CN115539037A - 一种近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿开采技术领域。涉及一种近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法，在煤柱应力集中区上方的近距离坚硬厚顶板内部指定位置切割制造预置裂隙，形成结构弱面；同时在煤柱应力集中区制造悬空空间，利用上覆顶板自身的压力作用，使近距离坚硬厚顶板沿结构弱面自行断裂，从而阻断近距离坚硬厚顶板内的压力向临空煤柱及工作面的传递路径，实现煤柱内高应力区卸荷消能，有效防治冲击地压灾害，减少巷道变形量，提高矿井安全经济效益。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，涉及一种近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法。
背景技术
随着煤矿开采机械化逐渐推广，高开采强度下矿山压力问题日益凸显，特别是近距离坚硬厚顶板条件下的冲击地压灾害防治及巷道维护工作尤为困难，冲击地压灾害直接造成作业人员人生安全危险及财产损失，巷道支护困难同样对采掘工作面人员及设备带来极大安全威胁。目前近距离坚硬顶板处理的技术手段：一是增大巷道内支护的结构强度，考虑到沿空巷道不同于开拓和准备巷道，其使用时间短，该方法效果有限且成本过高；二是对煤柱上方顶板采取爆破断顶措施，以转移此间围岩应力，降低冲击地压动力来源的同时削弱长距离悬顶对巷道支护结构的作用，达到减少巷道变形的目的，但是该种技术手段大量使用炸药，爆破不仅存在安全风险，炸药类管控物资的同样影响煤矿正常的生产部署。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于解决综合机械化采煤工作面采空区侧煤柱应力集中带来的冲击地压及巷道维护难题，提供一种近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法，在煤柱应力集中区上方的近距离坚硬厚顶板内部指定位置切割制造预置裂隙，形成结构弱面；同时在煤柱应力集中区制造悬空空间，利用上覆顶板自身的压力作用，使近距离坚硬厚顶板沿结构弱面自行断裂，从而阻断近距离坚硬厚顶板内的压力向临空煤柱及工作面的传递路径，实现煤柱内高应力区卸荷消能。
进一步，近距离坚硬厚顶板内的预置裂隙采用高压磨料水射流切割；煤柱应力集中区采用高压射流切割，对煤层进行高压冲孔形成连续悬空空间。
进一步，包括以下步骤：
S1、划分煤柱集中应力区：根据巷道围岩岩性及煤层赋存参数对巷道按30米进行区段划分，在每个区段内每间隔5米交替采用钻屑量检测与油压枕应力计检测进行应力分析，获得区域内巷道围岩应力连续分布特征，根据巷道围岩应力连续分布特征将临空宽煤柱内部区域划分为：围岩塑性区、集中应力区；
S2、确定切顶钻孔参数：根据区域综合柱状图及工作面内上向探孔取芯数据获得近距离坚硬顶板的层位、厚度、岩性赋存特征，结合S1中集中应力区范围确定高压磨料水射流切割钻孔孔位、孔深及倾角、施工范围；根据近距离坚硬顶板岩性并结合地面试验确定高压磨料水射流切割的磨料混合比、系统压力、喷嘴内径、切割范围及射流旋转速度；
根据S1得出的集中应力区范围以及近距离坚硬顶板的层位、厚度参数确定预置裂隙切割钻孔的孔位、孔深、倾角以及施工范围；
S3、煤层冲底钻孔参数确定：通过传递岩梁理论校核近距离坚硬顶板的强度，并结合预置裂隙的位置及强度校核结果确定悬空面积及结构尺寸，通过力学计算得出冲孔悬空范围；
S4、实施顶板切割钻孔；超前工作面300米距离，采用高压磨料水射流切割系统，根据S2确定的预置裂隙切割钻孔参数钻进至设计位置后，将系统压力、磨料混合比及射流旋转速度调至S2中设计值，混合射流从磨料割缝器内部喷出对孔壁岩石进行切割，在近距离坚硬顶板内形成结构弱面；
S5、实施煤层冲底钻孔；超前工作面100米距离，采用高压射流切割系统，根据S3确定煤层冲底钻孔参数钻进至设计位置后，水射流从割缝器内部喷出对煤层进行高压冲孔，在结构弱面下方形成连续悬空空间；
在上覆顶板压力作用下，近距离坚硬厚顶板沿着S4中的结构弱面开始断裂，阻断近距离坚硬厚顶板在采空区内长距离悬顶带来的矿山压力集中向临空煤柱及工作面的传递路径。
进一步，步骤S2中，切顶钻孔参数为：当岩层坚固性系数为8～10时，采用磨料水混配质量浓度为6％，射流压力为50MPa、磨料喷嘴内径为3mm、射流旋转速度为90r/min，钻孔布置间距为4～5米；
当岩层坚固性系数为10～14时，采用磨料水混配质量浓度为9％，射流压力为65MPa、磨料喷嘴内径为2.7mm、射流旋转速度为60r/min，钻孔布置间距为3～4米。
