保证顶板炸裂裂缝充分连通，必须布置密集钻孔才可能实现，需要大量炸药和钻孔工程。沿空自成巷留巷受到两工作面动压采动应力影响，留巷变形破坏非常明显，特别是巷道底鼓非常严重，为满足二次复用，必须进行大量的整巷修巷工作，并且时刻威胁着工作面的安全回采。
因此，煤矿井下应用实践表明，现有的方法主要存在两大关键缺陷和有害弊端：一是实现直接顶岩层成功切断联通冒落需要布置密集间距爆破钻孔，井下钻孔施工作业工程量庞大，所需炸药用量巨大，且利用炸药预裂爆破存在很大安全风险；二是受采动应力作用，留巷围岩变形破坏非常剧烈，留巷维护工程量巨大，需投入高昂的人力物力费用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的留巷变形明显、修复工作量大、存在安全隐患的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，包括：
压裂，向裂隙带内的岩层施加定向压裂压力，所述定向压裂压力由上向下施加，以切断所述裂隙带内的岩层；其中，所述定向压裂压力作用于定向切顶面，所述定向切顶面靠近工作面侧；
成巷，所述裂隙带内的岩层自然垮落，并压断所述裂隙带下方的直接顶岩层，所述裂隙带内的岩层与所述直接顶岩层整体垮落充填所述定向切顶面第一侧的采煤遗留空间，并在所述定向切顶面的第二侧形成下一个工作面巷道。
在一些技术方案中，所述裂隙带内的岩层包括若干关键层和若干软弱层，所述关键层至少包括所述直接顶岩层上方的老顶层。
在一些技术方案中，向所述裂隙带挖钻形成钻孔，压力流体沿所述钻孔向目标位置的所述裂隙带内的岩层提供所述定向压裂压力，所述关键层内注入压力流体的时间设为第一设定时间，所述软弱层内注入压力流体的时间设为第二设定时间。
在一些技术方案中，所述第一设定时间设为25-35min；所述第二设定时间设为20-30min。
在一些技术方案中，所述定向切顶面的延伸方向间隔设有多个所述钻孔，相邻所述钻孔的间距在10-15m。
在一些技术方案中，所述目标位置沿所述裂隙带的高度方向等间距分布多个，相邻所述目标位置的间距设为2-3m。
在一些技术方案中，所述压裂步骤，在工作面煤层开采之前进行。
在一些技术方案中，所述压裂步骤之前，测算所述裂隙带的厚度，裂隙带厚度的影响因素至少包括：煤层的开采厚度和所述裂隙带内各岩层的成分、厚度及分布。
在一些技术方案中，所述裂隙带内所有的岩层均进行压裂。
在一些技术方案中，所述下一个工作面巷道上方的直接顶岩层内设有若干锚索和若干锚杆，所述锚索与所述锚杆分排布置，相邻所述锚索之间至少设有一排所述锚杆。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)通过对裂隙带内的岩层进行压裂，使裂隙带内的岩层与直接顶岩层整体垮落，充填采煤遗留空间，能够保障自动成巷，以及实现完全卸压保护留巷，不再进行反复维修即能够满足二次复用，具有非常光明的推广应用前景，并进一步完善和推动无煤柱切顶卸压沿空留巷技术的向前发展和持续进步，也是对矿山压力与岩层控制理论的有益补充和推动发展。
2)采用水力致裂技术来提供切顶卸压的压力，水力致裂的压力便于调控，稳定性好，危害小。
附图说明
图1为现有技术中自成巷沿空留巷方法的截面示意图以及应力分布图；
图2为本发明切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法的截面示意图以及应力分布图；
图3为本发明裂隙带的示意图；
图4为本发明切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法的立体示意图；
图中：A表示原始应力区，B表示应力增高区，C表示应力降低区，D表示应力稳定区；
图中，1、裂隙带；11、关键层；12、软弱层；2、直接顶岩层；3、下一个工作面；4、下一个工作面巷道；5、采煤遗留空间；6、锚索；7、锚杆；8、定向切顶面；9、钻孔；10、工作面煤层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了解决现有技术中存在的留巷变形明显、修复工作量大、存在安全隐患等技术问题，本发明提出一种切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法。
