CN111022050B - 一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法 - Google Patents
一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，该方法实现起采线切缝面、轨道顺槽切缝面和胶带顺槽切缝面爆破成形，首采区顶板沿轨道顺槽切缝面和胶带顺槽切缝面垮落，轨道顺槽和胶带顺槽形成新的巷道；停采线切缝面爆破成形，形成闭合切缝面，从而使采空区顶板矸石垮落。本发明通过注浆改造首采区顶板，浆液将裂隙水挤出，为安全开采提供保证，增大了首采区顶板的强度；通过对首采区顶板四边的预裂爆破，减小顶板压力；通过轨道顺槽切顶孔与胶带顺槽切顶孔的预裂爆破，顶板矸石垮落，顶板压力及时传递至底板，减少了采空区底板破坏深度，避免了底板突水事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及采矿领域，尤其涉及一种采煤工作面坚硬顶板预裂卸压方法，具体是指一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法。
背景技术
华北型煤田是我国重要的煤田，也是受地下水害威胁最为严重的煤田之一，如黄河北煤田的十一煤，该煤是受复合薄层灰岩顶板威胁的矿层，顶板为四五灰复合灰岩含水层，该含水层岩溶裂隙发育，富水性强，与底板徐灰奥灰含水层联系密切，开采难度较大。经过疏放水试验验证，四五灰含水层水压没有下降，地层内有竖向导水通道，煤层顶底板含水量丰富，如果不加以治理，矿层难以开采。对此类地质条件应用注浆改造技术能有效隔离含水层，解放受水害严重威胁的深部煤炭资源。
随着煤矿开采方法不断完善和机械装备水平提高，沿空留巷在条件较好的薄及中厚煤层中得到了广泛的应用，可以减少巷道掘进量，解放预留煤柱，提高煤矿效益。国内常用的沿空留巷方法是在预留巷道，尤其是靠近采空区一侧加强支护，采空区顶板随开采垮落，原有巷道顶板在支护作用得以保护，巷道可为下一个工作面服务。
但是十一煤灰岩顶板岩性坚硬，抗压强度达到了100MPa以上，坚硬顶板的特征在于其具有较高的强度和完整性，不易发生变形和破断。使用传统单排钻孔切缝爆破，无法切断顶板联系，导致来压步距大，在采空区侧向形成长悬臂顶板岩层结构。由于长悬臂顶板岩层的存在，在沿空留巷围岩中易形成高附加应力，顶板长期悬而不冒，造成该区域高附加应力对巷道的长时影响显著，易导致留巷顶板岩层错动，支护失效，不利于留巷围岩的稳定。此外，顶板悬而不冒，致使老顶压力无法传递至底板，而煤层开采破坏底板原有受力状态，在地应力和高承压水压力复合作用下，致使底板岩层变形不止，极易破坏底板稳定结构。十一煤的底板岩层内有赋水徐灰和奥灰含水层，顶板不垮落导致底板破坏深度加大，易发生底板突水事故，影响煤矿的安全生产。
综上所述，急需提供一种改造顶板预裂卸压方法，将顶板含水层改造为弱含水或者不含水层，并使顶板在开采过程中自动冒落，压实底板，保证煤矿的安全生产。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，通过对灰岩顶板和底板进行注浆改造，达到治水、保水效果；对工作面进行四边预裂，解除顶板压力，实现顶板来压自动垮落，冒落岩石复压底板，减少底板破坏和开采扰动，实现煤层安全开采。
本发明是通过如下技术方案实现的，一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，包括以下步骤：
a、用浆液对首采区内富水岩层的顶板和底板进行注浆改造，将裂隙水挤出岩层；
b、首采区的开采前端施工出切眼槽，施工出位于首采区两侧的均与切眼槽连通且沿均开采方向延伸的轨道顺槽和胶带顺槽，所述轨道顺槽的顶板与胶带顺槽的顶板上均施工有支护；
c、切眼槽顶板的起采线上开设有若干向上延深且向开采方向倾斜的起采线切顶孔，若干起采线顶孔沿垂直于开采的方向排布，从位于中间的起采线切顶孔开始向两侧实施爆破，形成起采线切缝面；
