CN114215530B - 一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法 - Google Patents

一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，属于岩层移动及巷道围岩控制领域；其步骤包括：确定坚硬顶板层位和厚度；制定坚硬顶板内定向水平钻孔布置方案和水力压裂方案；采用定向钻机依次施工定向水平钻孔并进行水力压裂；进行沿空巷道开挖作业。通过本发明的实施，可以减小煤柱上方坚硬悬顶长度，优化巷道围岩应力环境，降低沿空巷道围岩控制难度，加快巷道掘进速度，缩短巷道贯通时间，缓解采掘接替紧张。本发明钻孔数量少，有效压裂范围大，施工周期短，顶板切落效果好。

Description

一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法
技术领域
本发明涉及岩层移动及巷道围岩控制领域，具体涉及一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法。
背景技术
沿空掘巷已在许多矿区得到成功应用，但在坚硬顶板条件下，煤柱上方侧向悬顶难以自然垮落，掘巷时采空区边缘岩层下沉、破断和回转运动易导致煤柱失稳、巷道围岩大变形和强动载矿压显现，从而造成采掘接替紧张，巷道维护成本过高甚至人员伤亡事故。
为了减小坚硬悬顶的长度，降低围岩控制难度，缩短采空区边缘岩层稳定时间，目前所采用的技术措施主要为爆破切顶和直孔水压致裂技术。
爆破切顶具有炸药消耗量大、治理成本高、长距离孔装药困难和作业时影响巷道正常通行等缺点；直孔水压致裂具有钻孔数量多，工程量大，设备频繁搬迁，切落效果差等缺点。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，其采用定向水压致裂技术对采空区边缘坚硬悬顶进行切落，该方法钻孔数量少，有效压裂范围大，施工周期短，顶板切落效果好。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，包括以下步骤：
S1、调研掌握回采工作面地质条件和施工环境，包括回采工作面推进长度，坚硬顶板岩性、厚度和层位，停采线位置，大巷高度、宽度；
S2、设计定向水平钻孔布置参数和水力压裂参数，准备钻孔施工和水力压裂设备；
S3、按照设计参数，在大巷或开切眼朝回采工作面方向施工定向水平钻孔并进行水力压裂；
S4、水力压裂工作完成后，在回采工作面和接替工作面之间留设煤柱，开挖沿空巷道。
优选的，步骤S1中回采工作面推进长度小于3000m，坚硬顶板厚度大于8米。
优选的，步骤S2中定向水平钻孔个数为坚硬顶板厚度(单位为米)的0.2～0.25倍，即相邻钻孔垂直距离为4～5米；
离煤层最近的钻孔距离采空区边缘的水平距离为1.5～2米，距离煤层顶板垂直距离大于5米；
钻孔在停采线附近时进入到坚硬顶板中，钻孔在坚硬顶板中为直线并且钻孔之间的连线角度与水平方向夹角为50°～60°。
优选的，步骤S3中为了保证定向水平钻孔施工质量，钻孔施工设备采用泥浆脉冲无线随钻测量系统实现定向钻进，定向钻头直径为120mm；
钻孔顺序为从下到上依次进行，钻进一孔水压致裂一孔，从孔底开始，隔14～18米进行一次压裂，每次压裂时间15～20分钟；
为了保证压裂的均衡性，相邻钻孔压裂位置互相交错，即相邻钻孔压裂位置沿回采工作面推进方向水平间距为7～9米；
所有钻孔压裂完成后，对钻孔进行封堵，封堵长度为3～5米。
优选的，步骤S3中，若从大巷钻进的定向水平钻孔无法覆盖回采工作面的推进长度时，可在大巷和开切眼处均施工定向水平钻孔，两侧钻孔孔底间隔为20米。
优选的，步骤S4中煤柱的留设宽度为6～8米，开挖沿空巷道时，若回采工作面没有回采完毕，沿空巷道掘进头在回采工作面前方60～80米处时暂停掘巷，待沿空巷道掘进头在回采工作面后方120～160米处时重新开始掘巷；若沿空巷道掘进方向与回采工作面推进方向一致，保持沿空巷道掘进头与回采工作面的距离在200米以上。
本发明的有益效果在于：本方法通过在坚硬顶板内施工定向水平钻孔进行水力压裂，提前切断煤柱上方侧向坚硬悬顶，缩短采空区边缘岩层稳定时间，降低侧向坚硬悬顶下沉、破断和回转运动对沿空巷道围岩的动压作用，缓解围岩大变形，进而加快巷道掘进速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为坚硬顶板定向水平钻孔布置示意图；
图2为图1中A-A处剖视图；
图3为水压致裂后采空区边缘岩层结构示意图。
附图标记如下：
1-回采工作面，2-采空区，3-停采线，4-大巷，5-定向水平钻孔，6-煤柱，7-沿空巷道，8-接替工作面，9-开切眼，10-坚硬顶板，11-坚硬悬顶，12-断裂线，13-切落岩块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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至图3所示，本发明实施例公开了一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，具体包括以下步骤：
S1、调研掌握回采工作面1的地质条件和施工环境，包括回采工作面1的推进长度，坚硬顶板10的岩性、厚度和层位(定向水平钻孔5施工的层位)，停采线3的位置(保证钻孔在停采线3附近时能够进入到坚硬顶板10中)，大巷4的高度、宽度(便于放置施工设备)；
