CN114201866B - 一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，其属于地下煤矿开采上下山保护技术领域；包括以下步骤：计算覆岩关键层位置，回撤巷道破顶掘进，回撤巷道分段支护，钻孔布置，双向聚能爆破分层布置，预裂爆破，普通锚索、高强让压锚索二次预紧。本发明采用切顶卸压方法起到消减上下山保护煤柱动压的目的，上下山巷道变形将会大幅减小，支护成本将会大幅降低，保护煤柱可以相应的减小，节省大量的滞留煤柱，同时减弱液压支架回撤期间巷道的变形，降低支护强度，减少垛式液压支架的使用数量，又能够保证支架的快速安全回撤，具有极大的推广应用前景。
Description
技术领域
本发明属于地下煤矿开采上下山保护技术领域，具体涉及一种煤矿回采工作面回撤巷道切顶卸压保护采区上下山技术，更具体地说，是涉及一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法。
背景技术
在煤矿开采过程中，岩体多表现为软岩特性，使得采区上下山矿山压力以及矿山压力显现问题尤为突出。这就对煤柱尺寸留设有了更高的要求，必须增加煤柱尺寸以实现护巷目的。
但经过多次现场实践，留设较宽煤柱不仅护巷效果一般，而且还引发了更严重的煤矿安全问题，比如深井开采中会在残留煤柱上方形成应力集中，造成煤柱下方较近距离煤层开采条件恶化，增加冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害的防治难度；而且开采深度越大，这些问题就越突出，即便在保障安全回采的条件下，深井复杂条件使得煤柱回收工作异常困难，煤炭资源大量浪费，不利于煤矿的可持续发展。
发明内容
本发明就是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种合理开发煤炭资源，提高资源回收率的用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法。
为解决上述技术问题，为此本发明包括以下步骤：
计算覆岩关键层位置：
根据关键层特征，在采空区上覆岩层弯曲变形过程中，其上部岩层与之同步变形，而下部岩层变形和关键层不协调，因而关键层承受的载荷不需要下部岩层来承担，假设第一岩层为关键层，关键层控制岩层达到n层，则n+1层成为关键层的条件为：
式中，和/>分别为计算到岩层第n+1层与第n层时，第一关键层所受载荷；
回撤巷道破顶掘进：
首先根据采高计算直接顶厚度，直接顶厚度计算公式为：
式中，—直接顶厚度，m；
—采高，m；
—老顶岩梁触矸处的沉降值，取（0.25~0.3）h；
—岩层垮落后的碎胀系数，取1.3；
然后采用机械化设备掘进回撤巷道时进行破顶掘进；
回撤巷道分段支护：
回撤通道正常段顶板采用普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架联合支护，回撤通道局部破碎段采用普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架+铺网联合支护，回撤通道局部垮落段采用普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架+超高框架联合支护；
钻孔布置：
在工作面超前应力影响到回撤巷道附近之前布置钻孔，钻孔打到关键层顶部，且呈“一”字型布置；
双向聚能爆破分层布置：
爆破方法为双向聚能爆破，双向聚能管采用特制聚能管，爆破使用矿用二级乳化炸药，依据计算出来的关键层位置，在每层关键层位置布置聚能管与二级乳化炸药，从深部向浅部依次布置；
预裂爆破：
在工作面超前应力影响到回撤巷道附近之前，形成切顶缷压预裂切缝线，采用双向聚能爆破预裂技术，一次性在整个巷道完成爆破预裂切缝。
优选的，在进行完聚能爆破后，还需要检查普通锚索、高强让压锚索预紧力，对预紧力达不到现场要求的恒阻锚索，进行二次预紧。
优选的，待工作面回采至回撤通道时，才可以回撤液压支架。
优选的，在进行回撤巷道破顶掘进时，采用机械化设备掘进回撤巷道时进行破顶掘进，超出煤层高度掘进，破顶高度为1m，给予预裂岩层回转变形空间，同时扩大回撤巷道面积，方便回撤工作完成。
优选的，在进行回撤巷道分段支护时，
回撤通道正常段：高强让压锚索和垛式液压支架各支护顶板半边，高强让压锚索支护巷道正帮侧的顶板即靠近工作面一侧，每排布置3套高强让压锚索，单排垛式液压支架安置在巷道副帮侧即远离工作面一侧，普通锚索布置在巷道正帮侧，即单排垛式液压支架上方，每排布置2套普通锚索；