d、轨道顺槽的顶板上施工有若干向上延伸且向胶带顺槽倾斜的轨道顺槽切顶孔，若干轨道顺槽切顶孔沿轨道顺槽的延伸方向排布，在超前于工作面30~40米的位置上实施顶板定向预裂爆破，形成爆破区域，以及与起采线切缝面相连的轨道顺槽切缝面,
在胶带顺槽的顶板上施工有若干向上延伸且向轨道顺槽倾斜的胶带顺槽切顶孔，若干胶带顺槽切顶孔沿胶带顺槽的延伸方向排布，在超前于工作面30~40米的位置上实施顶板定向预裂爆破，形成爆破区域，以及与起采线切缝面相连的胶带顺槽切缝面,
在爆破区域远离开采区的一侧的顶板上施工补强支护，形成补强支护区域，并且安装矿压监测仪器；
e、在切眼槽内安装综采支架，然后进行开采，所述综采支架在开采过程中沿着开采方向移动，首采区在开采后沿开采方向形成采空区，在轨道顺槽与胶带顺槽内架设位于综采支架两侧的挡矸支护，形成挡矸支护区域；
f、当开采到距停采线8~10米时，在当前工作面顶板上施工有竖向延伸且向切眼槽倾斜的若干停采线切顶孔，若干停采线顶孔沿垂直于开采的方向排布，用停采线切顶孔对顶板实施定向预裂爆破，形成两端分别与轨道顺槽切缝面和胶带顺槽切缝面相连的停采线切缝面，采空区顶板矸石垮落。
本发明在实施时，e工序进行开采时，随着综采支架的移动，首采区顶板沿轨道顺槽切缝面和胶带顺槽切缝面垮落，轨道顺槽和/或胶带顺槽形成下一个工作面的巷道；在f工序中，停采线切缝面形成后，起采线切缝面、轨道顺槽切缝面、胶带顺槽切缝面，以及停采线切缝面顺次相连，形成闭合切缝面，采空区顶板矸石垮落，从而使顶板在开采过程中自动冒落，压实底板，保证煤矿的安全生产。
作为优选，在c工序爆破时确定最优爆破参数，以供之后爆破使用。本优选方案由于起采线作为未来的采空区，因此可以进行爆破试验，得到最有爆破参数，从而保证了轨道顺槽切顶孔、胶带顺槽切顶孔和停采线切顶孔取得良好的爆破效果，避免对巷道和设备的破坏。
作为优选，所述档矸支护包括沿开采方向布置的若干工字钢，以及连接若干工字钢的钢筋网，在e工序中，在挡矸支护结构稳定后，对钢筋网进行喷浆处理。本优选方案通过工字钢与钢筋网的配合，使档矸支护更加牢固，通过喷浆处理，进一步增强档矸支护的支撑强度。
作为优化，工字钢顶端挂设挡风帘。本优化方案通过挡风帘的设置，避免工作面回采期间采空区漏风影响通风效果。
作为优选，在垂直于水平面的投影上，位于闭合切缝面拐角处的起采线切顶孔、轨道顺槽切顶孔、胶带顺槽切顶孔和停采线切顶孔均向闭合切缝面中心倾斜，且均不相交。本优选方案的设置避免闭合切缝面拐角处的切顶孔相交，影响爆破效果，从而不能形成完整的闭合切缝面。
作为优选，所述注浆改造包括以下步骤：
α、从地面向采区中央施工两个注浆孔，一个注浆孔通过向首采区工作面顶板水平延伸的顶板注浆主孔与首采区工作面顶板连通，另一个注浆孔通过向首采区工作面底板水平延伸的底板注浆主孔与首采区工作面底板连通；
β、通过高压注浆泵输送浆液，对首采区顶板和首采区底板进行同步注浆改造；
γ、向采区内邻近首采区的位置继续注浆。
本优选方案的设置，透过浆液将裂隙水挤出，为安全开采提供保证，同时也增大了首采区顶板的强度。
作为优选，在注浆区域周围开设有安装有水压观测器的水压观测孔。本优选方案通过水压观测器的设置，在注浆期间利用水压观测仪器持续监测顶板和底板灰岩水压水位变化，通过监测结果调整浆液配比和注浆压力，直到灰岩内裂隙水挤出，使煤层达到开采条件，对注浆和煤层开采两个过程的首采区顶板和首采区底板含水层进行全程监测，保障施工安全。
作为优选，所述顶板注浆主孔和地底板注浆主孔分别连接有位于首采区顶板和首采区底板的顶板注浆副孔和底板注浆副孔，顶板注浆副孔和底板注浆副孔均沿扇形布置。本优选方案的设置，加快注浆速度。使浆液注入的更均匀。
作为优选，所述补强支护包括锚索和锚杆的补强。本优选方案通过锚索与锚杆的同时补强，增强补强支护的支护强度。
本发明的有益效果为：通过注浆改造首采区顶板且通过浆液将裂隙水挤出，为安全开采提供保证，同时也增大了首采区顶板的强度；由工作中央向四周注浆可为首采工作面的开采创造先机条件，有利于企业提早产煤，提高经济效益；同时首采区注浆完毕后，继续为临近工作面注浆可提高注浆孔使用率，降低钻孔成本；
