CN112554888A - 一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种边界煤柱下巷道的卸压‑补强协同维护方法，涉及采矿工程技术领域，解决了边界煤柱下方巷道支护的技术问题。具体步骤包括：首先确定上覆边界煤柱的致裂范围，然后选择合适的致裂方法破坏上覆边界煤柱；然后在巷道的两帮施工压裂煤体，使巷道两帮的应力向深部转移；再利用锚索对巷道两帮进行补强支护，使上覆边界煤柱下方巷道两帮塑性区在补强锚索的作用下形成新的承载锚固区。其中边界煤柱的致裂范围根据巷道宽度、巷道边界与上覆边界煤柱边缘的最小水平距离等进行确定，根据实际地质条件计算致裂的施工参数，以及两帮致裂范围和施工参数。该方法通过计算合理的确定致裂范围，从而降低了施工技术难度，还具有巷道稳定性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程技术领域，尤其是一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法。
背景技术
矿井煤炭资源多以近距煤层群的形式赋存于地下，并且多采用下行开采。在下行开采中，由于受地质条件及开采技术的影响，有一些巷道布置在上覆边界煤柱下方，受上覆边界煤柱应力传递的影响，边界煤柱下方巷道围岩易出现底鼓、片帮、垮落等巷道失稳问题，严重妨碍了煤矿的正常生产。
目前，为解决上覆边界煤柱对下部巷道的影响，主要从弱化上覆边界煤柱、煤柱下巷道加强支护两方面进行巷道维护，保证巷道的稳定性。其中在弱化上覆边界煤柱方面，常采用爆破、注水软化、水力压裂等技术弱化、破坏上覆边界煤柱，以此来减少上覆边界煤柱对下部巷道的应力传递，该方法虽然能阻隔应力的传递，但仅仅只能阻隔较小的一部分，不能完全的阻隔向下传递的应力，同时也不能改变应力传递方向，所以不能从根本上的减小上覆边界煤柱对下部巷道的影响。煤柱下巷道的加强支护则主要是优化巷道支护参数、锚喷支护等支护方式，以此来加固围岩，减少围岩变形，但该方法只能维护巷道表面的稳定性，不能对巷道两帮深部应力集中区域进行有效的转移、破坏。
现有的技术中，针对上覆煤柱下部巷道的维护，进行了一系列技术改进，其中在弱化上覆煤柱方面，例如：(1)中国专利(CN110359909 A)公开了一种用于坚硬煤层遗留煤柱的软化方法，中国专利(CN110714764 A)公开了一种近距离上覆残留煤柱卸压方法，以上两种方法都通过爆破技术对上覆残留煤柱进行弱化，弱化效果较好，但是该方法涉及火药、雷管等易燃易爆物品，在井下需留设炸药储存室，同时需安排专业人员管理，存在安全隐患，不利于矿井安全高效、经济生产；(2)中国专利(CN107304676 A)公开了一种遗留煤柱下冲击地压的防治方法，该方法在上覆遗留煤柱内进行高压注水，达到弱化煤体的作用，从而降低煤柱内高应力向底板的传递作用，减少或消除煤柱下方回采工作面的冲击危险；中国专利(CN 108894787 A)公开了一种上覆采空区遗留矿柱应力集中的压裂解除方法，该方法的核心在于首先通过定向压裂顶板优化顶板的应力，减小力的来源，其次是脉冲压裂煤柱，产生缝隙网络，弱化煤柱刚度减小煤柱的承载能力，最后是脉冲压裂煤柱底板岩层，减弱其传递应力集中的能力；以上两种方法在施工过程中裂缝或裂隙不易控制，高压水容易沿遗留煤柱裂隙或者节理弱面流入采空区，不能达到理想的破坏效果。(3)中国专利(CN110230493A)公开了一种遗留煤柱的切角破坏方法，它主要通过确定煤柱破坏角度，通过切割煤柱顶角和底角，改变煤柱破坏形式，实现煤柱压破坏到剪破坏的转变。该方法对于窄遗留煤柱来说，遗留煤柱会由压破坏转变为剪破坏，但是对于宽度30m以上的遗留煤柱来说，在切割煤柱顶角和底角后，遗留煤柱中间部分还有很大区域没有被破坏，在矿山压力作用下，遗留煤柱仍为受压状态，不易发生剪破坏，因此，该方法具有一定的局限性。(4)中国专利(CN110130895A)公开了一种弱化遗留煤柱潜在破坏面的煤柱破坏方法，该发明通过在煤柱形心钻孔弱化遗留煤柱潜在破坏面，之后在矿山压力下实现整体破坏。该技术的缺陷，一是首先对上层遗留煤柱钻取岩芯，将岩芯加工成与遗留煤柱相同高径比的试件，进行单轴压缩试验，确认其破坏形式是否符合剪切破坏形式，如果是剪切破坏则说明他公开的技术只适合剪切破坏的煤柱，对于受拉伸破坏的煤柱并不使用，这导致使用有很大的局限性；二是由于将弱化煤柱的位置选在煤柱中心位置，此处弱化钻孔将遗留煤柱分为两个小煤柱，两个小煤柱作为支撑点共同承受上覆岩层的压力，当遗留煤柱较窄时，被分成的两个小煤柱不能承受上覆岩层的压力，进而遗留煤柱破坏，但是当遗留煤柱较宽时，被分成的两个小煤柱能承受上覆岩层的压力，遗留煤柱不能在矿山压力作用下破坏，从而决定了最适合用于窄遗留煤柱。
