CN112182859A - 一种复合灰岩顶板控制垮落方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合灰岩顶板控制垮落方法，通过理论计算和矿压实时监测分析采空区复合灰岩顶板合理悬顶长度，并采用爆破切顶促使顶板及时垮落。主要步骤包括：计算采空区顶板极限悬顶长度；确定顶板钻孔的最佳角度及深度，先后在切眼和顺槽顶板进行爆破并产生切缝面；当采空区顶板达到极限悬顶长度或矿压监测分析超过正常来压步距时，对推采线后方采空区顶板进行爆破促使垮落；重复此流程直至停采线处，在停采线处爆破切割采空区顶板，采空区顶板完全垮落。本发明结合矿压实时监测分析和理论计算，使顶板控制趋于智能化，保障工作面安全和巷道稳定，减少底板岩层破坏深度，对实际工程具有较大的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿顶板岩层控制技术领域，尤其涉及到一种复合灰岩顶板控制垮落方法。
背景技术
近年来随着煤炭开采技术的不断提高，我国煤炭行业得到更好更快的发展，随着煤矿开采深度的不断增大，巷道变形和顶板压力变化更为明显，顶板冒落、巷道变形和冲击矿压等事故频繁发生，尤其是顶板冒落灾害，造成的危害也越来越严重，已经成为影响产安全生产的重要因素，严重威胁着采矿的生产安全和从业人员的生命安全。
当所开采的煤层顶板为复合灰岩顶板时，工作面推采后，往往在采空区一侧形成大跨度悬臂梁结构，突然垮落易引起大面积来压、形成飓风冲击；产生的高附加应力对巷道的稳定性造成长时影响，易导致留巷顶板岩层错动、巷道变形、对煤层底板岩层破坏深度加大。
国内外诸多学者针对复合灰岩顶板难垮落、长距离悬顶等问题展开了一系列的研究，体现在顶板注水和爆破弱化两个方面，主要包括高压注水压裂顶板、浅孔爆破弱化顶板和深孔爆破弱化顶板等。然而，在上述研究中忽略了采空区复合灰岩顶板是否能够及时垮落问题，即在复合灰岩顶板整体性好、岩性均匀、强度大的情况下，在轨道顺槽和胶带顺槽爆破切顶不能彻底解决采空区长距离悬顶问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种复合灰岩顶板控制垮落方法，以解决工作面推采后采空区复合灰岩顶板难垮落以及来压步距大、底板岩层破坏深度加大的问题，保证采空区复合灰岩顶板能够在安全要求范围内随推采及时垮落，保证工作面推采安全，实现采空区复合灰岩顶板的垮落控制。
本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种复合灰岩顶板控制垮落方法，包括如下步骤：
步骤一，计算采空区复合灰岩顶板的极限悬顶长度和正常来压步距；根据综采支架最大工作阻力计算采空区复合灰岩顶板极限悬顶长度，采空区复合灰岩顶板上覆荷载视为受均匀荷载；
采空区复合灰岩顶板极限悬顶长度计算公式为：
式中，L为顶板极限悬顶长度，单位为m；[P]为综采支架的最大工作阻力，单位为kPa；La为综采支架控顶长度，单位为m；q为采空区上覆岩层自重荷载，单位为kPa；
其中q由下述公式计算：
式中，Ei为各岩层的弹性模量，单位为GPa；hi为各岩层厚度，单位为m；γi为各层岩层容重，单位为N/m3；
在计算垮落步距时，以采空区复合灰岩顶板作为四周固支岩梁模型进行分析，当采空区复合灰岩顶板端部拉应力达到其极限抗拉强度，采空区复合灰岩顶板发生断裂破坏；采空区复合灰岩顶板初次来压步距计算公式为：
式中，D0为初次来压步距，单位为m；[σt]为梁端的最大拉应力，单位为MPa；由正常来压步距与初次来压步距的关系知，正常来压步距为：
式中，D为正常来压步距，单位为m；
步骤二，按钻孔参数在切眼复合灰岩顶板处进行钻设切顶孔并装药，由切眼中心分别向轨道顺槽和胶带顺槽方向起爆，相邻切顶孔产生贯通裂缝，预裂复合灰岩顶板形成初始切眼切缝面；
