CN114575844A - 基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，包括：获取煤层顶板的地质参数；根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮向煤层顶板倾斜钻孔，使得施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中；基于位于基本顶的钻孔所在的区段，对基本顶进行水力压裂；基于位于直接顶的钻孔所在的区段，对直接顶进行注浆加固。本发明不仅在工艺上优化了压裂和注浆作业程序，提高了作业效率，而且能缓解坚硬顶板难以垮落引起的高超前支承压力和侧向支承压力对巷道围岩稳定性的影响，提高巷道局部顶板结构完整性和承载能力，在一定程度上转移区段煤柱上方的应力，达到控制巷道围岩变形的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法。
背景技术
在煤矿开采中，通常采用留设煤柱的双巷掘进方法进行施工，例如，在回采工作面的一侧间隔地开掘有第一巷道与第二巷道，以在第一巷道与第二巷道之间形成煤柱。虽然双巷掘进技术管理简单，工作面接续速度快，有利于施工中的通风、运输、排水和安全，但是，在施工中，两条巷道同时受到工作面超前支承压力和侧向支承压力的影响，提前掘进的作为辅助运输的第二巷道更易承受两侧回采的影响，出现巷道持续变形，严重影响通风、运输和工作面推进作业，并在挑顶和卧底施工后需要重新进行巷道顶板支护，巷道维护困难，严重影响回采进度。尤其是，在上覆岩层存在厚硬基本顶时，基本顶难以随着回采工作面的回采推进及时垮落，煤柱内积聚的高应力使其具有较高的冲击和煤与瓦斯突出危险性，威胁矿井安全生产。
巷道围岩控制的常用方法主要有加固法、卸压法等，加固法主要包括锚杆(索)支护、型钢支护、注浆等，卸压法主要包括钻孔卸压、水力压裂、深孔爆破等。注浆法主要是在将浆液以一定压力注入巷道围岩后，浆液扩散充填一定范围内的巷道破碎围岩裂隙，有效增加围岩完整性和锚固支护效果。与此同时，水力压裂具有安全、高效、可控的技术优势。
然而，在遇到煤层的上方为破碎的直接顶和厚硬的基本顶的赋存条件时，在煤矿开采中，难以及时垮落的厚硬基本顶引起的较高超前支承受压力和侧向支撑压力会使巷道围岩处在高应力环境，而破碎的直接顶又会使巷道顶板变形量进一步加大，且锚杆支护的预应力场难以有效扩散，无法形成一定强度的围岩承载结构，顶板支护效果差，难以控制巷道围岩的变形。在这种情况下，通常对回采工作面的厚硬基本顶进行卸压，并对第一巷道的直接顶进行注浆加固，但是，由于卸压与注浆加固均是在第一巷道内进行分步施工，施工操作不仅会与第一巷道的回采工作面的运煤作业相互干扰，而且由于卸压与注浆加固采用分时段分步施工方式，效率较低。
发明内容
本发明提供一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，用以解决或改善在留煤柱双巷掘进方法中采用卸压与加固工艺对巷道围岩进行控制时，卸压与加固的工艺操作与第一巷道的运输作业相互影响，并存在作业效率低下的问题。
本发明提供一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，包括：获取煤层顶板的地质参数；根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮向煤层顶板倾斜钻孔，使得施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中；基于位于基本顶的钻孔所在的区段，对基本顶进行水力压裂；基于位于直接顶的钻孔所在的区段，对直接顶进行注浆加固。
根据本发明提供的一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，所述煤层顶板的地质参数包括：直接顶的层位高度与强度参数和基本顶的层位高度与强度参数。
根据本发明提供的一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，所述根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮向煤层顶板倾斜钻孔，使得施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中的步骤，包括：根据地质参数，确定钻孔的开孔位置、钻进方向及钻进长度；根据所述开孔位置、所述钻进方向及所述钻进长度，沿煤柱侧巷帮朝向煤层顶板进行钻孔施工。
根据本发明提供的一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，所述根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮向煤层顶板倾斜钻孔，使得施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中的步骤，进一步包括：沿回采工作面的回采方向，在采空区的前侧的煤柱侧巷帮，朝向煤层顶板依次间隔施作多个所述钻孔。