在煤柱下方巷道加强支护方面，例如：(1)中国专利(CN102155248B)公开了一种煤柱下方巷道支护方法，该方法首先采用水力膨胀锚杆进行全长锚固，再利用锚索加强支护，使煤柱下方巷道围岩变形得到控制；中国专利(CN107023311A)公开了一种煤柱下方巷道修复方法，该方法在顶板原来两排锚杆之间补打螺纹钢锚杆，与W钢带组合支护；同时，将失效锚杆锯掉之后，重新铺设双层金属网，架设W钢带，补打水力膨胀锚杆，在已破裂围岩内形成一个防止破裂区扩展的承压拱，保持围岩固有强度和自身支撑力，以此巷道围岩变形得到有效控制。煤柱下方的巷道处于高应力环境，巷道变形失稳与巷道两帮的应力集中区域有密切关系，但以上两种支护方法仅仅只能控制巷道周围浅部围岩的稳定性，不能对巷道两帮应力集中区域进行有效的转移或者破坏，不能从根本上解决应力集中的问题。
为此需要对边界煤柱下巷道卸压方式以及卸压手段的施工参数进行设计，降低施工难度，提升巷道维护方法的可操作性和适用性，以达到保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性的目的。
发明内容
为了解决边界煤柱下方巷道支护的问题，保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性，避免发生冲击地压、巷道围岩大变形、煤壁片帮等灾害，本发明提供了一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，通过合理确定上覆岩层边界煤柱的致裂范围，从而降低施工难度，提升巷道维护方法的可操作性。具体的技术方案如下。
一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，步骤包括：
A.确定上覆边界煤柱的致裂范围，根据致裂方法确定巷道顶板的施工参数，施工压裂上覆边界煤柱；
B.根据致裂方法确定巷道两帮的施工参数，在巷道的两帮施工压裂煤体，使巷道两帮的应力向深部转移；
C.施工锚索对巷道两帮进行补强支护，在上覆边界煤柱下方的巷道两帮塑性区施工补强作用锚索形成新的承载锚固区。
优选的是，致裂方法选择高压水射流水力割缝的方法致裂上覆边界煤柱以及巷道两帮的煤体。
还优选的是，高压水射流水力割缝的方法致裂上覆边界煤柱的步骤包括：
A1.确定高压水割缝卸压的破坏范围；
A2.计算高压水射流水力割缝的巷道顶板施工参数，巷道顶板的施工参数包括上覆边界煤柱高压水射流有效割缝压力、上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数、上覆边界煤柱高压水射流钻孔角度和长度、上覆边界煤柱单个高压水射流钻孔内缝槽间距、上覆边界煤柱高压水射流钻孔单缝槽割缝时间、上覆边界煤柱高压水射流钻孔间距；
A3.根据巷道顶板的施工参数致裂破坏范围内的上覆边界煤柱；先使用高压水射流在上覆边界煤柱破坏区域中按预设裂缝扩展方向进行割缝，形成均匀排列的缝槽布置形态，然后在缝槽位置进行水力压裂，缝槽诱导裂缝沿预设方向扩展，完成致裂破坏。
还优选的是，上覆边界煤柱高压水割缝卸压的破坏范围B2的计算式：
B2＝2L+B1＝2((H1+H2)tanβ)+B1
式中：H1为煤柱下方巷道与上覆煤柱的垂直距离；H2为煤柱下方巷道的高度，β为上覆煤柱的应力影响角，B1为巷道正上方煤柱的宽度，L为煤柱下方巷道边界与上覆煤柱边缘的最小水平距离。
还优选的是，上覆边界煤柱高压水射流有效割缝压力PL满足计算式：
式中：σc为煤岩体的抗压强度，k为射流速度损耗系数；
所述上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数T的计算式为：
式中T的取值四舍五入取整数。
还优选的是，上覆边界煤柱高压水射流钻孔角度和长度根据巷道正上方煤柱的宽度B1、煤柱下方巷道与上覆煤柱的垂直距离H1、上覆煤柱的高度H3和上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数T确定。
还优选的是，上覆边界煤柱单个高压水射流钻孔内缝槽间距取2.5-4m、上覆边界煤柱高压水射流钻孔单缝槽割缝时间取8-10min、上覆边界煤柱高压水射流钻孔间距取8-10m。
还优选的是，高压水射流水力割缝的方法致裂巷道两帮的煤体的步骤包括：
B1.确定巷道两帮的煤体割缝范围；
B2.确定高压水射流水力割缝的巷道两帮施工参数，巷道两帮的施工参数包括上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流有效割缝压力、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体单个高压水射流钻孔内缝槽间距、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔角度、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔单缝槽割缝时间、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔间距；