步骤三，随着工作面推采，按钻孔参数提前在胶带顺槽和轨道顺槽复合灰岩顶板处钻设切顶孔、装药并起爆，爆破断裂轨道顺槽和胶带顺槽与采空区连接的复合灰岩顶板，相邻切顶孔间产生的裂缝贯通形成胶带顺槽切缝面和轨道顺槽切缝面；
步骤四，随着工作面的推采，实时监测矿压监测系统变化，当采空区复合灰岩顶板达到顶板极限悬顶长度L或矿压监测系统中超过正常来压步距D，对推采线后方采空区复合灰岩顶板进行爆破切顶并形成切缝面，使采空区复合灰岩顶板在矿山压力作用下沿切缝面及时垮落，降低顶板来压步距，实现采空区复合灰岩顶板的垮落控制；
步骤五，随着工作面向前推进，重复步骤三和步骤四，采用爆破切顶方式多处人为断裂采空区复合灰岩顶板，采空区复合灰岩顶板随工作面推采而及时垮落；
步骤六，待工作面推采至停采线处，将综采支架后移，在停采线处对复合灰岩顶板进行爆破切顶，至此整个采空区复合灰岩顶板切缝面闭合，将综采支架按序移出，采空区复合灰岩顶板完全垮落，完成整个采空区复合灰岩顶板垮落控制。
作为优化，步骤二和步骤三中的钻孔参数包括钻孔角度和钻孔深度；钻孔角度按如下计算公式计算：
式中，α为钻孔角度，单位为度；
为岩块间内摩擦角，单位为度；L为基本顶岩块侧向跨度，单位为m；h为基本顶厚度，单位为m；ΔS为直接顶下沉量，单位为m；本算法得出的钻孔角度保证切顶后采空区复合灰岩顶板能够顺利垮落下来，即顶板之间的挤压摩擦力小于顶板的下滑力；
结合岩石碎胀自承特性理论，钻孔深度按如下计算公式计算：
式中，H为钻孔深度，单位为m；M为煤层厚度，单位为m，Kp为岩石碎胀系数；本算法的钻孔深度可达到基本顶层位，保证可以将直接顶垮落下来，并使垮落矸石能够充填整个采空区。
作为优化，步骤二和步骤三中的相邻切顶孔间距按如下计算公式计算：
式中，
b为侧压力系数；ρ0为炸药密度，单位为g/cm3；DV为炸药爆度，单位为m/s；α、β为应力波衰减指数；σr为岩石中的径向应力，单位为MPa；K1为装药径向不耦合系数；K2为装药轴向系数；γ为爆生产物膨胀绝热指数，一般取γ＝3；n为炸药爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增大系数，一般取n＝10。
作为优化，步骤二中，在切眼复合灰岩顶板处进行钻设切顶孔，是指在开切眼施工完毕后、工作面未推采前，在综采支架后方切眼复合灰岩顶板处垂直于工作面推进方向钻设一排倾向工作面的切顶孔。
作为优化，步骤三中，提前在轨道顺槽和胶带顺槽复合灰岩顶板处钻设切顶孔，是指超前工作面在靠近采空区侧的轨道顺槽和胶带顺槽复合灰岩顶板上各钻设一排倾向采空区的切顶孔。
作为优化，步骤四中的矿压监测系统包括综采支架压力、锚杆(索)应力、单体液压支柱压力，用于分析顶板来压步距。
作为优化，步骤四中，在推采线处复合灰岩顶板进行爆破切顶，是指当采空区复合灰岩顶板达到顶板极限悬顶长度L或矿压监测系统中超过正常来压步距D，对推采线后方采空区复合灰岩顶板上钻设一排倾向采空区的切顶孔，通过爆破切断采空区复合灰岩顶板，促使采空区复合灰岩顶板随推采及时垮落，实现采空区复合灰岩顶板的垮落控制。
作为优化，步骤六中，在停采线处复合灰岩顶板进行爆破切顶，是指将综采支架后移3～5m，在停采线复合灰岩顶板处钻设一排倾向采空区的切顶孔，爆破断裂采空区复合灰岩顶板，促使整个采空区复合灰岩顶板完全垮落，完成整个采空区复合灰岩顶板控制。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用矿压监测和理论计算分析采空区顶板极限悬顶长度，人为定距爆破切割采空区复合灰岩顶板，实现采空区复合灰岩顶板随工作面推采及时垮落，从根本上解决了采空区复合灰岩顶板难垮落、长距离悬顶、底板岩层破坏深度加大的问题；
