CN114151126A - 近距下煤层开采巷道应力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近距下煤层开采巷道应力控制方法，通过对上煤层煤柱临空侧的上方的覆岩层进行斜向切顶，以形成覆岩层上的切顶线，当上煤层工作面开采推过进入采空区后，上煤层煤柱临空侧上方的覆岩沿切顶线自然垮落到采空区，并充填采空区以支撑上覆岩层的缓慢下沉，通过改变近距上煤层遗留煤柱两侧采空区覆岩的空间结构和垮落模式，控制近距上煤层残留煤柱应力集中强度，进而变相控制残留煤柱应力向底板煤岩层传递和扩散的应力梯度，实现控制布置于煤柱附近采空区底板下巷道应力强度，解决了巷道承受高强度集中作用而导致大变形破坏问题，可为近距煤层巷道围岩控制提供新的思路和解决方案，保障近距煤层安全高效开采。

Description

近距下煤层开采巷道应力控制方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种近距下煤层开采巷道应力控制方法。

背景技术

近距煤层开采在我国煤矿占比很大，很多矿区都开采近距煤层。由于上下煤层层间距离相对较小，上下煤层开采相互采动影响非常明显，特别上煤层开采后，布置于采空区下的下煤层巷道矿压显现强烈，巷道围岩控制难度非常大，成为近距煤层开采围岩控制的难点和制约近距煤层安全高效开采的关键。

近距下煤层巷道位置不外乎有两种选择，一种布置于上煤层煤柱下，另一种布置于上煤层采空区下，煤柱下自然为高应力集中区，万不得已不选择该种布置方式，而采空区下相对为卸压应力降低区，为下煤层巷道位置首选方式。尽管采空区下为卸压区，但是由于上煤层残留煤柱集中应力传递和扩散影响，采空区下巷道仍然处于集中程度较大的高应力区域，因而巷道压力仍然较大，巷道维护难度仍然很大，目前巷道支护主要采用锚杆锚索支护、锚杆锚索联合架棚支护等方法，但是仍有大量巷道围岩控制效果不甚理想，未有更好方法控制巷道围岩变形破坏，导致巷道变形破坏严重，制约近距煤层安全高效开采。

发明内容

本发明提供一种近距下煤层开采巷道应力控制方法，用以解决现有技术中下煤层巷道受应力集中影响，围岩不易控制、巷道变形易损坏的缺陷，实现对下煤层巷道围岩有效控制的目的，保障近距煤层安全高效开采。

本发明提供一种近距下煤层开采巷道应力控制方法，包括：

对上煤层煤柱临空侧的上方的覆岩层进行斜向切顶，以形成所述覆岩层上的切顶线，进而使上煤层煤柱临空侧上方的覆岩沿所述切顶线向采空区垮落。

根据本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，所述切顶线为由覆岩层表面向覆岩层内侧倾斜上升布置的切线。

根据本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，所述对上煤层煤柱临空侧的上方的覆岩层进行斜向切顶的步骤，包括：

对上煤层煤柱临采空区的对立两侧正上方的覆岩层进行斜向切顶。

根据本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，所述切顶线在竖直方向上布置有多条。

根据本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，所述斜向切顶的步骤位于上煤层煤柱工作面开采之前。

根据本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，所述切顶线与水平方向的夹角为40-60度。

根据本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，所述切顶线的长度为40-50米。

根据本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，所述斜向切顶步骤包括：

通过切顶钻孔对所述覆岩层进行斜向钻孔处理，以形成所述切顶线。

根据本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，所述通过切顶钻孔对所述覆岩层进行斜向钻孔处理的步骤，包括：

通过切顶钻孔切断上煤层煤柱临空侧的上方的覆岩层顶板。

根据本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，所述切顶钻孔为水力压裂切顶。

本发明提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，通过对上煤层煤柱临空侧的上方的覆岩层进行斜向切顶，以形成覆岩层上的切顶线，当上煤层工作面开采推过进入采空区后，上煤层煤柱临空侧上方的覆岩沿切顶线自然垮落到采空区，并充填采空区以支撑上覆岩层的缓慢下沉，通过改变近距上煤层遗留煤柱两侧采空区覆岩的空间结构和垮落模式，控制近距上煤层残留煤柱应力集中强度，进而变相控制残留煤柱应力向底板煤岩层传递和扩散的应力梯度，实现控制布置于煤柱附近采空区底板下巷道应力强度，即上煤层残留煤柱不再形成高强度应力集中，这样煤柱传递到底板煤岩层的应力大幅减小，实现间接控制近距采空区下煤层巷道应力，解决了巷道承受高强度集中作用而导致大变形破坏问题，可为近距煤层巷道围岩控制提供新的思路和解决方案，保障近距煤层安全高效开采。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中近距上煤层开采后煤柱两侧覆岩空间结构及底板应力分布图(图中A为应力降低区，B、C为应力升高区)；

