CN115182729A - 倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，所述方法首先依据现场地质条件及采场覆岩破坏特征，确定倾斜煤层穿小煤柱切顶卸压钻孔的位置及其倾角、孔深、孔径、孔距；其次在本工作面沿空巷道内沿其径向施工穿小煤柱的采场覆岩卸压钻孔，沿其轴向依据孔距依次施工相同工艺的穿小煤柱采场覆岩卸压钻孔，并依据上区段采场覆岩裂隙发育高度，将卸压钻孔分为深部和浅部两个区域；然后在卸压钻孔的深部区域安装预裂介质，浅部区域注浆封堵，实施采场深部覆岩切顶，使其向上区段采空区侧垮落，压实倾斜采空区内矸石，阻挡其向下方小煤柱侧滑落挤压。通过倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸技术，实现小煤柱及沿空巷道围岩稳定。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全开采技术领域，具体涉及一种倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法。
背景技术
留小煤柱沿空掘巷是我国常用的煤矿回采巷道布置和维护技术，即沿上区段工作面采空区边缘留设小煤柱掘进下区段工作面顺槽，留设小煤柱具有提高煤炭资源回收率和隔绝采空区瓦斯及有毒有害气体等优点。但是在工程实际应用中，在采空侧顶板悬臂岩梁及基本顶弧形三角块结构形成的侧向支承压力作用下，留小煤柱沿采空区掘出的巷道在服务期间变形量较大,维护较为困难,而制约了留小煤柱沿空掘巷的推广。
小煤柱及沿空巷道变形破坏受到的主要影响因素——在煤矿开采中，随着工作面继续推进，基本顶岩层会产生周期性“O-X”型破断，即工作面周期来压，工作面侧向顶板在采动过程中亦发生断裂垮落而形成稳定结构。在工作面端头处，基本顶破断后剩余部分悬露长度较短，形成悬臂梁结构。随着悬臂梁的旋转、下沉，基本顶在侧向煤体深部产生破断形成弧形三角块B，弧形三角块B前端与岩块A铰接，后端与岩块C铰接，形成“三铰拱”结构；其中岩块A为沿空巷道工作面基本顶岩块，位于本工作面端头上方；岩块C为上区段采空区基本顶垮落岩块，垮落后位于上区段采空区内；弧形三角块B对铰接结构稳定性和工作面侧向支承压力分布起主导作用，称为关键块，位于区段煤柱及沿空巷道上方。关键块B的空间形态、断裂位置、几何尺寸、运动状态及其稳定性将直接影响区段煤柱及沿空巷道的稳定性，其与岩块A的位置关系及铰接结构又进一步影响着本工作面回采时上覆岩层破断形态及工作面端头矿压显现特征。由于基本顶破断位置不同，基本顶关键块B向上区段采空区侧的回转角度、所引起的顶板下沉量也不同，造成的沿空巷道变形破坏程度、位置也不同。一般而言，当基本顶破断位置位于工作面煤壁内侧时，基本顶关键块B受到工作面煤壁和区段煤柱的共同支承作用，基本顶关键块B回转、下沉量较小，使得沿空巷道围岩变形量也相对较小；当基本顶破断位置位于沿空巷道上方时，基本顶关键块B受到区段煤柱和上区段采空区冒落矸石的支承作用，此时区段煤柱承受的上覆岩层载荷较大，基本顶关键块B回转、下沉量较大，所引起的沿空巷道围岩变形量也相对较大，沿空巷道顶板下沉、底鼓及巷道煤柱侧帮部变形、破坏最为严重；当基本顶破断位置位于区段煤柱上方时，基本顶关键块B仅受到部分区段煤柱和上区段采空区冒落矸石的支承作用，基本顶关键块B在区段煤柱采空区侧的回转、下沉量较大，但所引起的沿空巷道围岩变形量相对于基本顶破断位置位于沿空巷道上方时的会略有减小，仅造成巷道煤柱侧帮部的变形、破坏以及煤柱载荷的增大。