2、本发明相较于采空区顶板自动垮落，采用复合灰岩顶板控制关健技术，减小了采空区顶板悬顶长度，避免了工作面推采至较远处时采空区长悬臂梁结构的复合灰岩顶板一次垮落面积大而引起飓风冲击和巷道支护结构破坏；
3、本发明采用矿压监测系统实时监测顶板来压变化，通过数据分析能够及时判断是否需要爆破断裂采空区复合灰岩顶板，减少了煤矿安全事故的发生；4、本发明可用于复杂地质条件下的坚硬顶板控制，具有可控性好、适用性强、受地应力影响小的优点。
附图说明
图1为本发明的工艺布置示意图；
图2为切顶孔布置三维示意图；
图3为图1的I-I剖面图；
图中所示：
1、切眼，2、轨道顺槽，3、胶带顺槽，4、推采线，5、停采线，6、采空区，7、切顶孔，8、综采支架，9、复合灰岩顶板，91、五灰岩，92、泥岩，93、四灰岩。
具体实施方式
本方案提供的一种复合灰岩顶板控制垮落方法是复合灰岩顶板垮落控制关键技术，通过理论计算和矿压实时监测分析采空区复合灰岩顶板合理悬顶长度，并采用爆破切顶促使顶板及时垮落，实现顶板控制。主要步骤包括：计算采空区顶板极限悬顶长度；确定顶板钻孔的最佳角度及深度，先后在切眼和顺槽顶板进行爆破并产生切缝面；当采空区顶板达到极限悬顶长度或矿压监测分析超过正常来压步距时，对推采线后方采空区顶板进行爆破促使垮落；重复此流程直至停采线处，在停采线处爆破切割采空区顶板，采空区顶板完全垮落。
为能清楚说明本方案的技术特点，使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合附图1～3，下面通过具体实施方式，对本方案进行进一步详细说明。
以某煤矿复合灰岩顶板控制为例，某煤矿1102工作面煤层厚度为1.50m～2.45m，平均煤厚2.25m，煤层平均倾角4°，煤层赋存比较稳定。煤层顶板为致密坚硬的复合灰岩顶板，切顶后复合灰岩顶板仍难断裂，属于极坚硬顶板。针对上述工程概况，设计一种复合灰岩顶板控制垮落方法，包括如下步骤：
步骤一，计算采空区6的复合灰岩顶板9的顶板极限悬顶长度和正常来压步距；根据综采支架8最大工作阻力计算采空区复合灰岩顶板的顶板极限悬顶长度，采空区复合灰岩顶板9上覆荷载视为受均匀荷载，采空区复合灰岩顶板极限悬顶长度计算公式为：
式中，L为顶板极限悬顶长度，单位为m；[P]为综采支架的最大工作阻力，单位为kPa；La为综采支架控顶长度，单位为m；q为采空区上覆岩层自重荷载，单位为kPa；
其中q由下述公式计算：
式中，Ei为各岩层的弹性模量，单位为GPa；hi为各岩层厚度，单位为m；γi为各层岩层容重，单位为N/m3；
根据上式计算出该煤矿1102工作面采空区复合灰岩顶板的顶板极限悬顶长度为11m；
在计算垮落步距时，以采空区复合灰岩顶板作为四周固支岩梁模型进行分析，当采空区复合灰岩顶板端部拉应力达到其极限抗拉强度，采空区复合灰岩顶板发生断裂破坏，采空区复合灰岩顶板初次来压步距计算公式为：
式中，D0为初次来压步距，单位为m；[σt]为梁端的最大拉应力，单位为MPa；由正常来压步距与初次来压步距的关系知，正常来压步距为：
式中，D为正常来压步距，单位为m；
根据上式计算出该煤矿1102工作面采空区复合灰岩顶板正常来压步距为18m。
步骤二，确定施工所需参数，切顶孔的钻孔角度为75°且倾向采空区，切顶孔钻孔深度为9.0m，切顶孔间距为1m，然后按钻孔参数在切眼复合灰岩顶板处进行钻设切顶孔并装药；具体的，在开切眼施工完毕后、工作面未推采前，在综采支架8后方切眼复合灰岩顶板处垂直于工作面推进方向钻设一排倾向采空区6、倾角为75°的切顶孔7，切顶孔7深为9.0m，相邻切顶孔7间距为1m，随后进行切顶孔7装药，由切眼1的中心分别向轨道顺槽2和胶带顺槽3方向起爆，相邻切顶孔7产生贯通裂缝，预裂复合灰岩顶板9形成初始切眼切缝面，本步骤中的复合灰岩顶板岩层包括多种类型的岩层，具体为五灰岩91、泥岩92、四灰岩93。
