CN116122904A - 一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿业工程技术领域，提供了一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统及使用方法，一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统，包括钻孔应力计监测系统和均衡调压系统，所述均衡调压系统包括调压弹性缩胀袋、推管、双向调压二通阀、定位环、推送护罩、可调压四通阀及接长管等，通过钻孔应力计监测系统与均衡调压系统全程实施监测并调控煤柱应力均衡显著降低，从根本上解决了传统的可以实施的上覆煤柱的水力致裂、爆破卸压等卸压方法不能显著且均衡降低上覆煤柱集中应力的缺陷，可以有效解决各种受上覆煤柱集中应力影响的不良开采环境，尤其是保障受上覆煤柱影响的末采区域综采(放)工作面设备安全回撤，具有十分广泛且重要的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及矿业工程技术领域，具体是涉及一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统及使用方法。
背景技术
近距离煤层在我国分布十分广泛，且我国上覆煤层大部分采空，上、下伏煤层同时开采的情况普遍出现，由于停采煤柱宽度的限制，为了保护下伏煤层大巷，下伏煤层停采煤柱宽度一般需要大于上覆煤层的停采煤柱宽度，这样下伏煤层工作面的停采线处于上覆煤层的采空区下方，所以下伏煤层工作面回采全过程普遍受到上覆煤柱的叠加影响，尤其是在末采(停采)区域，需要回撤全工作面的综(采)放设备，此阶段时刻受到上覆煤柱集中应力的显著影响，难以确保工作面设备安全回撤，尤其是煤柱传递到下伏末采(停采)区域的集中应力大时，容易发生覆岩大面积联动失稳灾害事故。
目前，针对上覆煤柱降低应力集中程度的方法主要有水压致裂卸压、爆破卸压与冲击波卸压等，前两种井下工程现场已经有试验的，这些方法只能一定程度上减弱上覆煤柱的应力集中程度，但是效果不明显，且卸压不均匀，尤其是水压致裂受到了煤柱裂隙的制约，致裂压力很难达到设计要求，致裂效果也会大打折扣，全过程卸压不均匀且致裂不可控；传统的爆破卸压方法，对覆岩的震动容易诱发部分区域岩层失稳，且卸压不均匀，整体不可控。传统方法的原理主要是使得上覆煤柱由弹性承载阶段进入塑性承载阶段，尽管是塑性煤柱，煤柱区由于遗留煤的支撑作用，覆岩高度依旧显著高于两侧采空区的覆岩高度，所以煤柱依旧大部分担了煤柱两侧一定区域的采空区覆岩压力，尤其是煤柱厚度较大时，这就导致了虽然煤柱进入了塑性阶段，但是依旧会有明显的承载能力，所以比采空区的岩体具有更大的集中应力施加到下伏岩层区域的围岩空间，进而剧烈影响综(采)放面的正常停采。
对于综(采)放工作面的末采(停采)区域，由于液压支架依次撤出，对顶板的支撑能力逐渐减弱，加之上覆煤柱的应力集中，整个停采区域的上覆围岩容易沿着煤柱区域破断，从而引发大面积失稳灾害事故，所以停采区域的上覆煤柱卸压要求比其他各类条件下围岩对煤柱卸压的要求都要高很多，比如需要显著降低煤柱区应力且要均衡可控时时监测降低停采区域的煤柱集中应力对下伏停采工作面及支架的影响，传统的方法无法实现这样的要求。
所以需要提出一种变革性的新方法针对性的解决上述问题，实现煤柱集中应力均衡显著释放，同时，根据监测结果，时时均衡调整末采区域的覆岩应力情况，实现工作面设备安全回撤。
发明内容
