CN110671109B - 长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采煤技术领域，提供了一种长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，该方法包括：获得采空区顶板的断裂步距；在巷道的顶板上加工第一裂缝，第一裂缝沿第一方向延伸；在巷道的顶板上加工多条互相平行的第二裂缝，多条第二裂缝沿第二方向且自第一裂缝向煤层延伸，第一方向垂直于第二方向；其中，相邻两条第二裂缝之间的距离等于断裂步距，第一裂缝和多条第二裂缝均位于工作面的前方。由于第一裂缝和第二裂缝的成型在巷道内完成，且均位于工作面前方，使得该方法在施工过程中，在不影响工作面开采效率的前提下，既保证了开采速度，又能够加快采空区顶板的垮落。
Description
技术领域
本发明总体来说涉及采煤技术领域，具体而言，涉及一种长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法。
背景技术
目前我国90％以上的矿井均采用长壁式开采技术采煤，长壁式开采工作面长度少则30米～40米，多则200米左右或更长。长壁式开采技术采煤的特点是：回采工作面长；工作面两端有可供运输、通风和行人的巷道；回采工作面向前推进时，巷道必须不断支护；采空区随工作面向前推进要按一定方法及时处理。
如图1所示，示意性地示出了长壁工作面平面布置图。随着工作面1向前推进，采空区3的顶板会按照一定的周期来压步距垮落。对于低强度、小厚度、不完整的软弱顶板(泥岩、砂质泥岩等)，工作面1开采过后采空区3的顶板会及时垮落。但对于高强度、大厚度、较为完整的坚硬顶板(灰岩、硬质砂岩等)，工作面开采过后采空区3的顶板不会及时垮落，随着工作面1的推进，采场内部形成的顶板悬顶面积逐渐增大，如果不能得到有效的垮落，将会加大采场区域支护的强度和难度。同时，当工作面不断的向前推进，采空区3坚硬顶板的周期来压步距不断增大，且集聚了大量能量，当上覆岩层载荷和顶板自重达到顶板破断条件时，就会发生采空区3顶板大面积整体断裂垮落，易形成强力风波，诱发有限区域飓风事故，破坏巷道设施和造成人员伤亡，影响矿井正常生产，而且在强烈冲击作用下，会引起火花，容易造成煤尘爆炸等危险。
随着工作面不断向前开采，由于采空区3的实体煤帮33和巷道内支护结构共同支撑采空区3的顶板，在回风巷道4与采空区3交界处的后方，以及运输巷道5与采空区3交界处的后方分别形成了难垮落三角区，该三角区分别为上隅角31后方和下隅角32后方。上隅角31为采煤工作面的回风侧，同时靠近回风巷上帮和采空区边缘的三角地带。该区域通风不好，温度湿度较高，容易积聚采空区和采面交汇释放的瓦斯和有害气体，瓦斯和有害气体浓度较高，倘若出现大型冲击垮落，很容易引起气体爆炸。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，以解决现有技术中的隅角后方采空区顶板的难垮落问题。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供了一种长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，包括：获得采空区顶板的断裂步距；在巷道的顶板上加工第一裂缝，所述第一裂缝沿第一方向延伸；在巷道的顶板上加工多条互相平行的第二裂缝，多条所述第二裂缝沿第二方向且自所述第一裂缝向煤层延伸，所述第一方向垂直于所述第二方向；其中，相邻两条所述第二裂缝之间的距离等于所述断裂步距，所述第一裂缝和多条所述第二裂缝均位于工作面的前方。
根据本发明的一实施方式，在巷道的顶板上加工多条互相平行的第二裂缝之后，所述方法还包括：
将工作面向前推进一个所述断裂步距，随着工作面的液压支架前移，隅角后方采空区顶板在周期来压和所述第一裂缝和所述第二裂缝的共同作用下，隅角后方采空区顶板实现垮落。