图2是本发明提供的近距上煤层开采后煤柱两侧工作面切顶后覆岩空间结构及底板应力分布图(图中A为应力降低区，B、C为应力升高梯度降低区)；

图3是本发明提供的切顶钻孔布置示意图；

附图标记：

1：覆岩层； 2：采空区； 3：下煤层；

4：下煤层巷道； 5：上煤层煤柱； 6：切顶位置线；

7：切顶线； 8：上煤层工作面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，近距上煤层开采后，上煤层煤柱5集中应力向底板传递和扩散，为造成下煤层巷道4承受高应力发生变形破坏的根源，也就是说导致近距下煤层巷道4承受高应力作用是由于上煤层开采造成的，而引起上煤层煤柱5形成积聚高应力则是因为上煤层煤柱5两侧工作面开采形成的覆岩层1，覆岩层1引起上煤层煤柱5产生高集中应力并向下传递和扩展(图中B位置处)，进而成为引起下煤层巷道4承受强烈集中应力作用而发生强烈变形破坏的根源。

如果上煤层开采，将上煤层煤柱5两侧覆岩结构(图中B位置处)发生改变，促使上煤层煤柱5上方附近的覆岩层1形不成产生高集中应力的空间结构，那么，上煤层煤柱5将不再产生高集中应力现象，因而上煤层煤柱5应力传递到底板应力自然也很小，这样布置于煤柱底板区域附近的下煤层巷道4将不再受到高应力作用，巷道维护难度自然降低而便于控制和维护。

因此，本发明实施例提出近距煤层开采巷道应力的控制方法，从导致近距下煤层巷道4围岩承受高应力的根源从发，其目的就是通过改变近距上煤层开采后上煤层煤柱5两侧覆岩的空间结构，确保上煤层煤柱5不再形成高集中应力，因而近距下煤层巷道4将不再受到高应力作用，有助于通过降低应力控制其稳定性，确保近距煤层安全高效开采。

本发明实施例提供一种近距下煤层开采巷道应力控制方法，该方法具体为：在上煤层煤柱5两侧的上煤层工作面8开采之前，对上煤层煤柱5临空侧的上方的覆岩层1进行斜向切顶。即对上煤层煤柱5临采空区2两侧正上方的覆岩层1进行斜向切顶，斜向切顶的位置如图2中所示，斜向切顶为切顶钻孔工艺，从而在覆岩层1上形成的由覆岩层1表面向覆岩层1内侧倾斜上升布置的切顶线7，如图3中所示，待工作面开采推过进入采空区2后，由于切顶线7向采空区2倾斜，覆岩层1沿切顶线7自然垮落到采空区2，并充填采空区2以支撑上覆岩层1的缓慢下沉，以此来改变上煤层开采后上煤层煤柱5工作面切顶后覆岩空间结构及底板应力分布。

如图2和图3所示，切顶位置线6为切顶钻孔的具体位置，在该位置提前切断上煤层煤柱5两侧工作面采空区2侧上覆岩层1顶板，使得该处的覆岩层1垮落后，其应力不会集中(图2中B处应力明显下降)，通过改变上煤层煤柱5两侧覆岩的空间结构和垮落模式，控制上煤层煤柱5应力集中强度，进而变相控制上煤层煤柱5应力向底板煤岩层传递和扩散的应力梯度，实现控制布置于上煤层煤柱5附近采空区底板下巷道应力强度，即上煤层煤柱5两侧不再形成高强度的应力集中，这样煤柱传递到底板煤岩层的应力大幅减小，下煤层巷道4围岩承受的应力减小，实现间接控制近距采空区下煤层巷道4应力，便于对下煤层巷道4围岩进行维护，从根源上解决了巷道承受高强度集中作用而导致大变形破坏问题。

假如近距上煤层煤柱5两侧工作面不切顶，残留煤柱两侧采空区2未完全断裂覆岩将支撑点作用到上煤层煤柱5上，形成以两侧煤柱为支撑点的岩梁结构，如图1所示，岩梁保持平衡稳定过程将应力作用到煤柱内部，促使煤柱形成高强度集中应力，该应力将向底板煤岩层垂直传递和四周扩展，引起布置于煤柱附近底板巷道也承受高集中应力，进而引起巷道强烈变形破坏。如果近距上煤层两侧煤柱工作面开采前提前切顶后，残留煤柱两侧采空区覆岩将沿切顶线7随工作面推进到采空区后垮落，垮落覆岩将不再以上煤层煤柱5的两侧为支撑点，不再将应力作用到上煤层煤柱5上，因而上煤层煤柱5内部也就形不成非常高的集中应力，进而垂直传递到底板和向底板四周扩展的应力相对较小，因而布置于上煤层煤柱5附近的采空区下煤层巷道4将处于卸压应力降低区，下煤层巷道4因受到非常低的应力作用，巷道围岩易于控制并保持稳定状态。