通过借助水压观测仪器的设置，对注浆和煤层开采两个过程顶底板含水层进行全程监测，保障施工安全；
通过对首采区顶板四边的预裂爆破，将完整顶板四边支承结构改变为四边自由结构，切断采空区与巷道顶板之间的联系，也切断了顶板之间的应力传递，减小顶板压力；
通过对起采线的爆破试验，确定最优爆破参数，保证了两顺槽和停采线切顶孔取得良好的爆破效果，避免对巷道和设备的破坏；
通过轨道顺槽切顶孔与胶带顺槽切顶孔的预裂爆破，使首采区顶板预裂卸压后，随着工作面的开采，顶板矸石垮落，顶板压力及时传递至底板，减少了采空区底板破坏深度，避免了底板突水事故的发生；同时实现工作面两边留巷，留设巷道可为相邻两个工作面服务，同时便于安装矿压监测仪器，使其能对工作面进行长期不间断的矿压观测。
附图说明
图1为采煤首采工作面顶板和底板同步注浆改造示意图；
图2为采煤首采工作面顶板注浆改造示意图；
图3为采煤工作面上的切顶孔开孔位置布置俯视图；
图4为采煤工作面拐角处的切顶孔俯视图；
图5为采煤工作面上的切顶孔俯视图；
图6为采煤工作面上的切顶孔立体图；
图7为工作面开采后顶板冒落图；
图8为工作面挡矸支护立体图；
图9为工作面各区段空间位置图；
图中所示：
11、起采线切顶孔，12、轨道顺槽切顶孔，13、胶带顺槽切顶孔，14、停采线切顶孔，15、拐角处切顶孔，21 、起采线切缝面，22、轨道顺槽切缝面，23、胶带顺槽切缝面，24、停采线切缝面，31、轨道顺槽，32、胶带顺槽，33、切眼槽，34、工作面开采方向，41、注浆孔，42、水压观测孔，43、顶板注浆主孔，44、顶板注浆副孔，45、底板注浆主孔，46、底板注浆副孔，47、水压观测仪器，51、采区，52、首采区，53、综采支架，61、工字钢，62、钢筋网，71、单体液压支柱，72、连接梁，73、顶板金属网，81、超前支护，82、爆破区域，83、补强支护区域，84、挡矸支护区域，85、采空区。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参照附图1-9，一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，具体步骤如下：
Ⅰ、在采区51选出首采区52，从地面向采51中央施工两个注浆孔41，两个注浆孔41分别通过向首采区51工作面顶板水平延伸的顶板注浆主孔43和向首采区51工作面底板水平延伸的底板注浆主孔45连通到首采区51工作面顶板和首采区51工作面底板, 所述顶板注浆主孔43和地底板注浆主孔45分别连接有位于首采区工作面顶板和首采区工作面底板的若干个顶板注浆副孔44和若干个底板注浆副孔46，若干个顶板注浆副孔44和若干个底板注浆副孔46均布置成扇形，在注浆区域周围30~90米的范围内打设水压观测孔42，所述水压观测孔内安装有水压观测器；
Ⅱ、通过高压注浆泵输送浆液，对顶板和底板进行同步注浆改造, 将裂隙水挤出岩层，注浆期间利用水压观测仪器47持续监测首采区51顶板和首采区51底板内的灰岩水压水位变化，通过监测结果调整浆液配比和注浆压力，直到灰岩内裂隙水挤出，煤层达到开采条件；
Ⅲ、向采区内邻近首采区51的位置继续注浆，为下一工作面开采提前创造条件；
Ⅳ、在首采区51的开采前端施工出切眼槽33，在首采区51的两侧分别加工出均与切眼槽33连通且沿均开采方向延伸的轨道顺槽31和胶带顺槽32，所述轨道顺槽31的顶板与胶带顺槽32的顶板上均施工有支护，作为开采阶段的超前支护81，所述超前支护包括单体液压支柱和连接梁，单体液压支柱71的伸出端向上延伸顶至连接梁72上，连接梁沿开采方向延伸，连接梁72上固接有沿垂直于单体液压支柱71伸出端延伸方向延伸的顶板金属网73，单体液压支柱连接间距1.0m-1.2m，排距1.2m-1.5m，在施工过程中关注顶板淋水量及水压观测孔42监测数据变化特性，遇到顶板水淋量较大或者水压观测异常等情况，及时打孔探明原因并对此区域进行浆液补注，直至切眼槽33、轨道顺槽31和胶带顺槽32施工完成；