结合图2-4所示，本发明提供一种切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，包括：
压裂，向裂隙带1内的岩层施加定向压裂压力，定向压裂压力由上向下施加，以切断裂隙带1内的岩层；其中，定向压裂压力作用于定向切顶面，定向切顶面8靠近工作面侧；
成巷，裂隙带1内的岩层自然垮落，并压断裂隙带1下方的直接顶岩层2，裂隙带1内的岩层与直接顶岩层2整体垮落充填定向切顶面第一侧的采煤遗留空间5，并在定向切顶面的第二侧形成下一个工作面巷道4。
进一步的，压裂步骤，在工作面煤层10开采之前进行。利用定向压裂压力定向切断裂隙带1内的岩层，充分利用矿山压力显现规律，待工作面煤层10推过后，裂隙带1内的岩层自然垮落，顺带压断其下位冒落带内直接顶岩层2，以实现整体自行垮冒，裂隙带1与冒落带的两带岩层统一整体垮落，能够充填满采煤遗留空间5，形成更加密实墙体来封闭采空区，实现自动成巷，满足留巷安全要求，且实现切顶和卸压的双重功能。并且，冒落带的直接顶岩层2不进行切顶，在工作面煤层10开采前，作用在巷道上方的直接顶顶板保持稳定，不会作用到顶板上压力，能够有效保证工作面煤层10开采过程的安全性。
其中，顶板与下一个工作面巷道4的交线向上延伸形成定向切顶面8，施工过程中，先确认交线的位置。
本技术方案，切顶对象非冒落带内直接顶岩层2，而是直接切断裂隙带1的岩层，尤其是裂隙带1内控制岩层整体运动的关键层11，为保护留巷巷道顶板的安全稳定，不需要也没有必要切断冒落带内直接顶岩层2，实现充分利用矿山压力活动规律，确保开采煤层上覆顶板岩层的整体冒落。
进一步的，本技术方案，采用切断裂隙带1内控制其整体运动的岩层，裂隙带1内的岩层断裂下沉过程，连带其下位冒落带内直接顶岩层2垮落，起到完全解除作用于留巷围岩的真实动力源的作用，解决了裂隙带1内岩层持续运动引起的强烈采动应力的扰动作用，导致的留巷巷道变形破坏难以得到有效控制的问题。并且，巷道不再受到动载作用，自然变形破坏会显著降低甚至消失，起到卸压保护作用，降低留巷变形破坏灾害，实现沿空留巷二次安全复用。
并且，结合图1和图2中的应力分布图，本技术方案中的应力增高区的应力变化平缓，图2中应力增高区的应力变化系数K2小于图1中的K1，且图2中的应力增大区的面积占比小于图1。
其中，裂隙带1内的岩层包括若干关键层11和若干软弱层12，关键层11至少包括直接顶岩层2上方的老顶层。裂隙带1内控制其整体运动的岩层是关键层11，关键层11的硬度大、强度高、厚度大，软弱层12分布于关键层11之间，软弱层12的硬度较低、强度不高。
老顶层是裂隙带1中直接压覆直接顶岩层2的岩层，在成巷过程中，裂隙带1内的岩层从上向下依次切断、自然垮落，直至老顶层切断、自然垮落，裂隙带1内垮落的岩层压断直接顶岩层2，使定向切顶面第一侧的采煤遗留空间5被填充、定向切顶面第二侧形成下一个工作面巷道4，以便对下一个工作面3进行施工。
进一步的，向裂隙带1挖钻形成钻孔9，压力流体沿钻孔9向目标位置的裂隙带1内的岩层提供定向压裂压力，压力流体能够准确向目标位置提供压力，并且定向压裂压力可以通过压力流体调节。
目标位置沿裂隙带1的高度方向等间距分布多个，即一个关键层11或软弱层12内可以设有多个目标位置。优选的，相邻目标位置的间距设为2-3m。
裂隙带1高度范围的全部岩层均进行压裂，充分卸载顶部压力，实现充分利用矿山压力活动规律，确保开采煤层上覆顶板岩层的整体冒落。
定向压裂压力通过深孔水压致裂方式实现，钻孔9内通过注水管注入高压水，注水管通入到钻孔9内的目标位置，对目标位置进行压裂。采用水力致裂技术取代炸药爆破技术，可实现钻孔9大间距布置压裂，减少钻孔9工程量，防范炸药爆破存在的安全隐患。
定向切顶面的延伸方向间隔设有多个钻孔9，即裂隙带1的水平方向上间隔设置多个钻孔9，相邻钻孔9的间距在10-15m。