B3.根据巷道两帮施工参数施工，致裂破坏巷道两帮的煤体。
进一步优选的是，上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流有效割缝压力PM满足计算式：
式中：σc为煤岩体的抗压强度，k为射流速度损耗系数；
上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体单个高压水射流钻孔内缝槽间距取2-3m；所述上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔角度为垂直于巷帮；所述上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔单缝槽割缝时间取值为8-10min；所述上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔间距取5-8m。
进一步优选的是，锚索安装于巷道两帮高度方向上的中部，锚索的间距为5m。
本发明提供的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法有益效果包括：
(1)该方法结合矿压压力与岩层控制确定了煤柱下方巷道边界与上覆煤柱边缘的最小距离，并据此确定了上覆边界煤柱的水力割缝范围，从而可以进行有效的水压致裂，同时不再需要对整个上覆边界煤柱进行破坏，降低了施工的技术难度。
(2)在使用高压水射流水力割缝的方法致裂上覆边界煤柱时，首先采用高压水射流在上覆边界煤柱破坏区域中按预设裂缝扩展方向进行割缝，形成有序、一致的缝槽布置形态，然后在缝槽位置进行水力压裂，缝槽诱导裂缝沿预设方向扩展，达到定向的目的；进而可以使上覆边界煤柱破坏区域煤体形成裂隙网络，降低了上覆边界煤柱破坏区域高应力向下传递，所以上覆边界煤柱下方巷道可以得到有效卸压。
(3)本发明采用高压水射流对上覆边界煤柱下方巷道两帮的应力集中区域煤体进行割缝卸压，使割缝范围内的煤体在原岩应力作用下变形、破裂，使应力集中区域向深部转移，同时采用锚索进行补强支护，使上覆边界煤柱下方巷道两帮塑性区在补强锚索的作用下形成新的承载锚固区，以此进一步保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性，延长巷道使用寿命，所以对矿井的安全生产、经济效益和社会效益都有着重要的意义。
另外该方法还具有施工更加安全，操作更加方便，适用范围广等优点。
附图说明
图1是上覆边界煤柱底板应力分布图；
图2是上覆边界煤柱的致裂范围示意图；
图3是高压水射流水力割缝的钻孔布置参数示意图；
图4是上覆边界煤柱高压水力割缝钻孔布置示意图；
图5是上覆边界煤柱高压水力割缝的封孔器安装示意图；
图6是上覆边界煤柱高压水力割缝的裂缝示意图；
图7是上覆边界煤柱高压水力割缝-压裂布置平面示意图；
图8是巷道两帮煤体高压水力割缝示意图；
图9是巷道两帮煤体高压水力割缝和锚索补强支护示意图；
图10是边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护原理示意图；
图中：1-上覆边界煤柱；2-底板岩层；3-下方煤层；4-上覆边界煤柱下方巷道；5-锚杆支护条件下巷道两侧应力曲线；6-锚杆；7-上覆边界煤柱破坏区域；8-上覆边界煤柱高压水力钻孔；9-上覆边界煤柱高压水力缝槽；10-煤柱下方巷道两帮高压水力钻孔；11-煤柱下方巷道两帮高压水力缝槽；12-割缝后巷道两侧应力曲线；13-封孔器；14-高压水力压裂缝隙；15-锚索。
具体实施方式
结合图1至图10所示对本发明提供的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法具体实施方式如下。
为了保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性，避免上覆边界煤柱下方巷道发生冲击地压、巷道围岩大变形、煤壁片帮等灾害。提供一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，该方法首先利用高压水射流对上覆边界煤柱部分区域进行割缝和压裂卸压，然后利用高压水射流对上覆边界煤柱下方巷道两帮应力集中区域进行割缝卸压，最后在上覆边界煤柱下方巷道两帮补打锚索加强支护，以此保证上覆边界煤柱下方巷道稳定性，延长巷道使用寿命。
边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，具体的步骤包括：
步骤A.