本发明的目的就是为了从根本上解决传统的可以实施的上覆煤柱的水力致裂、爆破卸压等卸压方法不能显著且均衡降低上覆煤柱集中应力的缺陷，可以有效解决各种受上覆煤柱集中应力影响的不良开采环境，尤其是保障受上覆煤柱影响的末采(停采)区域综采(放)工作面设备安全回撤，对于综(采)放工作面的末采(停采)区域，由于液压支架依次撤出，对顶板的支撑能力逐渐减弱，加之上覆煤柱的应力集中，整个末采(停采)区域的上覆围岩容易沿着煤柱区域破断，从而引发大面积失稳灾害事故问题，传统的方法无法有效解决上述问题，提出一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统及使用方法，有效解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统，包括钻孔应力计监测系统和均衡调压系统，所述均衡调压系统包括调压弹性缩胀袋、推管、双向调压二通阀、左右旋螺母、定位环、推送护罩、直角二通阀、T形三通阀、可调压T形三通阀、可调压四通阀、接长管、左右旋螺母和压力表。
所述调压弹性缩胀袋的中部设置有推管通道孔，且调压弹性缩胀袋的端部一侧设置有第一液/气螺栓接口，推管侧面布置有第二液/气螺栓接口，所述双向调压二通阀的一端为推管接口端和调压弹性缩胀袋接口端，所述双向调压二通阀通过左右旋螺母与所述推管的第二液/气螺栓接口连接，且双向调压二通阀通过左右旋螺母与所述调压弹性缩胀袋的第一液/气螺栓接口连接；
所述定位环通过定位螺栓固定调压弹性缩胀袋，所述推送护罩的最大直径大于所述的调压弹性缩胀袋在收缩状态下的直径，所述接长管设置在直角二通阀和T形三通阀之间，所述接长管两端分别是左旋和右旋螺纹接口，可连接左右旋螺母(9a)，所述直角二通阀和T形三通阀分别与左右旋螺母连接，所述压力表与所述可调压四通阀通过左右旋螺母相连；
所述钻孔应力计监测系统包括钻孔应力计和信息接收器，所述钻孔应力计的数量为若干个，若干个钻孔应力计安装在上覆煤柱的偏下侧区域及上覆煤柱的下伏岩层区域，所述信息接收器用于接收钻孔应力计的监测信息。
作为本发明的进一步方案，所述推管通过推管连接螺母接长，所述推管连接螺母内部设置有双向调节阀，所述推管端头设置有端部封孔栓，所述双向调压二通阀的内部为单向调节阀。
作为本发明的进一步方案，所述定位环的中部为第一推管通道，定位环的一侧为第一定位孔，所述推送护罩的中部为第二推管通道，推送护罩的侧面为第二定位孔。
作为本发明的进一步方案，所述T型三通阀的一端通道内布置有单向调节阀，所述可调压四通阀表面螺纹连接有主动调阻螺栓，所述主动调阻螺栓外侧螺纹连接有锁紧螺母，所述可调压四通阀内设置有调阻绳和调节阀，所述调阻绳的一端与主动调阻螺栓连接。另一端与调节阀连接，所述可调压四通阀靠近调节阀的一端设置有卸压孔。
一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统的使用方法，步骤如下：
安装钻孔应力计监测系统；
实施调压洞群及安装调压系统；
监控及均衡调压。
作为本发明的进一步方案，所述安装钻孔应力计监测系统的步骤，具体包括：
所述上覆煤柱内布置的钻孔应力计的数量不少于12个，共布置4排，每排不少于3个，所述上覆煤柱设置两个逐级过渡区、一个支架支撑区和一个回撤通道区共四个区域的煤柱中部区域以及两个靠近上覆煤层采空区的区域，以上所有区域中每个区域各安装一个钻孔应力计；
所述下伏岩层区内布置的钻孔应力计的数量不少于20个，每个钻孔应力计的位置与正上方的上覆煤柱内布置的钻孔应力计一一对应，且在各排钻孔应力计的两侧的上覆煤层采空区的下伏岩层区各布置一排钻孔应力计，用于实现末采区域的上覆煤柱与煤柱的下伏岩层区全过程和全区域调压监测，并通过监测数据调整钻孔间距和钻孔直径，并为调压洞调压提供依据。
作为本发明的进一步方案，所述实施调压洞群及安装调压系统的步骤，具体包括：