Ⅴ、在切眼槽33顶板的起采线上开设有若干向上延深且向开采方向倾斜的起采线切顶孔11，若干起采线顶孔沿垂直于开采的方向排布，从位于中间的起采线切顶孔11开始向两侧实施爆破实验，形成起采线切缝面21，并确定最优爆破参数，爆破参数包括孔深度、钻孔角度、装药量、装药结构、封堵长度、单次起爆孔数；
Ⅵ、在轨道顺槽31的顶板上施工若干向上延伸且向胶带顺槽32倾斜的轨道顺槽切顶孔12，若干轨道顺槽切顶孔12沿轨道顺槽31的延伸方向排布，在超前于工作面30~40米的位置上实施顶板定向预裂爆破，形成爆破区域82和与起采线切缝面21相连的轨道顺槽切缝面22,
在胶带顺槽32的顶板上施工若干向上延伸且向轨道顺槽31倾斜的胶带顺槽切顶孔13，若干胶带顺槽切顶孔13沿胶带顺槽32的延伸方向排布，在超前于工作面30~40米的位置上实施顶板定向预裂爆破，形成爆破区域82和与起采线切缝面21相连的胶带顺槽切缝面23，
在爆破区域82远离开采区的一侧的顶板上施工补强支护，形成补强支护区域83，补强支护包括补强锚索和打设锚杆，锚杆长度大于1.5m，直径为16-22mm，锚杆间排距为0.8-1.0m，
在爆破区域82内安装矿压监测仪器，矿压监测仪器包括锚索应力传感器、顶板围岩移动传感器、数字压力计，以及挡矸应力传感器，其目的在于，可以根据矿压监测结果及时调整补强支护和挡矸支护参数；
Ⅶ、在切眼槽内安装综采支架，然后进行开采，在开采过程中，综采支架在开采过程中沿着开采方向移动，首采区在开采后沿开采方向形成采空区85，在轨道顺槽与胶带顺槽内架设位于综采支架两侧的挡矸支护，形成挡矸支护区域84，挡矸支护包括沿开采方向布置的若干工字钢61和连接若干工字钢61的钢筋网62，工字钢61垂直安装且插入首采区51底板的尺寸大于等于200mm，工字钢61与首采区51顶板接触部分使用木楔塞紧，工字钢61顶端还挂设挡风帘，工字钢与单体液压支柱71相间排布且工字钢顶端顶至连接梁上，在挡矸支护结构稳定后，对钢筋网62进行喷浆处理，当挡矸支护压力10天内变化幅度不超过±5%，即视为稳定，顶板金属网73与钢筋网62顶端搭接，搭接的宽度为100mm，在开采过程中，首采区51顶板沿轨道顺槽切缝面22和胶带顺槽切缝面23垮落，轨道顺槽31和/或胶带顺槽32形成下一个工作面的巷道；
Ⅷ、当开采到距停采线8米时，在当前工作面上施工有沿竖向延伸且向切眼倾斜的若干停采线切顶孔14，若干停采线顶孔沿垂直于开采的方向排布，然后用停采线切顶孔14对顶板实施定向预裂爆破，形成两端分别与轨道顺槽切缝面22和胶带顺槽切缝面23相连的停采线切缝面24，此时起采线切缝面21、轨道顺槽切缝面22、胶带顺槽切缝面23，以及停采线切缝面24顺次相连，形成闭合切缝面，采空区85顶板矸石全部垮落；
在垂直于水平面的投影上，位于闭合切缝面拐角处的起采线切顶孔11、轨道顺槽切顶孔12、胶带顺槽切顶孔13和停采线切顶孔14均向闭合切缝面中心倾斜，且均不相交。
特别的，起采线切缝面将采空区顶板和起采线保护煤柱的顶板切开，轨道顺槽切缝面将采空区顶板和轨道顺槽的顶板切开，胶带顺槽切缝面将采空区顶板和胶带顺槽的顶板切开，顶板切开后，将原来连接在一起的顶板切断，切断了应力传递路径，改变了应力分布，在顶板来压受力时，采空区顶板由于没有支护而自动垮落，而轨道顺槽和/或胶带顺槽在补强支护保护下不会垮落，即留巷成功。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式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，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (7)
1.一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、用浆液对首采区（51）内富水岩层的顶板和底板进行注浆改造，将裂隙水挤出岩层；
b、首采区（51）的开采前端施工出切眼槽（33），施工出位于首采区（51）两侧的均与切眼槽（33）连通且沿均开采方向延伸的轨道顺槽（31）和胶带顺槽（32），所述轨道顺槽（31）的顶板与胶带顺槽（32）的顶板上均施工有支护；