确定上覆边界煤柱的致裂范围，根据致裂方法确定巷道顶板的施工参数，施工压裂上覆边界煤柱。其中致裂方法选择高压水射流水力割缝的方法致裂上覆边界煤柱，首先利用高压水射流对上覆边界煤柱破坏区域水力割缝，形成定向缝槽，然后采用高压水力对缝槽进行压裂，在定向缝槽的诱导下，裂缝沿上覆边界煤柱预设破坏区域方向扩展，使上覆边界煤柱破坏区域整体弱化。
具体的是，高压水射流水力割缝的方法致裂上覆边界煤柱的步骤包括：
A1.确定高压水割缝卸压的破坏范围。
A2.计算高压水射流水力割缝的巷道顶板施工参数，巷道顶板的施工参数包括上覆边界煤柱高压水射流有效割缝压力、上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数、上覆边界煤柱高压水射流钻孔角度和长度、上覆边界煤柱单个高压水射流钻孔内缝槽间距、上覆边界煤柱高压水射流钻孔单缝槽割缝时间、上覆边界煤柱高压水射流钻孔间距。
(1)为保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性，需将巷道两侧最小水平距离L范围内煤柱和巷道正上方宽度B1煤柱破坏，上覆边界煤柱高压水割缝卸压的破坏范围B2的计算式：
B2＝2L+B1＝2((H1+H2)tanβ)+B1
式中：H1为煤柱下方巷道与上覆煤柱的垂直距离；H2为煤柱下方巷道的高度，β为上覆煤柱的应力影响角，B1为巷道正上方煤柱的宽度，L为煤柱下方巷道边界与上覆煤柱边缘的最小水平距离。
其中上覆边界煤柱作为传递媒介将上覆岩层应力以一定角度的影响角β(一般取30°～40°)呈扩展状态向下传递，并在底板岩层一定范围内重新分布。如果上覆边界煤柱下方巷道位于应力影响范围内，上覆边界煤柱下方巷道将会出现顶板下沉、底板底鼓、两帮移近，巷道变形严重等现象，对下方煤层的回采造成一定的影响。根据矿山压力与岩层控制理论，煤柱下方巷道的稳定程度与多种因素有关，其中最主要的因素为煤柱下方巷道边界与上覆煤柱边缘的水平距离，即煤柱下方巷道边界须位于底板应力影响线之外，才能避开上覆煤柱应力的影响，才能保证煤柱下方巷道的稳定。
(2)上覆边界煤柱高压水射流有效割缝压力PL满足计算式：
式中：σc为煤岩体的抗压强度，k为射流速度损耗系数。
其中，由Bernoulli方程可知水射流喷嘴出口速度为：
式中，Vm—水射流喷嘴出口速度，m/s；PL—上覆边界煤柱高压水射流有效割缝压力，MPa；ρ—水的密度，kg/m3。
在实际中，由于水流在流动过程中与管道及设备摩擦，故实际射流速度小于理论计算值，即实际水射流喷嘴出口速度为：
Vs＝kVm
式中，Vs—水射流喷嘴出口速度，m/s；k—射流速度损耗系数，一般取0.9。
水射流破煤岩时存在一个极限压力，其大小与煤岩体的抗压强度有关，当水射流的冲击压力大于煤岩体的抗压强度时，煤岩体能被破碎，形成孔洞；反之，则煤岩体不能被破碎，无法形成孔洞。
水射流的冲击压力为：
式中，Pc—水射流的冲击压力，MPa。
水射流破煤岩判断准则确定：
Pc＞σc
式中，σc—煤岩体的抗压强度，MPa。
根据上述推导可以得到上覆边界煤柱高压水射流有效割缝压力PL的判别条件。
(3)上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数T的计算式为：
式中T的取值四舍五入取整数。
上覆边界煤柱高压水射流钻孔角度和长度根据巷道正上方煤柱的宽度B1、煤柱下方巷道与上覆煤柱的垂直距离H1、上覆煤柱的高度H3和上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数T确定。
根据现场实测研究，上覆边界煤柱高压水力割缝的压裂影响半径一般是在5～6m范围内，因此可以确定上覆边界煤柱高压水射流钻孔孔底间距为10～12m，为保证边界煤柱高压水力割缝-压裂效果，上覆边界煤柱高压水射流钻孔孔底间距定为10m。
为方便获得上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数和上覆边界煤柱高压水射流钻孔角度建立直角坐标系，以上覆边界煤柱破坏宽度B2中间位置为O点，上覆边界煤柱宽度方向为X轴，O点至上覆边界煤柱下方巷道顶板中间位置为Y轴，如图3中所示。