根据本发明的一实施方式，所述在巷道的顶板上加工第一裂缝，包括：
在所述巷道的顶板上开设多个间隔设置的第一孔洞，多个所述第一孔洞呈一列布置且沿所述第一方向延伸；在多个所述第一孔洞内分别填充多个爆炸物，多个所述爆炸物的爆炸方向沿所述第一方向。
根据本发明的一实施方式，所述第一孔洞的孔深大于10m；或，
所述第一孔洞的孔径介于45mm～50mm；或，
相邻两个所述第一孔洞之间的距离介于300mm～800mm。
根据本发明的一实施方式，所述在巷道的顶板上加工多条互相平行的第二裂缝，包括：在所述巷道的顶板上开设多个第二孔洞，多个所述第二孔洞分成多排，多排的所述第二孔洞互相平行且沿所述第二方向延伸，相邻两排所述第二孔洞之间的距离等于所述断裂步距；多个所述第二孔洞内分别填充多个爆炸物，每排所述爆炸物的爆炸方向沿所述第二方向。
根据本发明的一实施方式，所述第二孔洞的孔深大于10m；或，
所述第二孔洞的孔径介于45mm～50mm；或，
位于一排中的相邻两个所述第二孔洞之间的距离介于300mm～800mm。
根据本发明的一实施方式，所述第二孔洞的轴线沿背离所述第二方向向采空区倾斜且与竖直方向呈一角度，所述角度介于8度～12度。
根据本发明的一实施方式，所述爆炸物包括聚能爆破装置。
根据本发明的一实施方式，所述聚能爆破装置包括聚能管以及填充在所述聚能管内的炸药。
根据本发明的一实施方式，所述获得采空区顶板的断裂步距，包括：获得工作面开采过程中液压支架所受载荷的周期性变化；根据所述载荷的周期性变化，获得一个波谷值增大到一个相邻的波峰值时的所述液压支架向前推进的距离；所述液压支架向前推进的距离即为所述断裂步距。
由上述技术方案可知，本发明的长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法的优点和积极效果在于：
本发明的跨断方法，由于其第一裂缝和第二裂缝的成型在巷道内完成，且均位于工作面前方，使得该方法在施工过程中，在不影响工作面开采效率的前提下，既保证了开采速度，又能够加快采空区顶板的垮落，从而减少隅角后方采空区顶板难垮落所带来的飓风冲击和爆炸威胁等问题。同时，本发明的跨断方法具有成本低、操作方便且顶板垮落效果好的优点。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是根据一示例性实施方式示出的长壁工作面的平面布置图。
图2是根据一示例性实施方式示出的第一孔洞和第二孔洞的施工位置示意图。
图3是根据一示例性实施方式示出的爆炸方向示意图。
图4是根据一示例性实施方式示出的上隅角后方难垮落区域顶板垮落示意图。
图5是根据一示例性实施方式示出的下隅角后方难垮落区域顶板垮落示意图。
图6是根据一示例性实施方式示出的一种长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法流程图。
其中，附图标记说明如下：
1、工作面
2、煤层
3、采空区
31、上隅角
32、下隅角
33、实体煤帮
34、难垮落区域
4、回风巷道
41、副帮煤壁
5、运输巷道
110、第一裂缝
111、第一孔洞
120、第二裂缝
121、第二孔洞
130、聚能爆破装置
d、断裂步距
D1、第一方向
D2、第二方向
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”、“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“顶”、“底”等也作具有类似含义。用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
为了便于理解本发明的技术方案，现对“断裂步距”和“上隅角”作术语说明如下：
断裂步距：当采煤工作面向前推进，工作面基本顶岩层悬露的跨度达到一定长度时，基本顶岩层在其自重及上覆岩层载荷的作用下，将沿煤壁甚至在煤壁内发生折断和垮落，随工作面的推进基本顶岩层这种垮断现象周而复始的出现，这种周期性的跨断距离即为断裂步距。