根据本发明提供的一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，多个所述钻孔沿所述回采方向并排布置。
根据本发明提供的一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，多个所述钻孔当中相邻的两者的间距相同；或者，多个所述钻孔当中相邻的两者的间距是根据矿压监测数据、巷道来压情况及相邻钻孔的出水情况当中的至少一者确定的。
根据本发明提供的一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，所述基于位于基本顶的钻孔所在的区段，对基本顶进行水力压裂的步骤，包括：根据所述地质参数，确定所述钻孔在所述基本顶中的第一区段的位置，以及对所述基本顶进行水力压裂的压裂参数；基于所述第一区段的位置与所述压裂参数，对所述基本顶进行水力压裂。
根据本发明提供的一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，所述基于直接顶的钻孔所在的区段，对直接顶进行注浆加固的步骤，包括：根据所述地质参数，确定所述钻孔在所述直接顶中的第二区段的位置，以及对所述直接顶进行注浆的注浆参数；基于所述第二区段的位置与所述注浆参数，对所述直接顶进行注浆加固。
本发明提供的一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，在煤矿开采遇到煤层的上方为破碎的直接顶和厚硬的基本顶的赋存条件时，通过在第二巷道内的煤柱侧巷帮朝向煤层顶板进行钻孔施工，并基于施作的同一钻孔对回采工作面上方厚硬的基本顶进行卸压，以及对第一巷道上方的破碎的直接顶进行注浆加固，不仅在工艺上解决了钻孔、卸压、注浆施工与第一巷道的回采运煤过程的相互干扰与影响，而且利用同一钻孔实现分段水力压裂与注浆加固施工，简化了作业程序，提高了作业效率。
与此同时，本发明通过对煤层靠近巷道区域的回采工作面上方的厚硬基本顶进行水力压裂弱化，使靠近第一巷道的采空区顶板能及时垮落，可减小悬顶面积，减小回采工作面的超前支承压力和侧向支承压力对巷道的影响，减弱顶板及煤柱内应力集中水平，控制或削弱顶板来压的强度和可能带来的冲击性，缓解双巷围岩的高应力。
另外，本发明通过对第一巷道的破碎的直接顶的位置进行注浆加固，可以有效提高巷道顶板局部围岩的整体性和强度，能够使锚杆、锚索支护形成的预应力场有效扩散，增加围岩承载结构强度，有效控制第一巷道的围岩变形。
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是本发明提供的基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法的流程示意图；
图2是本发明提供的对煤层顶板进行钻孔施工的俯视结构示意图；
图3是本发明提供的基于图2的A-A结构示意图。
附图标记：
100：煤层；110：直接顶；120：基本顶；1：第一巷道；2：煤柱；3：第二巷道；4：回采工作面；41：采空区；5：钻孔；51：第一区段；52：第二区段；6：压裂裂隙。
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。
下面结合图1-图3描述本发明的一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法。
如图1所示，本实施例提供一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，包括如下步骤：
步骤110，获取煤层顶板的地质参数。
步骤120，根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮向煤层顶板倾斜钻孔，使得施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中。
步骤130，基于位于基本顶的钻孔所在的区段，对基本顶进行水力压裂。
步骤140，基于位于直接顶的钻孔所在的区段，对直接顶进行注浆加固。
具体地，本实施例所示的方法面向的是煤层的上方为破碎的直接顶和厚硬的基本顶的赋存条件，在煤矿开采中，通过在第二巷道内的煤柱侧巷帮朝向煤层顶板进行钻孔施工，并基于施作的同一钻孔对回采工作面上方厚硬的基本顶进行卸压，以及对第一巷道上方的破碎的直接顶进行注浆加固，不仅在工艺上解决了钻孔、卸压、注浆施工与第一巷道的回采运煤过程的相互干扰与影响，而且利用同一钻孔实现分段水力压裂与注浆加固施工，简化了作业程序，提高了作业效率。
与此同时，本实施例通过对煤层靠近巷道区域的回采工作面上方的厚硬基本顶进行水力压裂弱化，使靠近第一巷道的采空区顶板能及时垮落，可减小悬顶面积，减小回采工作面的超前支承压力和侧向支承压力对巷道的影响，减弱顶板及煤柱内应力集中水平，控制或削弱顶板来压的强度和可能带来的冲击性，缓解双巷围岩的高应力。