步骤一：通过机械等造洞设备，从上覆煤层大巷，在上覆煤柱内部每隔一定间距布置一定长度的一层或者多层调压洞群，所述调压洞群包括煤柱中部区调压洞、煤柱右侧区调压洞和煤柱左侧区调压洞，所述调压洞群的两端为变径段，中部为圆柱体段，所述变径段分为平滑扩径区、平滑缩颈区、台阶扩径区和台阶缩颈区，优选实施煤柱中部区调压洞群，实现煤柱压力及早释放；
步骤二：将推管、推管连接螺母、调压弹性缩胀袋、端部封孔栓、左右旋螺母、推送护罩、双向调压二通阀、定位环连接成一个整体，并将该整体推送到煤柱中部区的调压洞群的腔体内，并注入一定压力的气体或者液体；
步骤三：按照步骤一和二依次实施其它调压洞；
步骤四：各个调压洞之间的推管通过双向调压二通阀、直角二通阀、T形三通阀、接长管、可调压四通阀、左右旋螺母及推管连接螺母连成一个完整的调压系统，并注入一定压力的气体或者液体达到设计的压力值；
步骤五：由后续的监测，通过调压螺栓进行调压，实现调压洞逐渐变形缩径，压力逐渐均衡释放，煤柱区的顶板逐渐下沉，煤柱区与上覆煤层采空区的覆岩高度逐渐一致，覆岩整体稳定性有质的提高，显著降低并均衡末采区域的上覆煤柱压力，保障工作面设备安全回撤。
作为本发明的进一步方案，所述调监控监控及均衡调压的步骤，具体包括：
步骤一：提前布置的钻孔应力计在钻调压洞群前既需要监测煤柱内压力变化，调压洞群的所有调压弹性缩胀带注满液体或者气体支撑调压洞壁，使得调压洞群的调压处于渐进调压过程，且可保障上覆煤柱不会突然失稳；
步骤二：依次实施后续调压洞群及安装调压弹性缩胀带，根据监测结果调整调压洞群参数，多个调压洞群实施后，如果上覆煤柱压力减弱程度不明显，需要进一步缩小调压洞间距及增大调压洞直径，所述的调压弹性缩胀袋的长度宜为1-10m，膨胀后的直径可与调压洞直径大小匹配，调压弹性缩胀袋之间的间距宜为0-5m，调压洞直径包括两侧区的调压洞直径和中部区的调压洞直径；
步骤三：安装完调压系统后，监测钻孔应力计与压力表的数据变化及卸压系统的卸压情况，通过可调压四通阀渐进降低调压系统的压力值，进而进一步均衡降低煤柱的应力集中程度；
步骤四：工作面回采至末采区域直至停采，超前采动应力必然引起钻孔应力计数据异常增高，通过可调压四通阀渐进降低调压系统的压力值，进而进一步均衡降低煤柱的应力集中程度，直至工作面支架全部安全回撤。
作为本发明的进一步方案，当多层实施调压洞时，先实施上层调压洞，再实施下层调压洞，各层调压洞的层间距宜为0-3m，各层调压洞的长度差宜为2-10m，上层调压洞长、下层调压洞短型，或者上层调压洞短、上层调压洞长型，从而形成层间过渡区。
作为本发明的进一步方案，所述调压洞间距宜为0-5m，间距越小，煤柱压力降低程度越大；
所述两侧区的调压洞直径和中部区的调压洞直径宜为0.3-1.5m，直径越大，煤柱压力降低程度越大；
所述上覆煤柱的厚度＜3.5m时，只需要实施一层调压洞群，所述的上覆煤柱的厚度≥3.5m且＜8m时，可实施1-2层调压洞群，所述的上覆煤柱的厚度≥8m时，可实施2层及以上调压洞群，调压洞群层数越多，煤柱压力降低程度越大。
本发明的有益效果是：(1)从薄煤层到特厚煤层遗留煤柱均可以实现调压，显著且均衡降低煤柱应力集中，实现整个过程均衡调压；
(2)不受煤柱裂隙是否发育的影响，各类条件下均可实施；
(3)无论煤柱应力多么复杂均可实施且实现全过程均衡调压；
(4)工作面在远离停采区域之前实施，不影响工作面的回采进度，施工条件优越；
(5)调压系统中的所有调压弹性缩胀袋均分别通过双向调压二通阀连接，实现了既相互独立调压又组成一个整体均衡调压系统，这样如果有某调压弹性缩胀袋损坏了，漏液/气了，也不影响整个调压系统的均衡稳定调压；
(6)各个推管之间通过推管连接螺母(双向调压)连接，尽管支架支撑区后方的顶板切落导致一部分推管切断，也不影响剩下的调压系统正常的工作；