根据煤柱下方巷道与上覆煤柱的垂直距离H1、上覆煤柱高度H3、上覆边界煤柱下方巷道宽度B1和上覆边界煤柱高压水射流钻孔开孔端间距0.15B1，结合XY坐标可以确定上覆边界煤柱高压水射流钻孔的开孔端与孔底端距上覆边界煤柱下方巷道中轴线水平距离通式。
开孔端距巷道中轴线水平距离通式：
N＝0.075B1(T-1)-0.15B1(T-k)(1≤k≤T)
孔底端距巷道中轴线水平距离通式：
M＝5(T-1)-10(T-k)(1≤k≤T)
据此可以确定上覆边界煤柱高压水射流钻孔的开孔端与孔底端坐标，如表1所示。
表1上覆边界煤柱高压水射流各钻孔的开孔端与孔底端的坐标
其中上覆边界煤柱高压水射流钻孔角度根据上覆边界煤柱高压水射流钻孔的开孔端与孔底端的坐标可以获得上覆边界煤柱高压水射流钻孔倾角和长度，如表2所示。
表2上覆边界煤柱高压水射流各钻孔倾角和长度
(4)上覆边界煤柱单个高压水射流钻孔内缝槽间距取2.5-4m、上覆边界煤柱高压水射流钻孔单缝槽割缝时间取8-10min、上覆边界煤柱高压水射流钻孔间距取8-10m。
A3.根据巷道顶板的施工参数致裂破坏范围内的上覆边界煤柱；具体是先使用高压水射流在上覆边界煤柱破坏区域中按预设裂缝扩展方向进行割缝，形成均匀排列的缝槽布置形态，然后在缝槽位置进行水力压裂，缝槽诱导裂缝沿预设方向扩展，完成致裂破坏。
根据巷道顶板的施工参数利用地质钻机和高压水力割缝设备，采用常压水首先进行1#上覆边界煤柱高压水射流钻孔的钻进，先用钻机进行上覆边界煤柱高压水射流钻孔，待钻进预定长度后，停止钻机，退出钻杆，然后启动钻机调整水压调进行深缝槽割缝，割缝时间为8-10min，待深缝槽割缝完毕后，停止钻机和高压水泵，再退出一定长度的钻杆，然后启动钻机将水压调至18.5MPa进行浅缝槽割缝，割缝时间为8-10min，待浅缝槽割缝完毕后，停止钻机和高压水泵，退出钻杆和割缝装置、钻头，1#上覆边界煤柱高压水射流钻孔割缝完毕，如图4所示，然后依次进行2#-4#上覆边界煤柱高压水射流钻孔的钻进、割缝，完成高压水射流水力割缝的方法致裂上覆边界煤柱的施工。
步骤B.
根据致裂方法确定巷道两帮的施工参数，在巷道的两帮施工压裂煤体，使巷道两帮的应力向深部转移。其中致裂方法选择高压水射流水力割缝的方法致裂巷道两帮的煤体。
高压水射流水力割缝的方法致裂巷道两帮的煤体的步骤包括：
B1.确定巷道两帮的煤体割缝范围。
B2.确定高压水射流水力割缝的巷道两帮施工参数，巷道两帮的施工参数包括上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流有效割缝压力、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体单个高压水射流钻孔内缝槽间距、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔角度、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔单缝槽割缝时间、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔间距。
上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流有效割缝压力PM满足计算式：
式中：σc为煤岩体的抗压强度，k为射流速度损耗系数；
上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体单个高压水射流钻孔内缝槽间距取2-3m；上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔角度为垂直于巷帮；覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔单缝槽割缝时间取值为8-10min；覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔间距取5-8m。
B3.根据巷道两帮施工参数施工，致裂破坏巷道两帮的煤体。
步骤C.