上隅角：指采煤工作面的回风侧，同时靠近回风巷上帮和采空区边缘的三角地带。
如图1所示，示出的为本发明的一实施方式的长壁工作面的平面布置图。在工作面1的开采过程中，工作面1的两侧设有两条巷道，分别为用于通风的回风巷道4和用于运输煤炭的运输巷道5。在长壁工作面1推进过程中，工作面1后方的大部分的采空区3的顶板均会按照一定的周期来压垮落。然而，由于采空区3的实体煤帮33和巷道内的支护结构共同支撑采空区3的顶板，因此在上隅角31和下隅角32的后方分别形成了两个难垮落区域34，两个难垮落区域34的顶板不会及时垮落。
针对该问题，本发明的发明人在研究中发现，现有技术中提出采用水力压裂、深孔爆破等技术进行强制放顶，这些方法均是在液压支架后方进行。一方面，由于现有的技术方案需紧跟着工作面1施工，影响推进速度和生产效率；另一方面深孔压裂过程中水压不易控制，易导致压裂区域附近的巷道稳定性受到影响。同时，高压水力压裂和注水弱化均消耗大量的水资源，添加了化学试剂的水资源更容易造成污染。
据此，本发明的发明人提出一种长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，如图6所示，该方法包括：
获得采空区3顶板的断裂步距d；在巷道的顶板上加工第一裂缝110，所述第一裂缝110沿第一方向D1延伸；在巷道的顶板上加工多条互相平行的第二裂缝120，多条所述第二裂缝120沿第二方向D2且自所述第一裂缝110向煤层2延伸，所述第一方向D1垂直于所述第二方向D2；其中，相邻两条所述第二裂缝120之间的距离等于所述断裂步距d，所述第一裂缝110和多条所述第二裂缝120均位于回采工作面1的前方。
在步骤S910中，获得采空区3顶板的断裂步距d。
在一些实施方式中，采空区3顶板的断裂步距d可采用现场实测的方式获得，具体来说，对相邻工作面或本工作面1开采过程中的液压支架所承受的载荷进行监测，通过液压支架的压力值的变化可以反映出工作面1后方顶板的破断规律，即可获得一个波谷值增大到一个相邻的波峰值时的液压支架向前推动的距离，液压支架向前推动的距离即为断裂步距d。
在另一些实施方式中，采空区3顶板的断裂步距d还可以采用理论计算的方式获得，具体来说，断裂步距d与工作面1顶板岩层的抗拉强度、控制断裂的岩梁厚度等因素有关，理论计算公式为：
其中，式中：L为断裂步距(单位：m)；hk为断裂控制岩梁厚度(单位：m)；RT为来压控制关键岩层抗拉强度(单位：MPa)。
再一些实施方式中，采空区3顶板的断裂步距d还可以采用数值模拟的方式获得，具体来说，断裂步距d可通过数值仿真模拟进一步验证，采用离散元模拟法。首先根据工作面1地质力学参数建立数值计算模型，并对每一层岩体赋力学参数，计算达到平衡后逐步模拟进行工作面1开挖。开挖过程中可通过顶板岩层的垮落运动形态确定断裂步距d。
在步骤S920中，在巷道的顶板上加工第一裂缝110，所述第一裂缝110沿第一方向D1延伸。
在一些实施方式中，巷道可以是回风巷道4或运输巷道5，第一方向D1为向工作面1的推进方向延伸。为了便于阐述，在本实施方式中以在回风巷道4内加工第一裂缝110为例进行说明。
如图2和图3所示，工作面1向前推进的过程中，沿第一方向D1，在工作面1的前方利用钻机在回风巷道4的顶板依次加工出多个间隔设置的第一孔洞111，多个第一孔洞111靠近回风巷道4的副帮煤壁41侧。第一孔洞111的孔深＞10m，孔径介于45mm～50mm，相邻两个第一孔洞111的间距介于300～800mm，第一孔洞111的轴线垂直于巷道的顶板。
在一些实施方式中，多个第一孔洞111之间的间距可以是相等的。当然，在其他实施方式中，多个第一孔洞111之间的间距可以是部分相等，或全不相等。
多个第一孔洞111加工完成后，在多个第一孔洞111内分别填充多个爆炸物，多个所爆炸物的爆炸方向为沿第一方向D1，爆炸物爆炸后即形成第一裂缝110。
当然，在其他实施方式中，第一裂缝110的加工方式也可以采用其他方法，此处不再详细说明。