而进一步的对于倾斜煤层留小煤柱沿空掘巷来说，由于煤层倾斜造成工作面上下端头所受上部荷载不对称，小煤柱及沿空巷道受到比水平煤层时更大的影响，同时上区段采空区的矸石亦会由于倾角而向小煤柱侧滑落，增大其变形和破坏。
针对上述倾斜煤层留小煤柱沿空掘巷所遭遇的问题，依靠传统锚杆锚索对巷道加强支护无法有效控制围岩变形，穿小煤柱切断其上方悬臂岩梁，使悬臂岩梁向上区段采空区回转下沉，才能从根本削弱小煤柱和沿空巷道的应力集中，从而提高小煤柱和沿空巷道围岩的稳定性。
在申请号为201711005252.3的“一种用于沿空掘巷窄煤柱采空侧静态胀裂切顶卸压法”，申请号为201210261392.8的“受动压影响的小煤柱沿空掘巷巷旁切顶卸压方法”，以上两种专利均能够实现降低沿空巷道及小煤柱的支承压力及减小沿空巷道围岩变形的目的，但现有技术不足之处为：(1)上述两种方法均没有考虑煤层倾角对切顶的影响；(2)切顶深度不够，钻孔只打到基本顶位置，对上部岩层荷载削弱不够明显；(3)对于切顶位置，描述不够明确，没有足够具体的切顶钻孔参数；(4)其进行钻孔作业位置位于上区段采空区，而采空区瓦斯浓度大、顶板破碎，进行切顶爆破，施工困难且易发生危险；(5)切顶时机选择过早，在本工作面回采时对下区段留小煤柱沿空掘巷提前进行切顶，此时覆岩不够稳定，在切断本工作面悬臂岩梁后，矿压显现增大，将影响自身工作面的回采，同时考虑到下区段小煤柱上方覆岩将在下区段工作面回采时将受到二次采动影响，应在其覆岩稳定情况下再进行切顶。
综上所述，现有技术主要针对水平煤层留小煤柱沿空掘巷，且虽有提及但并未详细给出具体切顶位置，因而提出一种倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法具有重要实践意义。
发明内容：
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，针对倾斜煤层留小煤柱沿空掘巷，提供了一种具体可行的切顶位置确定方法，并通过浅部注浆加强了小煤柱，稳固了沿空巷道，同时通过深部切顶减小了上覆岩层荷载、本工作面采动、上区段采空区矸石滑落对小煤柱和本工作面沿空巷道的影响。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，具体步骤为：
S1、确定钻孔参数：依据现场地质条件及采场覆岩破坏特征计算确定所需钻孔参数，包括钻孔倾角α、孔深L4、孔径D、孔距L8；
钻孔倾角α：
式中：θ——煤层倾角，°；L1——本工作面沿空巷道宽度，m；L2——小煤柱宽度，m；L3——上区段巷道宽度，m；H1——裂隙带高度，可由现场实际结合经验公式得出，m；H2——本工作面沿空巷道高度，m；M——倾斜煤层厚度，m；
孔深L4：
孔径D：50～90mm；
孔距L8：
式中：L7为周期来压步距，依据相关文献可得
m；k——孔距系数，依据周期来压步距结合现场实际况选取；H4——基本顶岩层厚度，m；RT——基本顶岩层极限抗拉强度，kPa；q，上覆岩层作用在基本顶上的载荷，kPa；
S2、确定钻孔布置区域：超前本工作面20～30m，在本工作面沿空巷道顶板紧邻小煤柱处沿轴向布置若干组钻孔；
S3、钻孔施工：依据所述钻孔倾角α、孔深L4、孔径D在本工作面沿空巷道内沿其径向施工穿小煤柱的采场覆岩卸压钻孔，沿其轴向依据所述孔距L8依次施工相同的穿小煤柱的采场覆岩卸压钻孔；
S4、钻孔分区：依据上区段采场覆岩裂隙发育高度，将所述钻孔沿其径向分为钻孔深部区域和钻孔浅部区域；