要求回采工作面1的推进长度小于3000m，坚硬顶板10的厚度大于8米；
S2、设计定向水平钻孔5的布置参数和水力压裂参数，准备钻孔施工和水力压裂设备；
定向水平钻孔5的个数为坚硬顶板10厚度(单位为米)的0.2～0.25倍，即相邻钻孔垂直距离为4～5米；如图2所示，假设本实施例坚硬顶板10厚度设为15米，则定向水平钻孔5数值取3个。离煤层最近的钻孔距离采空区2边缘的水平距离为1.5～2米，距离煤层顶板垂直距离大于5米；钻孔在停采线3附近时进入到坚硬顶板10中；钻孔在坚硬顶板10中为直线并且钻孔之间的连线角度与水平方向夹角为50°～60°。
S3、按照设计参数，在大巷4或开切眼9内朝回采工作面1方向施工定向水平钻孔5并进行水力压裂，在矿山压力和水力压裂的共同作用下，坚硬悬顶11将沿着断裂线12在采空区2的边缘破断为切落岩块13，如图3所示；
为了保证定向水平钻孔5施工质量，钻孔施工设备采用泥浆脉冲无线随钻测量系统实现定向钻进，定向钻头直径为120mm。钻孔顺序为从下到上依次进行，钻进一孔水压致裂一孔，从孔底开始，隔14～18米进行一次压裂，每次压裂时间15～20分钟。为了保证压裂的均衡性，相邻钻孔压裂位置互相交错，即相邻钻孔压裂位置沿回采工作面1推进方向水平间距为7～9米。所有钻孔压裂完成后，对钻孔进行封堵，封堵长度为3～5米；
若从大巷4钻进的定向水平钻孔5无法覆盖回采工作面1推进长度时，可在大巷4和开切眼9处均施工定向水平钻孔5，两侧钻孔孔底间隔为20米，参见图1。
S4、水力压裂工作完成后，在回采工作面1和接替工作面8之间留设煤柱6，开挖沿空巷道7；
煤柱6的留设宽度为6～8米，开挖沿空巷道7时，若回采工作面1没有回采完毕，沿空巷道7掘进头在回采工作面1前方60～80米处时暂停掘巷，待沿空巷道7掘进头在回采工作面1后方120～160米处时重新开始掘巷；若沿空巷道7掘进方向与回采工作面1推进方向一致，保持沿空巷道7掘进头与回采工作面1的距离在200米以上。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、调研掌握回采工作面(1)的地质条件和施工环境，包括回采工作面(1)的推进长度，坚硬顶板(10)的岩性、厚度和层位，停采线(3)的位置，大巷(4)的高度、宽度，进而判断是否满足施工条件；
S2、若满足施工条件，则设计定向水平钻孔(5)的布置参数和水力压裂参数，准备钻孔施工和水力压裂设备；
S3、按照设计参数，在大巷(4)或开切眼(9)内朝回采工作面(1)方向施工定向水平钻孔(5)并进行水力压裂；
S4、水力压裂工作完成后，在回采工作面(1)和接替工作面(8)之间留设煤柱(6)，开挖沿空巷道(7)。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，其特征在于，步骤S1中要求回采工作面(1)的推进长度小于3000m，坚硬顶板(10)的厚度大于8米。
3.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，其特征在于，
步骤S2中定向水平钻孔(5)的施工个数为坚硬顶板(10)厚度的0.2～0.25倍数值，即相邻钻孔垂直距离为4～5米；
离煤层最近的定向水平钻孔(5)距离采空区(2)边缘的水平距离为1.5～2米，距离煤层顶板垂直距离大于5米；
钻孔在停采线(3)附近时进入到坚硬顶板(10)中，钻孔在坚硬顶板(10)中为直线并且相邻钻孔之间的连线角度与水平方向夹角为50°～60°。
4.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，其特征在于，
步骤S3中为了保证定向水平钻孔(5)的施工质量，钻孔施工设备采用泥浆脉冲无线随钻测量系统实现定向钻进，定向钻头直径为120mm，大巷(4)的高度、宽度要保障能够放置施工设备；
钻孔顺序为从下到上依次进行，钻进一孔则水压致裂一孔，从孔底开始，隔14～18米进行一次压裂，每次压裂时间15～20分钟；
相邻钻孔压裂位置互相交错，即相邻钻孔压裂位置沿回采工作面(1)推进方向水平间距为7～9米，保证压裂的均衡性；
所有钻孔压裂完成后，对钻孔进行封堵，封堵长度为3～5米。
5.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，其特征在于，
步骤S3中，若从大巷(4)钻进的定向水平钻孔(5)无法覆盖回采工作面(1)的推进长度时，在大巷(4)和开切眼(9)处均施工定向水平钻孔(5)，两侧钻孔孔底间隔为20米。
6.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向水压致裂沿空巷道快速掘巷方法，其特征在于，
步骤S4中煤柱(6)的留设宽度为6～8米；
开挖沿空巷道(7)时，若回采工作面(1)没有回采完毕，沿空巷道(7)掘进头在回采工作面(1)前方60～80米处时暂停掘巷，待沿空巷道(7)掘进头在回采工作面(1)后方120～160米处时重新开始掘巷；
若沿空巷道(7)掘进方向与回采工作面(1)推进方向一致，保持沿空巷道(7)掘进头与回采工作面(1)的距离在200米以上。
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