在步骤S930中，在巷道的顶板上加工多条互相平行的第二裂缝120，多条所述第二裂缝120沿第二方向D2且自所述第一裂缝110向煤层2延伸，所述第一方向D1垂直于所述第二方向D2。
在一些实施方式中，根据步骤S910获得的断裂步距d，当回采工作面1处在一个完整断裂步距d位置时，选定位于该工作面1前方的一个断裂步距d的位置，利用钻机在回风巷道4的顶板上的该位置施工一排第二孔洞121，该排第二孔洞121沿第二方向D2延伸且自第一孔洞111向煤层2延伸。之后，在工作面1的前方，在回风巷道4的顶板上每隔一个断裂步距d则施工一排第二孔洞121，以此类推，以形成如图2所示的多排第二孔洞121。其中，第二孔洞121的孔深＞10m，孔径介于45mm～50mm，相邻两个第二孔洞121的间距介于300mm～800mm。
多排第二孔洞121加工完成后，多个第二孔洞121内分别填充多个爆炸物，每排爆炸物的爆炸方向为沿第二方向D2，爆炸物爆炸后即形成多条第二裂缝120。
在一些实施方式中，第二孔洞121的轴线沿背离第二方向D2向采空区3倾斜且与竖直方向呈一角度，角度介于8度～12度。
在本实施方式中，由于第二孔洞121的轴线为向采空区3方向倾斜，故爆炸后形成的第二裂缝120在顶板的厚度方向也是倾斜的，并非垂直于顶板方向。据此，当隅角后方的难垮落区域34的顶板在周期来压作用下实现垮落时，顶板更容易垮落，且垮落下的顶板不会对未垮落的顶板造成影响。
如图3所示，在一实施方式中，一排中的多个第二孔洞121与多个第一孔洞111的交汇处可以是一个孔洞，这样的设计，使得定向爆破后，由于交汇处为一孔洞，故第一裂缝110和第二裂缝120的交汇处更容易跨断。
当然，在其他实施方式中，一排中的多个第二孔洞121与多个第一孔洞111的交汇处也可以是位于两个相邻第一孔洞111之间。
请继续参阅图3，在一些实施方式中，爆炸物包括聚能爆破装置，聚能爆破装置包括聚能管和炸药，以实现定向爆破。具体来说，填充在第一孔洞111内的聚能管的爆破聚能方向为沿第一方向D1，即沿工作面1推进方向。填充在第二孔洞121内的聚能管的爆破聚能方向为沿第二方向D2，即垂直于工作面1推进方向且向煤层2延伸。爆破完毕后，由于爆破能量定向集聚，形成了多个倒T型的裂缝。
如图4所示，当回采工作面1向前推进一个断裂步距d的过程中，随着工作面1液压支架的前移，采空区3的顶板开始垮落，在周期来压和工作面1前方第一裂缝110和第二裂缝120的共同作用下，上隅角31后方难垮落区域34的顶板会按照与工作面1后方采空区3的顶板相一致的步距及时垮落，使上隅角31后方采空区3的顶板所集聚的能量得以释放。
请继续参阅图4，由于在回采工作面1的前方已经提前完成第一裂缝110和多条第二裂缝120的施工，随着工作面1不断向前推移，上隅角31后方坚硬难垮落区域34顶板层岩实现有效及时垮落，避免了上隅角31后方顶板大面积垮落所引发的飓风和爆炸事故，从而实现安全高效生产的目的。
如图5所示，示意性地示出了下隅角32后方难垮落区域34顶板垮落示意图。下隅角32后方难垮落区域34顶板的垮落方法与上隅角31相同，此处不再赘述。
综上所述，本发明的长壁工作面1隅角后方采空区3顶板的跨断方法的优点和积极效果在于：
本发明的跨断方法，由于其第一裂缝110和第二裂缝120的成型在巷道内完成，且均位于工作面1前方，使得该方法在施工过程中，在不影响工作面1开采效率的前提下，既保证了开采速度，又能够加快采空区3顶板的垮落，从而减少隅角后方采空区3顶板难垮落所带来的飓风冲击和爆炸威胁等问题。同时，本发明的跨断方法具有成本低、操作方便且顶板垮落效果好的优点。
另外，由于本发明的跨断方法采用的是聚能定向爆破切缝技术，完成顶板跨断的同时，不会破坏巷道顶板的完整性。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的石墨烯薄膜转移装置仅仅是采用本发明的原理的一个示例。本领域的普通技术人员应当清楚地理解，本发明的原理并非仅限于附图中示出或说明书中描述的装置的任何细节或任何部件。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。