回撤通道局部破碎段：在正常段支护的基础上，安设普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架支护前，顶板铺设网孔不大于45mm×45mm的菱形网；
回撤通道局部垮落段：采用的超高框架呈长方体形，尺寸配合垛式液压支架与垮落高度，材质为矿用工字钢焊接而成，超高框架下侧通过固定螺栓与垛式液压支架联接固定。
优选的，钻孔布置时，钻孔位置选取在回撤巷道内侧，钻孔与水平线呈30°角，钻孔直径45mm，钻孔长度计算公式如下：
式中，－钻孔长度，m；
－关键层顶部到直接顶距离，m；
－钻孔与直接顶水平线夹角，°。
优选的，回撤巷道上下两端20m范围内钻孔间距为0.8m，中部区域钻孔间距为0.5m。
优选的，在进行双向聚能爆破分层布置时，特制聚能管外径为42mm，内径为36.5mm，管长1500mm；
爆破使用的矿用二级乳化炸药，外径Ф32mm，长200mm；
同时，主关键层与亚关键层依据厚度、强度之比进行单孔聚能管数目与二级乳化炸药量的布置。
优选的，由于主关键层厚度是亚关键层厚度的两倍，主关键层强度是亚关键层强度的1.5倍，则主关键层单孔聚能管布置数目是亚关键层单孔聚能管数目的3倍，主关键层单孔二级乳化炸药量是亚关键层单孔二级乳化炸药量的3倍。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明提供了一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，一方面在进行回撤巷道破顶掘进时，给予上覆岩层回转变形空间，诱导关键层的破裂；另一方面，在回撤巷道内布置顶板深孔炮眼时，在工作面前方超前爆破切顶，切断关键层向上下山方向的应力传递，极大的减小上下山方向的采动应力幅值与范围，起到消减上下山保护煤柱动压的目的，上下山巷道变形大幅减小，支护成本大幅降低，保护煤柱可以相应的减小，节省大量的滞留煤柱，节省煤炭资源，具有极大的推广应用前景。
而且本发明提出的回撤巷道采用分段支护可以满足不同地质条件的回撤巷道的使用要求，提高了切顶成功率与回撤效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明切顶卸压方法的俯视示意图；
图2为本发明切顶卸压的竖直剖面示意图；
图3为本发明回撤巷道正常段支护布置示意图；
图4为本发明回撤巷道跨落段超高框架布置示意图。
图中符号标记说明：
1、采区上下山；2、回撤巷道；3、采区上下山保护煤柱；4、回采工作面；5、采空区；6、钻孔；7、关键层一；8、装药位置一；9、关键层二；10、装药位置二；11、直接顶；12、刮板运输机；13、工作面液压支架；14、普通锚索；15、高强让压锚索；16、垛式液压支架；17、超高框架。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1、图2，本发明提供一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，图中布置方式为：1为采区上下山，2为回撤巷道，3为采区上下山保护煤柱，4为回采工作面，5为采空区，6为钻孔，7为关键层一，8为装药位置一，9为关键层二，10为装药位置二。
具体切顶卸压方法包括以下步骤：
1）计算覆岩关键层位置：
根据关键层特征，在采空区上覆岩层弯曲变形过程中，其上部岩层与之同步变形，而下部岩层变形和关键层不协调，因而关键层承受的载荷不需要下部岩层来承担，假设第一岩层为关键层，关键层控制岩层达到n层，则n+1层成为关键层的条件为：
式中，和/>分别为计算到岩层第n+1层与第n层时，第一关键层所受载荷。
2）回撤巷道破顶掘进：
首先根据采高计算直接顶厚度，直接顶厚度计算公式为：
式中，—直接顶厚度，m；
—采高，m；
—老顶岩梁触矸处的沉降值，取（0.25~0.3）h；
—岩层垮落后的碎胀系数，取1.3；
然后采用机械化设备掘进回撤巷道时进行破顶掘进，超出煤层高度掘进，破顶高度为1m，给予预裂岩层回转变形空间，同时扩大回撤巷道面积，方便回撤工作完成。
3）回撤巷道分段支护：
如图3、图4所示，11为直接顶，12为刮板运输机，13为工作面液压支架，14为普通锚索，15为高强让压锚索，16为垛式液压支架，17为超高框架。
本实施例中，回撤通道正常段顶板采用普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架联合支护来加固巷道，高强让压锚索15和垛式液压支架16各支护顶板半边，高强让压锚索15支护巷道正帮侧的顶板即靠近工作面一侧，每排布置3套高强让压锚索15；单排垛式液压支架16安置在巷道副帮侧即远离工作面一侧，普通锚索14布置在巷道正帮侧，即单排垛式液压支架16上方，每排布置2套普通锚索14。