S5、深部切顶：在所述钻孔深部区域安装预裂介质；
S6、浅部注浆：在所述钻孔浅部区域注浆加固，并封堵钻孔；
S7、进行切顶作业：封孔作业完成后，进行采场深部覆岩切顶；
进一步，所述钻孔以孔口E为起始位置，并以孔底G为钻孔终末位置；所述孔口E位于本工作面沿空巷道紧邻小煤柱侧上顶角处，所述孔底G位于在钻孔定位点F处所做的上区段巷道采空区侧巷帮铅垂线与覆岩裂隙发育高度沿岩层方向延长线的交点，所述钻孔定位点F位于上区段巷道紧邻采空区侧巷帮顶部；
进一步，所述钻孔浅部区域为本工作面沿空巷道顶板煤层及其直接顶岩层，其长度为
式中H3为直接顶岩层厚度；所述钻孔深部区域为所述直接顶岩层顶部至上区段采场覆岩裂隙带顶部，其长度为
进一步，在所述钻孔浅部区域和钻孔深部区域交接处存在由缓冲材料组成的阻隔层，阻挡所述钻孔深部区域切顶作业对钻孔浅部区域的影响；
进一步，所述钻孔布置区域位于本工作面超前支撑压力影响范围，切顶后减少本工作面采动对小煤柱和本工作面沿空巷道的影响；所述钻孔在轴向上依据所述孔距L8在上区段工作面周期来压步距范围内均匀布置k-1处；
进一步，在所述浅部注浆后，加强了煤柱，稳固了沿空巷道。
进一步，其特征在于，在所述切顶作业后，切断了小煤柱上方由基本顶至裂隙带顶部范围内的岩层，减少小煤柱和本工作面沿空巷道所受上覆岩层载荷；在所述切顶作业切断采场深部覆岩后，使其向上区段采空区侧垮落，压实倾斜采空区内矸石，阻挡其向下方小煤柱侧滑落挤压。
有益效果
与现有技术相比，本发明有益效果是：
1.本发明适用于倾斜煤层留小煤柱沿空掘巷，提供了一种具体的切实可行的切顶位置确定方法，可通过现场地质条件及采场覆岩破坏特征计算确定所需钻孔参数。
2.本发明在钻孔浅部区域进行注浆，加强了小煤柱，稳固了本工作面沿空巷道；本发明在钻孔深部区域进行切顶，切顶位置深，切断了小煤柱上方由基本顶至裂隙带顶部范围内的岩层，减少小煤柱和本工作面沿空巷道所受上覆岩层载荷；同时被切断的采场深部覆岩向上区段采空区侧垮落，压实倾斜采空区内矸石，阻挡其向下方小煤柱侧滑落挤压。
3.与传统的在上区段回采时进行切顶相比，在本区段工作面回采时切顶，此时小煤柱上覆岩层更加稳定，更有利于保护小煤柱，也不会干扰上区段回采；本发明进行钻孔作业的位置均位于本工作面沿空巷道，施工较为安全方便。
附图说明
图1是使用本发明切顶前正视图；
图2是使用本发明切顶中正视图；
图3是使用本发明切顶后正视图；
图4是本发明相关参数示意图；
图5是本发明俯视示意图；
图6是本发明钻孔局部示意图；
图7是本发明切顶卸压前后煤柱应力变化对比图。
图中：1-煤层底板；2-倾斜煤层；3-直接顶；4-基本顶；5-基本岩块A；6-基本岩块B；7-基本岩块C；8-本工作面沿空巷道；9-小煤柱；10-上区段巷道；11-上区段采空区；12-上区段巷道采空区侧巷帮铅垂线；13-切顶钻孔方位线；14-覆岩裂隙发育高度沿岩层方向延长线；15-钻孔浅部区域；16-阻隔层；17-钻孔深部区域；18-切顶钻孔；19-本工作面后方采空区；20-孔口E；21-钻孔定位点F；22-孔底G。
具体实施方式
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，见附图1至附图7所述，具体步骤为：
S1、确定钻孔参数：钻孔以位于本工作面沿空巷道8紧邻小煤柱9侧上顶角处的孔口E20为起始位置，并以位于在上区段巷道10紧邻采空区侧巷帮顶部的钻孔定位点F21处所做的上区段巷道采空区侧巷帮铅垂线12与覆岩裂隙发育高度沿岩层方向延长线14的交点的孔底G22为钻孔终末位置，依据现场地质条件及采场覆岩破坏特征计算确定所需钻孔参数，包括钻孔倾角α、孔深L4、孔径D、孔距L8；