进一步，步骤S3中煤层冲底钻孔参数为：当煤层坚固性系数为0.5～0.8时，系统压力40MPa，喷嘴直径3.1mm，钻孔布置间距1.2米；当煤层坚固性系数为0.8～1.2时，系统压力50MPa，喷嘴直径2.9mm，钻孔布置间距1米；当煤层坚固性系数为1.2～1.6时，系统压力60MPa，喷嘴直径2.7mm，钻孔布置间距0.8米。
进一步，步骤S4中高压磨料系统孔外管路采用高压软管连接，高压软管外采用柔性连接多节刚性圆环进行二次保护及泄漏预警。
本发明的有益效果在于：
本发明采用的高压磨料水射流在近距离坚硬顶板内部预置缝槽、煤层应力集中区大范围冲底的技术方案，在弱化顶板强度的同时人工形成大范围悬顶空间，利用上覆顶板自身压力作用，使近距离坚硬厚顶板沿着坚硬顶板内预置裂隙开始断裂，阻断近距离坚硬厚顶板在采空区内长距离悬顶带来的矿山压力集中向临空煤柱及工作面的传递路径，实现煤柱内高应力区卸荷消能以及消除工作面回采巷道变形的动力来源，有效防治冲击地压灾害，减少巷道变形量，提高矿井安全经济效益。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明中近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法施工示意图；
图2为本发明中实施顶板切割钻孔示意图；
图3为本发明中实施煤层冲底钻孔示意图；
图4为本发明中切顶钻孔与冲底钻孔开孔位置关系示意图。
附图标记：1-近距离坚硬厚顶板；2-围岩塑性区；3-应力集中区；4-采空区；1.1-高压泵；1.2-高压软管；1.3-磨料混配装置；1.4-高压水尾；1.5-高压钻杆；1.6-磨料割缝器；2.1-高压泵；2.2-高压软管；2.3-高压水尾；2.4-高压钻杆；2.5-割缝器；3.1-预制裂隙；3.2-悬空空间；4.1-切顶钻孔；4.2-冲底钻孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～4，为一种近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法，在煤柱应力集中区上方的近距离坚硬厚顶板1内部指定位置切割制造预置裂隙3.1，形成结构弱面；同时在煤柱应力集中区3制造悬空空间3.2，利用上覆顶板自身的压力作用，使近距离坚硬厚顶板1沿结构弱面自行断裂，从而阻断近距离坚硬厚顶板1内的压力向临空煤柱及工作面的传递路径，实现煤柱内高应力区卸荷消能。
具体实施过程包括如下步骤：
S1，对待采取措施巷道进行区域划分，根据巷道围岩变化情况，按照30米的范围划分为不同区段。每个区段内每间隔5米进行一次应力环境检测，交替采用钻屑量、油压枕应力计进行，根据实测应力分布划分煤柱侧煤体的围岩塑性区2、应力集中区3。
S2，收集措施执行区域内地质钻孔资料及综合柱状图，每间隔30米距离向煤柱上方顶板施工探测钻杆实测近距离坚硬顶板层位、厚度、岩性等赋存特征，结合S1中应力分析获得的应力集中区3范围、S2中上向探孔获得的主承载岩梁层位确定切顶钻孔4.1的施工参数；
采用实测取芯岩样开展地面高压磨料水射流切割并确定磨料混合比、系统压力、喷嘴内径、切割范围及射流旋转速度。当岩梁坚固性系数为8～10时，采用质量浓度6％的混配磨料水、50MPa射流压力、3mm磨料喷嘴内径、90r/min射流旋转速度切割范围为岩梁应力集中区3，钻孔布置间距M为4～5米；当岩梁坚固性系数为10～14时，采用质量浓度9％的混配磨料水、65MPa射流压力、2.7mm磨料喷嘴内径、60r/min射流旋转速度、切割范围为岩梁应力集中区3，钻孔布置间距M为3～4米。
S3，根据S2中资料收集及钻探实测收集的坚硬顶板赋存及岩性数据以组合梁理论校核顶板最大悬顶跨度，确定煤层内冲孔范围。根据煤层力学参数确定冲底钻孔4.2间距S：当岩梁坚固性系数为0.5～0.8时，采用40MPa系统压力、3.1毫米喷嘴直径，按钻孔间距S＝1.2米布置冲底钻孔4.2；当岩梁坚固性系数为0.8～1.2时，采用50MPa系统压力、2.9毫米喷嘴直径冲刷、按钻孔间距S＝1.0米布置冲底钻孔4.2；当岩梁坚固性系数为1.2～1.6时，采用60MPa系统压力、2.7毫米喷嘴直径冲刷，按钻孔间距S＝0.8米布置冲底钻孔4.2。
S4，超前工作面推进位置300米处按S2中确定的切顶钻孔4.1孔位参数完成高压磨料水射流切顶钻孔4.1，钻机将顶板钻孔施工到设计位置后按顺序连接高压泵1.1、高压软管1.2、磨料混配装置1.3、高压水尾1.4、高压钻杆1.5、磨料割缝器1.6形成前混合式割缝系统，按S2中确定的磨料混合比、系统压力、喷嘴内径、切割范围及射流旋转速度施工参数对孔壁岩石进行切割，在近距离坚硬顶板内形成环形预置裂隙。