(7)通过钻孔应力计监测系统及调压系统的压力表监测值，调压系统最终通过可调压四通阀的主动调阻螺栓带动调阻绳来增大或者减小压力以实现调节阀的调节压力能力，实现全系统即可自动调压，又可有控均衡控制，避免出现应力集中以及压力过载的情况出现；
(8)整个监测系统及调压系统使用方便快捷，全过程均衡有控调压，具有十分广泛且重要的推广应用价值，解决了传统方法解决不了的关键问题，本发明从根本上解决了传统的井下现场可以实施的上覆煤柱的水力致裂、爆破卸压等卸压方法不能显著且均衡降低上覆煤柱集中应力的缺陷，可以有效解决各种受上覆煤柱集中应力影响的不良开采环境，尤其是保障受上覆煤柱影响的末采区域综采(放)工作面设备安全回撤，具有十分广泛且重要的推广应用价值。
附图说明
图1为调压弹性缩胀袋结构示意图；
图2为推管及推管连接螺母的结构示意图；
图3为双向调压二通阀的结构示意图；
图4为定位环的结构示意图；
图5为推送护罩结构示意图；
图6为弹性缩胀袋及配件连接过程示意图；
图7为弹性缩胀袋及推管之间连接示意图；
图8为弹性缩胀袋膨胀状态示意图；
图9为直角二通阀示意图及剖面示意图；
图10为T型三通阀示意图及剖面示意图；
图11为可调压T型三通阀示意图及剖面示意图；
图12为可调压四通阀及剖面示意图；
图13为接长管示意图；
图14压力表示意图；
图15为调压系统只有弹性缩胀袋(圆柱体形)；
图16为调压系统在有弹性缩胀袋(圆柱体形)与弹性缩胀袋(扩径形)示意图；
图17为调压系统在有弹性缩胀袋(圆柱体形)与弹性缩胀袋(缩径形)示意图；
图18为调压系统在有弹性缩胀袋(圆柱体形)与弹性缩胀袋(缩径形与扩径形)示意图；
图19为布置钻孔应力计示意图；
图20为A区域C区均煤柱中部区的调压洞长度大于煤柱左右两侧的调压洞长度的示意图；
图21为图20的第一类I-I剖面示意图；
图22为图20的第二类I-I剖面示意图(若实施两层调压洞，且两层调压洞上下重叠布置)；
图23为图20的第三类I-I剖面示意图(若实施两层调压洞，且两层调压洞上下错位布置)；
图24为图20的第四类I-I剖面示意图(中部为较大的调压洞，两侧为较小的调压洞且布置两层)；
图25为图20的第一类II-II剖面示意图；
图26为图20的第二类II-II剖面示意图(若实施两层调压洞，且上下两层对应区域的调压洞长度相同)；
图27为图20的第三类II-II剖面示意图(若实施两层调压洞，且上下两层对应区域的调压洞长度为上短下长)；
图28为图20的第四类II-II剖面示意图(若实施两层调压洞，且上下两层对应区域的调压洞长度为上长下短)；
图29为图20的变径段为阶梯扩径或缩颈时的示意图；
图30为图29的II-II剖面示意图；
图31为所述的调压洞群C区调压洞的长度等长，而A区的中部长，两侧短的示意图；
图32为所述的调压洞群C区调压洞的长度等长，而A区的调压洞也等长的示意图；
图33为所述的调压洞群C区调压洞的长度等长，而A区的由煤柱左侧向右侧依次减小的示意图；
图34为所述的调压洞群C区调压洞的长度等长，而A区的由煤柱右侧向左侧依次减小的示意图；
图35为所述的调压洞群C区调压洞的长度等长，而A区的由煤柱中部区的短，两侧区长的示意图；
图36为所述调压洞群A区调压洞的长度煤柱中部区的短，两侧区的长，而A区的由煤柱中部区的长，两侧区短的示意图；
图37为所述的调压洞群A区调压洞的长度等长，而C区的由煤柱中部区的长，两侧区短的示意图；
图38为图20的调压洞全部安装调压系统示意图；
图39为图38的第一类I-I剖面示意图；
图40为图38的第二类I-I剖面示意图(若实施两层调压洞，且两层调压洞上下重叠布置)；
图41为图38的第三类I-I剖面示意图(若实施两层调压洞，且两层调压洞上下错位布置)；