钻孔倾角α：
式中：θ——煤层倾角，°；L1——本工作面沿空巷道8宽度，m；L2——小煤柱9宽度，m；L3——上区段巷道10宽度，m；H1——裂隙带高度，m，裂隙带高度可由表1计算获得；H2——本工作面沿空巷道8高度，m；M——倾斜煤层2厚度，m；
表1裂隙带高度计算公式
孔深L4：
孔径D：50～90mm；
孔距L8：
式中：L7为周期来压步距，依据相关文献可得
m；k——孔距系数，依据周期来压步距结合现场实际况选取；H4——基本顶4岩层厚度，m；RT——基本顶4岩层极限抗拉强度，kPa；q，上覆岩层作用在基本顶4上的载荷，kPa；
S2、确定钻孔布置区域：超前本工作面20～30m，在本工作面沿空巷道8顶板紧邻小煤柱9处沿轴向布置若干组钻孔，钻孔布置区域位于本工作面超前支撑压力影响范围，切顶后减少本工作面采动对小煤柱9和本工作面沿空巷道8的影响；所述钻孔在轴向上依据所述孔距在上区段工作面周期来压步距范围内均匀布置k-1处；
S3、钻孔施工：依据所述钻孔倾角α、孔深L4、孔径D在本工作面沿空巷道8内沿其径向施工穿小煤柱9的采场覆岩卸压钻孔，沿其轴向依据所述孔距依次施工相同的穿小煤柱9的采场覆岩卸压钻孔；
S4、钻孔分区：依据上区段采场覆岩裂隙发育高度，将所述钻孔沿其径向分为钻孔深部区域17和钻孔浅部区域15；钻孔浅部区域15为本工作面沿空巷道8顶板煤层及其直接顶3岩层，其长度为
式中H3为直接顶3岩层厚度；钻孔深部区域17为所述直接顶3岩层顶部至上区段采场覆岩裂隙带顶部，其长度为
在钻孔浅部区域15和钻孔深部区域17交接处存在由缓冲材料组成的阻隔层16，阻挡所述钻孔深部区域17切顶作业对钻孔浅部区域15的影响；
S5、深部切顶：在所述钻孔深部区域17安装预裂介质；
S6、浅部注浆：在所述钻孔浅部区域15注浆加固，并封堵钻孔；浅部注浆加强了煤柱，稳固了沿空巷道；
S7、进行切顶作业：封孔作业完成后，进行采场深部覆岩切顶；切顶作业切断了小煤柱9上方由基本顶8至裂隙带顶部范围内的岩层，减少小煤柱9和本工作面沿空巷道8所受上覆岩层载荷；在切顶作业切断采场深部覆岩后，断裂的覆岩向上区段采空区11侧垮落，压实倾斜采空区内矸石，阻挡其向下方小煤柱9侧滑落挤压。
如图7所述通过现场矿压数据监测，对使用倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法进行切顶的工作面和未使用的工作面的小煤柱所受垂直应力进行对比可得，在切顶后小煤柱所受上部荷载明显降低，卸压效果明显。
以上所述仅为专利的具体实施方式，但本专利不仅仅局限于这一种实施方式，凡通过本专利的启发，依本专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (7)
1.倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定钻孔参数：依据现场地质条件及采场覆岩破坏特征计算确定所需钻孔参数，包括钻孔倾角α、孔深L4、孔径D、孔距L8；
钻孔倾角α：
式中：θ——煤层倾角，°；L1——本工作面沿空巷道(8)宽度，m；L2——小煤柱(9)宽度，m；L3——上区段巷道(10)宽度，m；H1——裂隙带高度，可由现场实际结合经验公式得出，m；H2——本工作面沿空巷道(8)高度，m；M——倾斜煤层(2)厚度，m；
孔深L4：
孔径D：取值范围50～90mm；
孔距L8：