Claims (9)
1.一种长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，其特征在于，包括：
获得采空区顶板的断裂步距；
在巷道的顶板上加工第一裂缝，所述第一裂缝沿第一方向延伸；
在巷道的顶板上加工多条互相平行的第二裂缝，多条所述第二裂缝沿第二方向且自所述第一裂缝向煤层延伸，所述第一方向垂直于所述第二方向；其中，相邻两条所述第二裂缝之间的距离等于所述断裂步距，所述第一裂缝和多条所述第二裂缝均位于工作面的前方；
其中，所述第一裂缝和多条所述第二裂缝在工作面的前方提前完成施工；
其中，在巷道的顶板上加工多条互相平行的第二裂缝的步骤，包括：
在所述巷道的顶板上开设多个第二孔洞，多个所述第二孔洞分成多排，多排的所述第二孔洞互相平行且沿所述第二方向延伸，相邻两排所述第二孔洞之间的距离等于所述断裂步距；
多个所述第二孔洞内分别填充多个爆炸物，每排所述爆炸物的爆炸方向沿所述第二方向。
2.根据权利要求1所述的长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，其特征在于，在巷道的顶板上加工多条互相平行的第二裂缝之后，所述方法还包括：
将工作面向前推进一个所述断裂步距，随着工作面的液压支架前移，隅角后方采空区顶板在周期来压和所述第一裂缝和所述第二裂缝的共同作用下，隅角后方采空区顶板实现垮落。
3.根据权利要求1所述的长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，其特征在于，所述在巷道的顶板上加工第一裂缝，包括：
在所述巷道的顶板上开设多个间隔设置的第一孔洞，多个所述第一孔洞呈一列布置且沿所述第一方向延伸；
在多个所述第一孔洞内分别填充多个爆炸物，多个所述爆炸物的爆炸方向沿所述第一方向。
4.根据权利要求3所述的长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，其特征在于，所述第一孔洞的孔深大于10m；或，
所述第一孔洞的孔径介于45mm～50mm；或，
相邻两个所述第一孔洞之间的距离介于300mm～800mm。
5.根据权利要求1所述的长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，其特征在于，所述第二孔洞的孔深大于10m；或，
所述第二孔洞的孔径介于45mm～50mm；或，
位于一排中的相邻两个所述第二孔洞之间的距离介于300mm～800mm。
6.根据权利要求1所述的长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，其特征在于，所述第二孔洞的轴线沿背离所述第二方向向采空区倾斜且与竖直方向呈一角度，所述角度介于8度～12度。
7.根据权利要求1所述的长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，其特征在于，所述爆炸物包括聚能爆破装置。
8.根据权利要求7所述的长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，其特征在于，所述聚能爆破装置包括聚能管以及填充在所述聚能管内的炸药。
9.根据权利要求1所述的长壁工作面隅角后方采空区顶板的跨断方法，其特征在于，所述获得采空区顶板的断裂步距，包括：
获得工作面开采过程中液压支架所受载荷的周期性变化；
根据所述载荷的周期性变化，获得一个波谷值增大到一个相邻的波峰值时的所述液压支架向前推进的距离；
所述液压支架向前推进的距离即为所述断裂步距。
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