值得一提的是，本实施例中的切顶线7是倾斜布置的，通过切顶钻孔工艺倾斜向覆岩层1内打孔，使切顶线7由覆岩层1表面向覆岩层1内侧倾斜上升布置。可以理解为，切顶线7向外侧采空区2斜下方倾斜，这样覆岩就可以沿着倾斜的切顶线7向上煤层煤柱5外侧垮落，并且覆岩有一个缓慢下沉的过程，缓慢改变上煤层煤柱5应力的布局。覆岩沿着切顶线7垮落到采空区2，并且能够一定程度的铺开在上煤层工作面8上，有效控制了覆岩层1向底板煤岩层传递和扩散的应力梯度，达到有效的应力控制。

在一个具体实施例中，切顶线7在竖直方向上布置有多条，即在切顶位置线6上可进行多次切顶钻孔，这样更有利于改变覆岩层1的结构，有效增大需要垮落的覆岩层1面积，提高垮落效率，多个切顶线7更有利于覆岩层1的垮落，有利于覆岩在上煤层工作面8上铺开，从而使底板煤岩层所受应力更加均匀化，避免了局部应力集中的情况。

在一个具体实施例中，切顶线7与水平方向的夹角为40-60度，优选的，切顶线7与水平方向的夹角控制在50度，便于钻孔的同时，有利于覆岩层1的垮落。同时，覆岩层1垮落的体量也可以通过控制切顶线7的长度来确定，将切顶钻孔的深度控制在上煤层煤柱5宽度的四分之一左右，优选的，切顶线7的长度在40-50米，使上煤层煤柱5临空侧上方40-50米范围左右的覆岩层1垮落，这样可以有效改变上煤层煤柱5临空侧的应力集中情况。

在一个具体实施例中，切顶钻孔采用水力压裂切顶技术。在上煤层煤柱5两侧工作面开采前，分别在上煤层煤柱5两侧巷道靠近煤柱侧，采用水力压裂切顶技术，超前切断上煤层煤柱5两侧工作面采空区2侧上方的覆岩层1顶板，待两侧工作面开采推过进入采空区2，上覆岩层1顶板沿切顶线7自然垮落到采空区2，实现上煤层煤柱5应力的改善，水力压裂切顶技术是在煤矿开采作用中常用的切顶技术，能够有效提高切顶效率。当然，本发明实施例也不限于采用水力压裂切顶技术，其他能够实现斜向切顶完成切顶线7布置的工艺均可。

本发明实施例提供的近距下煤层开采巷道应力控制方法，通过对上煤层煤柱5临空侧的上方的覆岩层1进行切顶钻孔，以形成覆岩层1上的倾斜的切顶线7，当上煤层工作面开采推过进入采空区2后，上煤层煤柱5临空侧上方的覆岩沿切顶线7自然垮落到采空区，并充填采空区2以支撑上覆岩层的缓慢下沉，通过改变近距上煤层遗留煤柱两侧采空区2覆岩的空间结构和垮落模式，控制近距上煤层残留煤柱应力集中强度，进而变相控制残留煤柱应力向底板煤岩层传递和扩散的应力梯度，实现控制布置于煤柱附近采空区底板下巷道应力强度，实现间接控制近距采空区下煤层巷道4应力，从根源从发解决了巷道承受高强度集中作用而导致大变形破坏问题，可为近距煤层巷道围岩控制提供新的思路和解决方案，保障近距煤层安全高效开采。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，包括：

对上煤层煤柱(5)临空侧的上方的覆岩层(1)进行斜向切顶，以形成所述覆岩层(1)上的切顶线(7)，进而使上煤层煤柱(5)临空侧上方的覆岩沿所述切顶线(7)向采空区(2)垮落。

2.根据权利要求1所述的近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，所述切顶线(7)为由覆岩层(1)表面向覆岩层(1)内侧倾斜上升布置的切线。

3.根据权利要求2所述的近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，所述对上煤层煤柱(5)临空侧的上方的覆岩层(1)进行斜向切顶的步骤，包括：

对上煤层煤柱(5)临采空区(2)的对立两侧正上方的覆岩层(1)进行斜向切顶。

4.根据权利要求3所述的近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，所述切顶线(7)在竖直方向上布置有多条。

5.根据权利要求2所述的近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，所述斜向切顶的步骤位于上煤层煤柱(5)工作面开采之前。

6.根据权利要求2所述的近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，所述切顶线(7)与水平方向的夹角为40-60度。

7.根据权利要求2所述的近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，所述切顶线(7)的长度为40-50米。

8.根据权利要求1-7任一项所述的近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，所述斜向切顶步骤包括：

通过切顶钻孔对所述覆岩层(1)进行斜向钻孔处理，以形成所述切顶线(7)。

9.根据权利要求8所述的近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，所述通过切顶钻孔对所述覆岩层(1)进行斜向钻孔处理的步骤，包括：

通过切顶钻孔切断上煤层煤柱(5)临空侧的上方的覆岩层(1)顶板。

10.根据权利要求9任一项所述的近距下煤层开采巷道应力控制方法，其特征在于，所述切顶钻孔为水力压裂切顶。

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