另外，本实施例通过对第一巷道的破碎的直接顶的位置进行注浆加固，可以有效提高巷道顶板局部围岩的整体性和强度，能够使锚杆、锚索支护形成的预应力场有效扩散，增加围岩承载结构强度，有效控制第一巷道的围岩变形。
在此，基于同一钻孔的分段卸压与注浆加固的综合作用，可共同改善巷道和区段煤柱的应力环境，局部加固围岩，以及控制巷道围岩变形的目的，在确保第一巷道的正常作业的同时，还为第二巷道保留下来作为下区段回风巷道提供条件。
其中，本实施例具体采用钻孔窥视仪检测煤层顶板的岩性，以获取煤层顶板的地质参数，该地质参数包括直接顶的层位高度与强度参数和基本顶的层位高度与强度参数。
在一些实施例中，为了便于根据获取的煤层顶板的地质参数，精确地进行钻孔施工，本实施例所示的根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮向煤层顶板倾斜钻孔，使得施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中，包括但不限于如下步骤：
根据地质参数，确定钻孔的开孔位置、钻进方向及钻进长度；根据开孔位置、钻进方向及钻进长度，沿煤柱侧巷帮朝向煤层顶板进行钻孔施工。
其中，本实施例所示的开孔位置是在煤柱侧巷帮进行钻孔施工的位置，钻进方向是由钻孔的轴向相对于水平面的夹角确定的，钻进长度与钻孔的长度相对。在此，本实施例基于钻孔的开孔位置、钻进方向及钻进长度，可采用钻机精确地进行钻孔施工，确保施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中，以为后续基于钻孔对煤层顶板进行分段压裂与注浆加固做准备。
在一些实施例中，为确保对煤层顶板进行分段压裂与注浆加固的效果，本实施例所示的根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮向煤层顶板倾斜钻孔，使得施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中，包括但不限于如下步骤：
沿回采工作面的回采方向，在采空区的前侧的煤柱侧巷帮，朝向煤层顶板依次间隔施作多个钻孔。
在此，本实施例施作的每个钻孔均确保穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中，但是，各个钻孔既可平行布置，又可彼此间形成一定的夹角，在此不做具体限定。
优选地，为了确保钻孔操作的便捷性，增强对煤层顶板进行分段压裂与注浆加固的效果，本实施例将施作的多个钻孔沿回采工作面的回采方向并排布置。
其中，本实施例可具体设置多个钻孔当中相邻的两者的间距相同；或者，多个钻孔当中相邻的两者的间距是根据矿压监测数据、巷道来压情况及相邻钻孔的出水情况当中的至少一者确定的。
在一些实施例中，为了准确地对回采工作面的上侧的厚硬的基本顶进行卸压，本实施例所示的基于位于基本顶的钻孔所在的区段，对基本顶进行水力压裂，包括但不限于如下步骤：
根据地质参数，确定钻孔在基本顶中的第一区段的位置，以及对基本顶进行水力压裂的压裂参数；基于第一区段的位置与压裂参数，对基本顶进行水力压裂。
在实际操作的过程中，本实施例通过将水力压裂装置递送至钻孔的第一区段，通过控制水压、压裂时间等压裂参数，实现对回采工作面的上侧厚硬的基本顶的水力压裂。
在一些实施例中，为了准确地对第一巷道的上侧的破碎的直接顶进行水泥注浆加固，本实施例所示的基于直接顶的钻孔所在的区段，对直接顶进行注浆加固，包括但不限于如下步骤：
根据地质参数，确定钻孔在直接顶中的第二区段的位置，以及对直接顶进行注浆的注浆参数；基于第二区段的位置与注浆参数，对直接顶进行注浆加固。
其中，本实施例所示的注浆参数具体包括注浆压力、注浆时间及在第二区段的注浆位置。
如图2与图3所示，本发明以某矿井的回采工作面的回采为例，介绍上述实施例所示的基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，具体参照如下步骤：
步骤1，在提前掘进的第一巷道1与第二巷道3的区域进行矿井围岩钻孔地质力学测试，确定煤层顶板的结构与围岩强度，获取直接顶110与基本顶120的层位高度和强度参数，为下一步对钻孔5的施工设计提供相应初始参数。如图3所示，第一巷道1与第二巷道3之间留设有一定宽度的煤柱2，煤柱2所在的煤层100相对于水平面的倾角为θ。
步骤2，根据获取的煤层顶板的层位高度和强度参数，确定在第二巷道3内的煤柱侧巷帮进行钻孔5的开孔位置，计算钻孔5布置的角度与钻进总长度，同时确定钻孔5在基本顶120内的第一区段51的长度、位置和分段压裂参数，确定钻孔5在直接顶110内的第二区段52的长度、位置和注浆参数。
步骤3，沿回采工作面4的回采方向，在采空区41的前侧，以预设间距开始，在第二巷道3内的煤柱侧巷帮按照计算的钻孔5的开孔位置、钻进方向及钻进长度，采用钻机朝向煤层顶板倾斜向上打孔，得到施作的钻孔5。其中，图2中的箭头示意的方向为回采方向。