步骤三，随着工作面推采，按钻孔参数提前在胶带顺槽和轨道顺槽复合灰岩顶板处钻设切顶孔、装药并起爆；具体的，超前工作面在靠近采空区6侧的轨道顺槽2和胶带顺槽3复合灰岩顶板上各钻设一排倾向采空区6、倾角为75°的轨道顺槽切顶孔和胶带顺槽切顶孔，切顶孔深为9.0m，相邻切顶孔7间距为1m，切顶孔装药并起爆，爆破断裂轨道顺槽2与采空区6连接的复合灰岩顶板，以及胶带顺槽3与采空区6连接的复合灰岩顶板，相邻切顶孔7间产生的裂缝贯通形成轨道顺槽切缝面和胶带顺槽切缝面。
步骤四，随着工作面的推采，实时监测矿压监测系统的数据变化，矿压监测系统的数据包括综采支架压力、锚杆(索)应力、单体液压支柱压力、微震监测数据；当采空区复合灰岩顶板的顶板极限悬顶长度达到11m或矿压监测系统分析复合灰岩顶板正常来压步距超过18m时，对推采线4后方采空区复合灰岩顶板进行爆破切顶并形成切缝面；具体的，对推采线后方采空区复合灰岩顶板上钻设一排倾向采空区6、倾角为75°的切顶孔，切顶孔深为9.0m，相邻切顶孔间距为1m，通过爆破断裂采空区复合灰岩顶板，形成闭合切缝面，使采空区复合灰岩顶板在矿山压力作用下沿切缝面自行垮落，降低顶板来压步距，实现采空区复合灰岩顶板的垮落控制；
步骤五，随着工作面向前推进，重复步骤三和步骤四，采用爆破切顶方式多处人为断裂采空区复合灰岩顶板，采空区复合灰岩顶板随工作面推采而及时垮落；
步骤六，待工作面推采至停采线5处，将综采支架8后移3m，在停采线复合灰岩顶板处钻设一排倾向采空区、倾角为75°的切顶孔，切顶孔深为9.0m，相邻切顶孔间距为1m，在停采线5处对复合灰岩顶板进行爆破切顶，至此整个采空区复合灰岩顶板切缝面闭合，将综采支架8按序移出，采空区复合灰岩顶板完全垮落，完成整个采空区复合灰岩顶板垮落控制。
步骤二和步骤三中的钻孔参数包括钻孔角度和钻孔深度，钻孔角度需要保证切顶后采空区复合灰岩顶板能够顺利垮落下来，即顶板之间的挤压摩擦力小于顶板的下滑力，钻孔角度按如下计算公式计算：
式中，α为钻孔角度，单位为度；
为岩块间内摩擦角，单位为度；L为基本顶岩块侧向跨度，单位为m；h为基本顶厚度，单位为m；ΔS为直接顶下沉量，单位为m；
钻孔深度要达到基本顶层位，即保证可以将直接顶垮落下来，并使垮落矸石能够充填整个采空区，根据岩石碎胀自承特性理论，钻孔深度按如下计算公式计算：
式中，H为钻孔深度，单位为m；M为煤层厚度，单位为m，Kp为岩石碎胀系数。
步骤二和步骤三中的相邻切顶孔间距按如下计算公式计算：
式中，
b为侧压力系数；ρ0为炸药密度，单位为g/cm3；DV为炸药爆度，单位为m/s；α、β为应力波衰减指数；σr为岩石中的径向应力，单位为MPa；K1为装药径向不耦合系数；K2为装药轴向系数；γ为爆生产物膨胀绝热指数，一般取γ＝3；n为炸药爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增大系数，一般取n＝10。
本发明结合矿压实时监测分析和理论计算，保障工作面安全和巷道稳定，减少底板岩层破坏深度，对实际工程具有较大的现实意义。
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)
1.一种复合灰岩顶板控制垮落方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，计算采空区复合灰岩顶板的极限悬顶长度和正常来压步距；
采空区复合灰岩顶板极限悬顶长度计算公式为：
式中，L为顶板极限悬顶长度，单位为m；[P]为综采支架的最大工作阻力，单位为kPa；La为综采支架控顶长度，单位为m；q为采空区上覆岩层自重荷载，单位为kPa；
其中q由下述公式计算：
式中，Ei为各岩层的弹性模量，单位为GPa；hi为各岩层厚度，单位为m；γi为各层岩层容重，单位为N/m3；