布置锚索时，首先按照中、腰线严格检查巷道断面规格，不符合作业规程要求时必须先进行处理；打眼前要先敲帮问顶，仔细检查顶帮围岩情况，找掉活矸、危岩，确认安全后、方可开始工作，锚索的位置要准确，眼位误差不得超过100mm，眼向误差不得大于2°，钻进时须加注冷却水。
回撤通道局部破碎段采用普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架+铺网联合支护，在正常段支护的基础上，安设普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架支护前，顶板铺设网孔不大于45mm×45mm的菱形网；
回撤通道局部垮落段采用普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架+超高框架联合支护，采用的超高框架17呈长方体形，尺寸配合垛式液压支架与垮落高度，材质为矿用工字钢焊接而成，超高框架17下侧通过固定螺栓与垛式液压支架16联接固定，逐次把超高框架17安设在垛式液压支架16的顶梁上，安设完毕后，升起垛式液压支架16使支架初撑力达到要求。
4）钻孔布置：
在普通锚索+高强让压锚索+垛式液压支架施工结束并达到质量后，此时在回撤巷道内进行聚能爆破孔钻孔施工，采用专用切缝钻机打孔；
在工作面超前应力影响到回撤巷道附近之前布置钻孔，钻孔打到关键层顶部，且呈“一”字型布置；
钻孔布置时，钻孔位置选取在回撤巷道内侧，钻孔与水平线呈30°角，钻孔直径45mm，钻孔长度计算公式如下：
式中，－钻孔长度，m；
－关键层顶部到直接顶距离，m；
－钻孔与直接顶水平线夹角，°。
更进一步的，本实施例中，回撤巷道上下两端20m范围内钻孔间距为0.8m，中部区域钻孔间距为0.5m；孔深直达关键层，与铅垂方向成30°布置，切缝炮孔角度要符合设计要求，成孔平直度要好。
5）双向聚能爆破分层布置：
爆破方法为双向聚能爆破，双向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外径为42mm，内径为36.5mm，管长1500mm；爆破使用的矿用二级乳化炸药，外径Ф32mm，长200mm；依据计算出来的关键层位置，在每层关键层位置布置聚能管与二级乳化炸药，从深部向浅部依次布置。
同时，主关键层与亚关键层依据厚度、强度之比进行单孔聚能管数目与二级乳化炸药量的布置，即主关键层厚度是亚关键层厚度的两倍，主关键层强度是亚关键层强度的1.5倍，则主关键层单孔聚能管布置数目是亚关键层单孔聚能管数目的3倍，主关键层单孔二级乳化炸药量是亚关键层单孔二级乳化炸药量的3倍。
更进一步的，本实施例中，每个聚能炮孔在装药前，先在巷道内按照爆破装药设计参数从孔底聚能管开始连续装药，并安设雷管和引线，然后将引线穿过第二根聚能管，并将第二根聚能管与第一根聚能管用连接件连接，然后在第二根管内开始连续装药并安设引线，重复按照上述方法，依次完成全部聚能管装药；要求每个聚能管内采用连续装药，每个聚能管设置一个雷管，未装药聚能管则不需雷管。
更进一步的，本实施例中，爆破孔口采用专业设备用炮泥封孔，封孔长度5m。
6）预裂爆破：
按垂直工作面推进方向，对工作面回撤巷道进行预裂爆破，在工作面超前应力影响到回撤巷道附近之前，形成切顶缷压预裂切缝线，采用双向聚能爆破预裂技术，一次性在整个巷道完成爆破预裂切缝，切断关键层，爆破施工结束后需要对爆破效果进行统计整理，确保切缝效果。
7）普通锚索、高强让压锚索二次预紧：
在进行完聚能爆破后，还需要检查普通锚索、高强让压锚索预紧力，对预紧力达不到现场要求的恒阻锚索，即对预紧力达不到28t的恒阻锚索，进行二次预紧，以符合方案设计。
8）待工作面回采至回撤巷道2时，才可以回撤工作面液压支架13。
本发明提供了一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，一方面在进行回撤巷道破顶掘进时，给予上覆岩层回转变形空间，诱导关键层的破裂；另一方面，在回撤巷道内布置顶板深孔炮眼时，在工作面前方超前爆破切顶，切断关键层向上下山方向的应力传递，极大的减小上下山方向的采动应力幅值与范围，起到消减上下山保护煤柱动压的目的，上下山巷道变形大幅减小，支护成本大幅降低，保护煤柱可以相应的减小，节省大量的滞留煤柱，节省煤炭资源，具有极大的推广应用前景。
而且本发明提出的回撤巷道采用分段支护可以满足不同地质条件的回撤巷道的使用要求，提高了切顶成功率与回撤效率。
在本发明的描述中，需要理解的是，诸如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，包括以下步骤：