施工锚索对巷道两帮进行补强支护，在上覆边界煤柱下方的巷道两帮塑性区施工补强作用锚索形成新的承载锚固区。
其中锚索安装于巷道两帮高度方向上的中部，锚索的间距为5m。
实施时，首先利用高压水射流对上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体水力割缝，形成缝槽，使上覆边界煤柱下方巷道两帮应力集中区域向深部转移，然后采用补强锚索对上覆边界煤柱下方巷道两帮进行补强支护，使上覆边界煤柱下方巷道两帮塑性区在补强锚索的作用下形成新的承载锚固区，以此保证上覆边界煤柱下方巷道稳定性，延长巷道使用寿命。
实施例2
在实施例1的基础上，以某煤矿为例对，对边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法进行说明。该矿目前为近距离煤层开采，上煤层开采完毕后留有上覆边界煤柱，其宽度为80m，上煤层厚度H3平均为6m，抗压强度为30MPa。下煤层的平均厚度为4m，抗压强度为30MPa，下煤层在上覆边界煤柱下布置了一条回采巷道(即上覆边界煤柱下方的巷道)，该上覆边界煤柱下方巷道高H2为4m，宽B1为5m，顶板采用锚杆+锚索支护，帮部采用锚杆支护，其中锚杆规格为
锚索规格为
上下煤层间距H1平均为20m，上覆煤柱应力影响角β为35°。
根据上覆边界煤柱下方巷道与上覆边界煤柱的垂直距离H1为20m，上覆边界煤柱下方巷道的高度H2为4m，宽度B1为5m，上覆边界煤柱应力影响角β为35°，进而确定上覆边界煤柱致列破坏区域的宽度B2为38.6m。
根据射流速度损耗系数为0.9，上覆边界煤柱抗压强度为30MPa，计算确定上覆边界煤柱高压水射流有效割缝压力PL为18.5MPa。确定上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数T为4个。
另外，上覆边界煤柱下方巷道宽度为5m和上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数为4个，可确定4个上覆边界煤柱高压水射流钻孔的开孔端与孔底端的坐标，如表3所示，4个上覆边界煤柱高压水射流钻孔8倾角和长度，如表4所示。
表3上覆边界煤柱高压水射流各钻孔的开孔端与孔底端的坐标
表4上覆边界煤柱高压水射流各钻孔倾角和长度
根据表3和表4中确定的上覆边界煤柱高压水射流钻孔的开孔端位置和上覆边界煤柱高压水射流钻孔倾角、长度。利用地质钻机和高压水力割缝设备，采用常压水，首先进行1#上覆边界煤柱高压水射流钻孔的钻进，上覆边界煤柱高压水射流钻孔直径为85mm，待钻进预定长度后，停止钻机，退出1.5m钻杆，然后启动钻机将水压调至18.5MPa进行深缝槽割缝，割缝时间为8-10min，待深缝槽割缝完毕后，停止钻机和高压水泵，再退出3m钻杆，然后启动钻机将水压调至18.5MPa进行浅缝槽割缝，割缝时间为8-10min，待浅缝槽割缝完毕后，停止钻机和高压水泵，退出钻杆和割缝装置、钻头，1#上覆边界煤柱高压水射流钻孔割缝完毕，如图4所示，然后依次进行2#-4#上覆边界煤柱高压水射流钻孔的钻进、割缝。
待4个上覆边界煤柱高压水射流钻孔割缝完毕后，首先采用封孔器对1#上覆边界煤柱高压水射流钻孔的深缝槽进行机械封孔，使封孔器气囊鼓起紧贴钻孔壁，如图5所示，然后启动高压水泵进行高压水力压裂，形成裂缝，待水压监测仪示数下降后，停止高压水泵，停止压裂，然后退出3m钻杆，对1#上覆边界煤柱高压水射流钻孔的浅缝槽进行机械封孔，使封孔器气囊鼓起紧贴钻孔壁，然后启动高压水泵进行高压水力压裂，形成裂缝，待水压监测仪示数下降后，停止高压水泵，停止压裂，1#上覆边界煤柱高压水射流钻孔压裂完毕，如图6所示，然后依次进行2#-4#上覆边界煤柱高压水射流钻孔的压裂，使上覆边界煤柱破坏区域B2内煤体整体弱化。根据确定的上覆边界煤柱高压水射流钻孔间距为10m，待1#-4#上覆边界煤柱高压水射流钻孔的全部压裂完毕后，向前移动钻机10m，进行下一断面的施工。
为了维护巷道围岩应力场稳定，巷道两侧的应力集中区域5位于煤帮内部2-3m处，巷道两帮在原支护(锚杆支护)条件下，在巷道两侧形成大约3m宽的锚固区，但是由于上覆边界煤柱应力的影响，上覆边界煤柱下方巷道两侧应力集中程度增大，原有锚杆支护无法保证巷道的稳定，导致巷道出现片帮、底鼓等现象。因此，为保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性，需采用高压水射流对巷道两侧的应力集中区域煤体进行割缝卸压，使割缝范围内的煤体在原岩应力作用下变形、破裂，使应力释放并向深部及远处转移(割缝后巷道两侧应力曲线峰值点)，以此保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性。为保证上覆边界煤柱下方巷道4稳定，上覆边界煤柱下方巷道4两侧割缝范围为8m。