在计算垮落步距时，以采空区复合灰岩顶板作为四周固支岩梁模型进行分析，采空区复合灰岩顶板初次来压步距计算公式为：
式中，D0为初次来压步距，单位为m；[σt]为梁端的最大拉应力，单位为MPa；由正常来压步距与初次来压步距的关系知，正常来压步距为：
式中，D为正常来压步距，单位为m；
步骤二，按钻孔参数在切眼复合灰岩顶板处进行钻设切顶孔并装药，由切眼中心分别向轨道顺槽和胶带顺槽方向起爆，相邻切顶孔产生贯通裂缝，预裂复合灰岩顶板形成初始切眼切缝面；
步骤三，随着工作面推采，按钻孔参数提前在胶带顺槽和轨道顺槽复合灰岩顶板处钻设切顶孔、装药并起爆，爆破断裂轨道顺槽和胶带顺槽与采空区连接的复合灰岩顶板，相邻切顶孔间产生的裂缝贯通形成胶带顺槽切缝面和轨道顺槽切缝面；
步骤四，随着工作面的推采，实时监测矿压监测系统变化，当采空区复合灰岩顶板达到顶板极限悬顶长度L或矿压监测系统中超过正常来压步距D，对推采线后方采空区复合灰岩顶板进行爆破切顶并形成切缝面，使采空区复合灰岩顶板在矿山压力作用下沿切缝面及时垮落，降低顶板来压步距；
步骤五，随着工作面向前推进，重复步骤三和步骤四；
步骤六，待工作面推采至停采线处，将综采支架后移，在停采线处对复合灰岩顶板进行爆破切顶，至此整个采空区复合灰岩顶板切缝面闭合，将综采支架按序移出，采空区复合灰岩顶板完全垮落，完成整个采空区复合灰岩顶板垮落控制。
2.根据权利要求1所述的一种复合灰岩顶板控制垮落方法，其特征在于：步骤二和步骤三中的钻孔参数包括钻孔角度和钻孔深度；
钻孔角度按如下计算公式计算：
式中，α为钻孔角度，单位为度；
为岩块间内摩擦角，单位为度；L为基本顶岩块侧向跨度，单位为m；h为基本顶厚度，单位为m；ΔS为直接顶下沉量，单位为m；
钻孔深度按如下计算公式计算：
式中，H为钻孔深度，单位为m；M为煤层厚度，单位为m，Kp为岩石碎胀系数。
3.根据权利要求1所述的一种复合灰岩顶板控制垮落方法，其特征在于：步骤二和步骤三中的相邻切顶孔间距按如下计算公式计算：
式中，
b为侧压力系数；ρ0为炸药密度，单位为g/cm3；DV为炸药爆度，单位为m/s；α、β为应力波衰减指数；σr为岩石中的径向应力，单位为MPa；K1为装药径向不耦合系数；K2为装药轴向系数；γ为爆生产物膨胀绝热指数，一般取γ＝3；n为炸药爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增大系数，一般取n＝10。
4.根据权利要求3所述的一种复合灰岩顶板控制垮落方法，其特征在于：步骤二中，在切眼复合灰岩顶板处进行钻设切顶孔，是指在开切眼施工完毕后、工作面未推采前，在综采支架后方切眼复合灰岩顶板处垂直于工作面推进方向钻设一排倾向工作面的切顶孔。
5.根据权利要求3所述的一种复合灰岩顶板控制垮落方法，其特征在于：步骤三中，提前在轨道顺槽和胶带顺槽复合灰岩顶板处钻设切顶孔，是指超前工作面在靠近采空区侧的轨道顺槽和胶带顺槽复合灰岩顶板上各钻设一排倾向采空区的切顶孔。
6.根据权利要求1所述的一种复合灰岩顶板控制垮落方法，其特征在于：步骤四中，在推采线处复合灰岩顶板进行爆破切顶，是指当采空区复合灰岩顶板达到顶板极限悬顶长度L或矿压监测系统中超过正常来压步距D，对推采线后方采空区复合灰岩顶板上钻设一排倾向采空区的切顶孔，通过爆破切断采空区复合灰岩顶板，促使采空区复合灰岩顶板随推采及时垮落。
7.根据权利要求1所述的一种复合灰岩顶板控制垮落方法，其特征在于：步骤六中，在停采线处复合灰岩顶板进行爆破切顶，是指将综采支架后移3～5m，在停采线复合灰岩顶板处钻设一排倾向采空区的切顶孔，爆破断裂采空区复合灰岩顶板，促使整个采空区复合灰岩顶板完全垮落。
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