步骤4，从初始孔位置开始，按照上述步骤3的操作，在第二巷道3内的煤柱侧巷帮，沿着回采工作面4的回采方向，以一定的设计间隔，打设一组多个依次排列的相同规格的钻孔5，初始的两个相邻的钻孔5的间隔为8～10m，后期可以通过矿压监测数据、巷道来压情况及相邻的钻孔5的出水情况，综合判断卸压效果，实时动态调整相邻的两个钻孔5的间隔参数。
步骤5，对于每个施作的钻孔5，在计算的钻孔5的第一区段51范围内，从上到下依次在多个预先设计的分段压裂位置，进行水力压裂卸压的切缝和压裂施工，在对回采工作面4的上方的厚硬的基本顶120中形成压裂裂隙6，实现对基本顶120的弱化与压裂，减少悬顶面积。
步骤6，在水力压裂结束后，从钻孔5中取出分段压裂装置，按照计算的钻孔5的第二区段52的位置，通过注浆设备利用水泥浆注浆材料依次进行注浆，从而在第一巷道1的上方破碎的直接顶110进行注浆加固。
步骤7，由于钻孔5注浆的范围有一定限度，注浆后形成一定间隔的条带注浆区域，无法在相邻的两个钻孔5之间的区域实现直接顶110的全范围注浆，后期可以根据巷道范围的顶板稳定性和变形情况，在第一巷道1内，小范围地用锚杆钻机向直接顶110打注浆钻孔5，并补充注浆。
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 (8)
1.一种基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，其特征在于，包括：获取煤层顶板的地质参数；
根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮朝向煤层顶板倾斜钻孔，使得施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中；
基于位于基本顶的钻孔所在的区段，对基本顶进行水力压裂；
基于位于直接顶的钻孔所在的区段，对直接顶进行注浆加固。
2.根据权利要求1所述的基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，其特征在于，所述煤层顶板的地质参数包括：直接顶的层位高度与强度参数和基本顶的层位高度与强度参数。
3.根据权利要求1所述的基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，其特征在于，所述根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮朝向煤层顶板倾斜钻孔，使得施作的钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中的步骤，包括：
根据地质参数，确定钻孔的开孔位置、钻进方向及钻进长度；
根据所述开孔位置、所述钻进方向及所述钻进长度，沿煤柱侧巷帮朝向煤层顶板进行钻孔施工。
4.根据权利要求1所述的基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，其特征在于，所述根据地质参数，在第二巷道内的煤柱侧巷帮向煤层顶板倾斜钻孔，使得钻孔穿过第一巷道的直接顶，并伸入至回采工作面的基本顶中的步骤，进一步包括：
沿回采工作面的回采方向，在采空区的前侧的煤柱侧巷帮，朝向煤层顶板依次间隔施作多个所述钻孔。
5.根据权利要求4所述的基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，其特征在于，多个所述钻孔沿所述回采方向并排布置。
6.根据权利要求5所述的基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，其特征在于，多个所述钻孔当中相邻的两者的间距相同。
7.根据权利要求1至6任一所述的基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，其特征在于，所述基于位于基本顶的钻孔所在的区段，对基本顶进行水力压裂的步骤，包括：
根据所述地质参数，确定所述钻孔在所述基本顶中的第一区段的位置，以及对所述基本顶进行水力压裂的压裂参数；
基于所述第一区段的位置与所述压裂参数，对所述基本顶进行水力压裂。
8.根据权利要求1至6任一所述的基于双巷掘进的巷道顶板分段卸压与加固控制方法，其特征在于，所述基于直接顶的钻孔所在的区段，对直接顶进行注浆加固的步骤，包括：
根据所述地质参数，确定所述钻孔在所述直接顶中的第二区段的位置，以及对所述直接顶进行注浆的注浆参数；
基于所述第二区段的位置与所述注浆参数，对所述直接顶进行注浆加固。
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| CN116220680A (zh) * | 2023-02-02 | 2023-06-06 | 中煤科工开采研究院有限公司 | 冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法 |
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