利用地质钻机和高压水力割缝设备采用常压水首先进行上覆边界煤柱下方巷道左帮煤体高压水射流钻孔进行钻进，上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔距底板2m，直径为85mm，钻进深度为8m，钻孔垂直煤帮，待钻进至预定长度后，将水压调至18.5MPa进行深缝槽割缝，割缝时间为8-10min，待深缝槽割缝完毕后，停止钻机和高压水泵，再退出2m钻杆，然后启动钻机将水压调至18.5MPa进行中缝槽割缝，割缝时间为8-10min，待中缝槽割缝完毕后，停止钻机和高压水泵，再退出2m钻杆，然后启动钻机将水压调至18.5MPa进行浅缝槽割缝，割缝时间为8-10min，待浅缝槽割缝完毕后，停止钻机和高压水泵，退出钻杆和割缝装置、钻头，上覆边界煤柱下方巷道左帮煤体高压水射流钻孔割缝完毕，然后进行上覆边界煤柱下方巷道右帮煤体高压水射流钻孔钻进、割缝，进而在上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体内形成多个缝槽。使割缝范围内的煤体在原岩应力作用下变形、破裂，使应力集中区域(割缝后巷道两侧应力曲线峰值点)向深部及远处转移，以此保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性，如图8所示。根据确定的上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔间距为5m，待上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔的全部割缝完毕后，向前移动钻机5m，进行下一断面的施工，如图9所示。
在上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体水力割缝后，采用锚索对上覆边界煤柱下方巷道两帮进行补强支护，补强锚索个数为2根，补强锚索规格为
补强锚索安装在原支护锚杆之间，补强锚索间距为5m，与上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔间距为2m，如图10所示。以此增强上覆边界煤柱下方巷道两帮支护的强度，减少巷道变形，保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性，延长巷道使用寿命。
该方法结合矿山压力与岩层控制确定了煤柱下方巷道边界与上覆煤柱边缘的最小距离，并据此确定了上覆边界煤柱的水力割缝范围，从而可以进行有效的水压致裂，同时不再需要对整个上覆边界煤柱进行破坏，降低了施工的技术难度。在使用高压水射流水力割缝的方法致裂上覆边界煤柱时，首先采用高压水射流在上覆边界煤柱破坏区域中按预设裂缝扩展方向进行割缝，形成有序、一致的缝槽布置形态，然后在缝槽位置进行水力压裂，缝槽诱导裂缝沿预设方向扩展，达到定向的目的；进而可以使上覆边界煤柱破坏区域煤体形成裂隙网络，降低了上覆边界煤柱破坏区域高应力向下传递，所以上覆边界煤柱下方巷道围岩可以得到有效卸压。
另外本发明采用高压水射流对上覆边界煤柱下方巷道两帮的应力集中区域煤体进行割缝卸压，使割缝范围内的煤体在原岩应力作用下变形、破裂，使应力集中区域向深部转移，同时采用锚索进行补强支护，使上覆边界煤柱下方巷道两帮塑性区在补强锚索的作用下形成新的承载锚固区，以此进一步保证上覆边界煤柱下方巷道的稳定性，延长巷道使用寿命，所以对矿井的安全生产、经济效益和社会效益都有着重要的意义。该方法还具有施工更加安全，操作更加方便，适用范围广等优点。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的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，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，步骤包括：
A.确定上覆边界煤柱的致裂范围，根据致裂方法确定巷道顶板的施工参数，施工压裂上覆边界煤柱；
B.根据致裂方法确定巷道两帮的施工参数，在巷道的两帮施工压裂煤体，使巷道两帮的应力向深部转移；
C.施工锚索对巷道两帮进行补强支护，在上覆边界煤柱下方的巷道两帮塑性区施工补强作用锚索形成新的承载锚固区。
2.根据权利要求1所述的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，所述致裂方法选择高压水射流水力割缝的方法致裂上覆边界煤柱以及巷道两帮的煤体。
3.根据权利要求2所述的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，所述高压水射流水力割缝的方法致裂上覆边界煤柱的步骤包括：