并且，关键层11与软弱层12内的定向压裂压力，可以根据岩层的硬度、强度不同进行调节。为了保证不同质地的岩层均能切断，各个岩层内注入压力流体的时间可通过水压致裂设备调节。进一步的，为了方便施工，关键层11注入压力流体的时间设为第一设定时间，软弱层12注入压力流体的时间设为第二设定时间。第一设定时间和第二设定时间均为在目标位置注入压力流体的时间，并非在整个关键层11或软弱层12内注入压力流体的时间。
压力流体提供的压力为20-30MPa，第一设定时间设为25-35min；第二设定时间设为20-30min，能够满足关键层11与软弱层12的压裂需求。
下一个工作面巷道4上方的直接顶岩层2内设有若干锚索6和若干锚杆7，锚杆7与锚索6分排布置方式，相邻锚索6之间至少设有一排锚杆7。其中，锚杆7直径可以选择20-22mm，长度2.0-2.4m，相邻两排锚杆7的间距0.8-1.0m；锚索6可选择直径18-22mm，长度可介于5.3-8.3m，相邻两排锚索6的间距1.6-2.0m，起到加强支护的作用，保证下一个工作面巷道4的安全性。
在压裂步骤之前，测算裂隙带1的厚度，根据裂隙带1的厚度确定钻孔9的挖钻深度，以及钻孔9的间距。裂隙带1厚度的影响因素至少包括：煤层的开采厚度和裂隙带1内各岩层的成分、厚度及分布。裂隙带1的厚度通过现有的方式测算得出。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，包括：
压裂，向裂隙带内的岩层施加定向压裂压力，所述定向压裂压力由上向下施加，以切断所述裂隙带内的岩层；其中，所述定向压裂压力作用于定向切顶面，所述定向切顶面靠近工作面侧；
成巷，所述裂隙带内的岩层自然垮落，并压断所述裂隙带下方的直接顶岩层，所述裂隙带内的岩层与所述直接顶岩层整体垮落充填所述定向切顶面第一侧的采煤遗留空间，并在所述定向切顶面的第二侧形成下一个工作面巷道。
2.根据权利要求1所述的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，所述裂隙带内的岩层包括若干关键层和若干软弱层，所述关键层至少包括所述直接顶岩层上方的老顶层。
3.根据权利要求2所述的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，向所述裂隙带挖钻形成钻孔，压力流体沿所述钻孔向目标位置的所述裂隙带内的岩层提供所述定向压裂压力，所述关键层内注入压力流体的时间设为第一设定时间，所述软弱层内注入压力流体的时间设为第二设定时间。
4.根据权利要求3所述的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，所述第一设定时间设为25-35min；所述第二设定时间设为20-30min。
5.根据权利要求3所述的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，所述定向切顶面的延伸方向间隔设有多个所述钻孔，相邻所述钻孔的间距在10-15m。
6.根据权利要求3所述的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，所述目标位置沿所述裂隙带的高度方向等间距分布多个，相邻所述目标位置的间距设为2-3m。
7.根据权利要求1所述的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，所述压裂步骤，在工作面煤层开采之前进行。
8.根据权利要求1所述的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，所述压裂步骤之前，测算所述裂隙带的厚度，裂隙带厚度的影响因素至少包括：煤层的开采厚度和所述裂隙带内各岩层的成分、厚度及分布。
9.根据权利要求1所述的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，所述裂隙带内所有的岩层均进行压裂。
10.根据权利要求1所述的切顶卸压无煤柱沿空自成巷留巷方法，其特征在于，所述下一个工作面巷道上方的直接顶岩层内设有若干锚索和若干锚杆，所述锚索与所述锚杆分排布置，相邻所述锚索之间至少设有一排所述锚杆。
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