式中：L7为周期来压步距，依据相关文献可得
m；k——孔距系数，依据周期来压步距结合现场实际情况选取；H4——基本顶(4)岩层厚度，m；RT——基本顶(4)岩层极限抗拉强度，kPa；q，上覆岩层作用在基本顶(4)上的载荷，kPa；
S2、确定钻孔布置区域：超前本工作面20～30m，在本工作面沿空巷道(8)顶板紧邻小煤柱(9)处沿轴向布置若干组钻孔；
S3、钻孔施工：依据所述钻孔倾角α、孔深L4、孔径D在本工作面沿空巷道(8)内沿其径向施工穿小煤柱(9)的采场覆岩卸压钻孔，沿其轴向依据所述孔距L8依次施工相同的穿小煤柱(9)的采场覆岩卸压钻孔；
S4、钻孔分区：依据上区段采场覆岩裂隙发育高度，将所述钻孔沿其径向分为钻孔深部区域(17)和钻孔浅部区域(15)；
S5、深部切顶：在所述钻孔深部区域(17)安装预裂介质；
S6、浅部注浆：在所述钻孔浅部区域(15)注浆加固，并封堵钻孔；
S7、进行切顶作业：封孔作业完成后，进行采场深部覆岩切顶。
2.根据权利要求1所述的倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，其特征在于，所述钻孔以孔口E(20)为起始位置，并以孔底G(22)为钻孔终末位置；所述孔口E(20)位于本工作面沿空巷道(8)紧邻小煤柱(9)侧上顶角处，所述孔底G(22)位于在钻孔定位点F(21)处所做的上区段巷道采空区侧巷帮铅垂线(12)与覆岩裂隙发育高度沿岩层方向延长线(14)的交点，所述钻孔定位点F(21)位于上区段巷道(10)紧邻采空区侧巷帮顶部。
3.根据权利要求1所述的倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，其特征在于，所述钻孔浅部区域(15)为本工作面沿空巷道(8)顶板煤层及其直接顶(3)岩层，其长度为
式中H3为直接顶(3)岩层厚度；所述钻孔深部区域(17)为所述直接顶(3)岩层顶部至上区段采场覆岩裂隙带顶部，其长度为
4.根据权利要求1所述的倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，其特征在于，在所述钻孔浅部区域(15)和钻孔深部区域(17)的交接处存在由缓冲材料组成的阻隔层(16)，阻挡所述钻孔深部区域(17)切顶作业对钻孔浅部区域(15)的影响。
5.根据权利要求1所述的倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，其特征在于，所述钻孔布置区域位于本工作面超前支撑压力影响范围，切顶后减少本工作面采动对小煤柱(9)和本工作面沿空巷道(8)的影响；所述钻孔在轴向上依据所述孔距L8在上区段工作面周期来压步距范围内均匀布置k-1处。
6.根据权利要求1所述的倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，其特征在于，在所述浅部注浆后，加强了小煤柱(9)，稳固了本工作面沿空巷道(8)。
7.根据权利要求1所述的倾斜煤层穿小煤柱深切浅注阻矸护巷技术及切顶位置确定方法，其特征在于，在所述切顶作业后，切断了小煤柱(9)上方由基本顶(8)至裂隙带顶部范围内的岩层，减少小煤柱(9)和本工作面沿空巷道(8)所受上覆岩层载荷；在所述切顶作业切断采场深部覆岩后，断裂的覆岩向上区段采空区(11)侧垮落，压实倾斜采空区内矸石，阻挡其向下方小煤柱(9)侧滑落挤压。
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