A1.确定高压水割缝卸压的破坏范围；
A2.计算高压水射流水力割缝的巷道顶板施工参数，巷道顶板的施工参数包括上覆边界煤柱高压水射流有效割缝压力、上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数、上覆边界煤柱高压水射流钻孔角度和长度、上覆边界煤柱单个高压水射流钻孔内缝槽间距、上覆边界煤柱高压水射流钻孔单缝槽割缝时间、上覆边界煤柱高压水射流钻孔间距；
A3.根据巷道顶板的施工参数致裂破坏范围内的上覆边界煤柱；先使用高压水射流在上覆边界煤柱破坏区域中按预设裂缝扩展方向进行割缝，形成均匀排列的缝槽布置形态，然后在缝槽位置进行水力压裂，缝槽诱导裂缝沿预设方向扩展，完成致裂破坏。
4.根据权利要求3所述的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，所述上覆边界煤柱高压水割缝卸压的破坏范围B2的计算式：
B2＝2L+B1＝2((H1+H2)tanβ)+B1
式中：H1为煤柱下方巷道与上覆煤柱的垂直距离；H2为煤柱下方巷道的高度，β为上覆煤柱的应力影响角，B1为巷道正上方煤柱的宽度，L为煤柱下方巷道边界与上覆煤柱边缘的最小水平距离。
5.根据权利要求3所述的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，所述上覆边界煤柱高压水射流有效割缝压力PL满足计算式：
式中：σc为煤岩体的抗压强度，k为射流速度损耗系数；
所述上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数T的计算式为：
式中T的取值四舍五入取整数。
6.根据权利要求3所述的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，所述上覆边界煤柱高压水射流钻孔角度和长度根据巷道正上方煤柱的宽度B1、煤柱下方巷道与上覆煤柱的垂直距离H1、上覆煤柱的高度H3和上覆边界煤柱高压水射流钻孔个数T确定。
7.根据权利要求3所述的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，所述上覆边界煤柱单个高压水射流钻孔内缝槽间距取2.5-4m、上覆边界煤柱高压水射流钻孔单缝槽割缝时间取8-10min、上覆边界煤柱高压水射流钻孔间距取8-10m。
8.根据权利要求2所述的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，所述高压水射流水力割缝的方法致裂巷道两帮的煤体的步骤包括：
B1.确定巷道两帮的煤体割缝范围；
B2.确定高压水射流水力割缝的巷道两帮施工参数，巷道两帮的施工参数包括上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流有效割缝压力、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体单个高压水射流钻孔内缝槽间距、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔角度、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔单缝槽割缝时间、上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔间距；
B3.根据巷道两帮施工参数施工，致裂破坏巷道两帮的煤体。
9.根据权利要求8所述的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，所述上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流有效割缝压力PM满足计算式：
式中：σc为煤岩体的抗压强度，k为射流速度损耗系数；
所述上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体单个高压水射流钻孔内缝槽间距取2-3m；所述上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔角度为垂直于巷帮；所述上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔单缝槽割缝时间取值为8-10min；所述上覆边界煤柱下方巷道两帮煤体高压水射流钻孔间距取5-8m。
10.根据权利要求2所述的一种边界煤柱下巷道的卸压-补强协同维护方法，其特征在于，所述锚索安装于巷道两帮高度方向上的中部，锚索的间距为5m。
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