计算覆岩关键层位置：
根据关键层特征，在采空区上覆岩层弯曲变形过程中，其上部岩层与之同步变形，而下部岩层变形和关键层不协调，因而关键层承受的载荷不需要下部岩层来承担，假设第一岩层为关键层，关键层控制岩层达到n层，则n+1层成为关键层的条件为：
式中，和/>分别为计算到岩层第n+1层与第n层时，第一关键层所受载荷；
回撤巷道破顶掘进：
首先根据采高计算直接顶厚度，直接顶厚度计算公式为：
式中，—直接顶厚度，m；
—采高，m；
—老顶岩梁触矸处的沉降值，取0.25h~0.3h；
—岩层垮落后的碎胀系数，取1.3；
然后采用机械化设备掘进回撤巷道时进行破顶掘进；
回撤巷道分段支护：
回撤通道正常段顶板采用普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架联合支护，回撤通道局部破碎段采用普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架+铺网联合支护，回撤通道局部垮落段采用普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架+超高框架联合支护；
在进行回撤巷道分段支护时，回撤通道正常段：高强让压锚索和垛式液压支架各支护顶板半边，高强让压锚索支护巷道正帮侧的顶板即靠近工作面一侧，每排布置3套高强让压锚索，单排垛式液压支架安置在巷道副帮侧即远离工作面一侧，普通锚索布置在巷道正帮侧，即单排垛式液压支架上方，每排布置2套普通锚索；
回撤通道局部破碎段：在正常段支护的基础上，安设普通锚索+高强让压锚索支护+单排垛式液压支架支护前，顶板铺设网孔不大于45mm×45mm的菱形网；
回撤通道局部垮落段：采用的超高框架呈长方体形，尺寸配合垛式液压支架与垮落高度，材质为矿用工字钢焊接而成，超高框架下侧通过固定螺栓与垛式液压支架联接固定；
钻孔布置：
在工作面超前应力影响到回撤巷道附近之前布置钻孔，钻孔打到关键层顶部，且呈“一”字型布置；
钻孔布置时，钻孔位置选取在回撤巷道内侧，钻孔与水平线呈30°角，钻孔直径45mm，钻孔长度计算公式如下：
式中，－钻孔长度，m；
－关键层顶部到直接顶距离，m；
－钻孔与直接顶水平线夹角，°；
双向聚能爆破分层布置：
爆破方法为双向聚能爆破，双向聚能管采用特制聚能管，爆破使用矿用二级乳化炸药，依据计算出来的关键层位置，在每层关键层位置布置聚能管与二级乳化炸药，从深部向浅部依次布置；
预裂爆破：
在工作面超前应力影响到回撤巷道附近之前，形成切顶缷压预裂切缝线，采用双向聚能爆破预裂技术，一次性在整个巷道完成爆破预裂切缝。
2.根据权利要求1所述的一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，其特征在于，在进行完聚能爆破后，还需要检查普通锚索、高强让压锚索预紧力，对预紧力达不到现场要求的恒阻锚索，进行二次预紧。
3.根据权利要求2所述的一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，其特征在于，待工作面回采至回撤通道时，才可以回撤液压支架。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，其特征在于，在进行回撤巷道破顶掘进时，采用机械化设备掘进回撤巷道时进行破顶掘进，超出煤层高度掘进，破顶高度为1m，给予预裂岩层回转变形空间，同时扩大回撤巷道面积，方便回撤工作完成。
5.根据权利要求1所述的一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，其特征在于，回撤巷道上下两端20m范围内钻孔间距为0.8m，中部区域钻孔间距为0.5m。
6.根据权利要求5所述的一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，其特征在于，在进行双向聚能爆破分层布置时，特制聚能管外径为42mm，内径为36.5mm，管长1500mm；
爆破使用的矿用二级乳化炸药，外径Ф32mm，长200mm；
同时，主关键层与亚关键层依据厚度、强度之比进行单孔聚能管数目与二级乳化炸药量的布置。
7.根据权利要求6所述的一种用于保护采区上下山的回撤巷道切顶卸压方法，其特征在于，由于主关键层厚度是亚关键层厚度的两倍，主关键层强度是亚关键层强度的1.5倍，则主关键层单孔聚能管布置数目是亚关键层单孔聚能管数目的3倍，主关键层单孔二级乳化炸药量是亚关键层单孔二级乳化炸药量的3倍。
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