c、切眼槽（33）顶板的起采线上开设有若干向上延深且向开采方向倾斜的起采线切顶孔（11），若干起采线顶孔沿垂直于开采的方向排布，从位于中间的起采线切顶孔（11）开始向两侧实施爆破，形成起采线切缝面（21），在爆破时，确定最优爆破参数，以供之后爆破使用；
d、轨道顺槽（31）的顶板上施工有若干向上延伸且向胶带顺槽（32）倾斜的轨道顺槽切顶孔（12），若干轨道顺槽切顶孔（12）沿轨道顺槽（31）的延伸方向排布，在超前于开采工作面30~40米的位置上实施顶板定向预裂爆破，形成爆破区域（82），以及与起采线切缝面（21）相连的轨道顺槽切缝面（22）,
在胶带顺槽（32）的顶板上施工有若干向上延伸且向轨道顺槽（31）倾斜的胶带顺槽切顶孔（13），若干胶带顺槽切顶孔（13）沿胶带顺槽（32）的延伸方向排布，在超前于开采工作面30~40米的位置上实施顶板定向预裂爆破，形成爆破区域（82），以及与起采线切缝面（21）相连的胶带顺槽切缝面（23）, 在垂直于水平面的投影上，位于闭合切缝面拐角处的起采线切顶孔（11）、轨道顺槽切顶孔（12）、胶带顺槽切顶孔（13）和停采线切顶孔（14）均向闭合切缝面中心倾斜，且均不相交，
在爆破区域（82）远离开采区的一侧的顶板上施工补强支护，形成补强支护区域（83），并且安装矿压监测仪器；
e、在切眼槽内安装综采支架，然后进行开采，所述综采支架在开采过程中沿着开采方向移动，首采区在开采后沿开采方向形成采空区（85），在轨道顺槽与胶带顺槽内架设位于综采支架两侧的挡矸支护，形成挡矸支护区域（84）；
f、当开采到距停采线8~10米时，在当前开采工作面顶板上施工有竖向延伸且向切眼倾斜的若干停采线切顶孔（14），若干停采线顶孔沿垂直于开采的方向排布，用停采线切顶孔（14）对顶板实施定向预裂爆破，形成两端分别与轨道顺槽切缝面（22）和胶带顺槽切缝面（23）相连的停采线切缝面（24），采空区（85）顶板矸石垮落。
2.根据权利要求1 所述的注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，其特征在于：所述挡矸支护包括沿开采方向布置的若干工字钢（61），以及连接若干工字钢（61）的钢筋网（62），在e工序中，在挡矸支护结构稳定后，对钢筋网（62）进行喷浆处理。
3.根据权利要求2所述的注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，其特征在于：工字钢（61）顶端挂设挡风帘。
4.根据权利要求1 所述的注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，其特征在于，所述注浆改造包括以下步骤：
α、从地面向采区中央施工两个注浆孔（41），一个注浆孔通过向首采区工作面顶板水平延伸的顶板注浆主孔（43）与首采区（51）工作面顶板连通，另一个注浆孔通过向首采区（51）工作面底板水平延伸的底板注浆主孔（45）与首采区工作面底板连通；
β、通过高压注浆泵输送浆液，对首采区顶板和首采区底板进行同步注浆改造；
γ、向采区内邻近首采区（51）的位置继续注浆。
5.根据权利要求4所述的注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，其特征在于：在注浆区域周围开设有安装有水压观测器的水压观测孔（42）。
6.根据权利要求5 所述的注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，其特征在于：所述顶板注浆主孔（43）和底板注浆主孔（45）分别连接有位于首采区（51）顶板和首采区（51）底板的顶板注浆副孔（44）和底板注浆副孔（46），顶板注浆副孔（44）和底板注浆副孔（46）均沿扇形布置。
7.根据权利要求1所述的注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压及自留巷方法，其特征在于：所述补强支护包括锚索和锚杆的补强。
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