S5，超前工作面位置100米处根据S3确定的钻孔间距按照113毫米孔径施工冲底钻孔4.2，依次连接高压泵2.1、高压软管2.2、高压水尾2.3、高压钻杆2.4、割缝器2.5，形成高压水射流切割系统。割缝器喷嘴直径、割缝系统压力由S3给出，高压射流由割缝器冲出对煤层进行高压冲刷，在顶板内切割位置的下方形成大面积连续悬顶。在原有矿山顶板压力的作用下，近距离坚硬顶板沿着预置裂隙尖端继续扩展最终整体断裂，阻断近距离坚硬厚顶板1在采空区4内长距离悬顶带来的矿山压力集中向临空煤柱及工作面的传递路径，实现煤柱内高应力区卸荷消能以及消除工作面回采巷道变形的动力来源。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法，其特征在于：在煤柱应力集中区上方的近距离坚硬厚顶板内部指定位置切割制造预置裂隙，形成结构弱面；同时在煤柱应力集中区制造悬空空间，利用上覆顶板自身的压力作用，使近距离坚硬厚顶板沿结构弱面自行断裂，从而阻断近距离坚硬厚顶板内的压力向临空煤柱及工作面的传递路径，实现煤柱内高应力区卸荷消能。
2.根据权利要求1所述的近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法，其特征在于：近距离坚硬厚顶板内的预置裂隙采用高压磨料水射流切割；煤柱应力集中区采用高压射流切割，对煤层进行高压冲孔形成连续悬空空间。
3.根据权利要求2所述的近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、划分煤柱集中应力区：根据巷道围岩岩性及煤层赋存参数对巷道按30米进行区段划分，在每个区段内每间隔5米交替采用钻屑量检测与油压枕应力计检测进行应力分析，获得区域内巷道围岩应力连续分布特征，根据巷道围岩应力连续分布特征将临空宽煤柱内部区域划分为：围岩塑性区、集中应力区；
S2、确定切顶钻孔参数：根据区域综合柱状图及工作面内上向探孔取芯数据获得近距离坚硬顶板的层位、厚度、岩性赋存特征，结合S1中集中应力区范围确定高压磨料水射流切割钻孔孔位、孔深及倾角、施工范围；根据近距离坚硬顶板岩性并结合地面试验确定高压磨料水射流切割的磨料混合比、系统压力、喷嘴内径、切割范围及射流旋转速度；
根据S1得出的集中应力区范围以及近距离坚硬顶板的层位、厚度参数确定预置裂隙切割钻孔的孔位、孔深、倾角以及施工范围；
S3、煤层冲底钻孔参数确定：通过传递岩梁理论校核近距离坚硬顶板的强度，并结合预置裂隙的位置及强度校核结果确定悬空面积及结构尺寸，通过力学计算得出冲孔悬空范围；
S4、实施顶板切割钻孔；超前工作面300米距离，采用高压磨料水射流切割系统，根据S2确定的预置裂隙切割钻孔参数钻进至设计位置后，将系统压力、磨料混合比及射流旋转速度调至S2中设计值，混合射流从磨料割缝器内部喷出对孔壁岩石进行切割，在近距离坚硬顶板内形成结构弱面；
S5、实施煤层冲底钻孔；超前工作面100米距离，采用高压射流切割系统，根据S3确定煤层冲底钻孔参数钻进至设计位置后，水射流从割缝器内部喷出对煤层进行高压冲孔，在结构弱面下方形成连续悬空空间；
在上覆顶板压力作用下，近距离坚硬厚顶板沿着S4中的结构弱面开始断裂，阻断近距离坚硬厚顶板在采空区内长距离悬顶带来的矿山压力集中向临空煤柱及工作面的传递路径。
4.根据权利要求3所述的近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法，其特征在于：步骤S2中，切顶钻孔参数为：当岩层坚固性系数为8～10时，采用磨料水混配质量浓度为6％，射流压力为50MPa、磨料喷嘴内径为3mm、射流旋转速度为90r/min，钻孔布置间距为4～5米；
当岩层坚固性系数为10～14时，采用磨料水混配质量浓度为9％，射流压力为65MPa、磨料喷嘴内径为2.7mm、射流旋转速度为60r/min，钻孔布置间距为3～4米。
5.根据权利要求3所述的近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法，其特征在于：步骤S3中煤层冲底钻孔参数为：当煤层坚固性系数为0.5～0.8时，系统压力40MPa，喷嘴直径3.1mm，钻孔布置间距1.2米；当煤层坚固性系数为0.8～1.2时，系统压力50MPa，喷嘴直径2.9mm，钻孔布置间距1米；当煤层坚固性系数为1.2～1.6时，系统压力60MPa，喷嘴直径2.7mm，钻孔布置间距0.8米。
6.根据权利要求3所述的近距离坚硬厚顶板下临空宽煤柱断顶卸压方法，其特征在于：步骤S4中高压磨料系统孔外管路采用高压软管连接，高压软管外采用柔性连接多节刚性圆环进行二次保护及泄漏预警。
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2022
- 2022-09-16 CN CN202211129203.1A patent/CN115539037A/zh active Pending
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