图42为图38的第四类I-I剖面示意图(中部为较大的调压洞，两侧为较小的调压洞且布置两层)；
图43为图20的调压洞A区、C区均不安装调压系统示意图；
图44为图20的调压洞A区不安装调压系统示意图；
附图标记：调压弹性缩胀袋、1a-第一液/气螺栓接口、1b-推管通道孔、2-推管、2a-第二液/气螺栓接口、2c-推管连接螺母、2c1-单向调压阀、2b-端部封孔栓、3-双向调压二通阀、3a-推管接口端、3b-调压弹性缩胀袋接口端、3c-单向调节阀、4-定位环、4a-第一定位孔、4b-第一推管通道、4d-定位螺栓、5-推送护罩、5a-第二定位孔、5b-第二推管通道、6-直角二通阀、7-T形三通阀、77-可调压T形三通阀、77a-单向调压阀、8-可调压四通阀、8a-主动调阻螺栓、8b-锁紧螺母、8c-单向调压阀、8d-调阻绳、8e-卸压孔、9-接长管、9a-左右旋螺母、10-压力表、11-上覆煤柱、11c-调压洞群、11c0-小钻孔段、11cc-煤柱中部区调压洞、11cy-煤柱右侧区调压洞、11cz-煤柱左侧区调压洞、11a-调压后上覆煤柱载荷曲线、11b-调压前上覆煤柱载荷曲线、12-上覆煤层上覆煤层采空区、13-下覆煤层停采线、14-上覆煤层停采线、15-上覆煤层大巷、16-钻孔应力计、16a-信息接收器、17-下伏岩层区、1D1-B区布置调压系统、1D2-B区与A区布置调压系统、1D3-B区与C区均布置调压系统、1D4-A区、B区与C区均布置调压系统、m1-调压洞距离上覆煤层采空区的距离、m0-调压洞间距、d1-两侧区的调压洞直径、d0-中部区的调压洞直径、b1-B区的缓冲区长度(核心一区)；b2-B区的支架支撑区长度(核心二区)、b3-B区的回撤通道区长度(核心三区)、b4-B区的缓冲区长度(核心四区)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及具体实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
实施例1
请参阅图1至图20，本发明实施例提供的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统，其特征在于，包括钻孔应力计监测系统和均衡调压系统，所述均衡调压系统包括调压弹性缩胀袋1、推管2、双向调压二通阀3、左右旋螺母3a、定位环4、推送护罩5、直角二通阀6、T形三通阀7、可调压T形三通阀77、可调压四通阀8、接长管9、左右旋螺母9a和压力表10。
所述调压弹性缩胀袋1的中部设置有推管通道孔1b，且调压弹性缩胀袋1的端部一侧设置有第一液/气螺栓接口1a，推管2侧面布置有第二液/气螺栓接口2a，所述双向调压二通阀3的一端为推管接口端3a和调压弹性缩胀袋接口端3b，所述双向调压二通阀3通过左右旋螺母3a与所述推管2的第二液/气螺栓接口2a连接，且双向调压二通阀3通过左右旋螺母3a与所述调压弹性缩胀袋1的第一液/气螺栓接口1a连接；
所述定位环4通过定位螺栓4d固定调压弹性缩胀袋1，所述推送护罩5的最大直径大于所述的调压弹性缩胀袋1在收缩状态下的直径，所述接长管9设置在直角二通阀6和T形三通阀7之间，所述接长管9两端分别是左旋和右旋螺纹接口，可连接左右旋螺母9a，所述直角二通阀6和T形三通阀7分别与左右旋螺母9a连接，所述压力表10与所述可调压四通阀8通过左右旋螺母9a相连；
所述钻孔应力计监测系统包括钻孔应力计16和信息接收器16a，所述钻孔应力计16的数量为若干个，若干个钻孔应力计16安装在上覆煤柱11的偏下侧区域及上覆煤柱11的下伏岩层区域17，所述信息接收器16a用于接收钻孔应力计16的监测信息。
进一步的，所述推管2通过推管连接螺母2c接长，所述推管连接螺母2c内部设置有双向调节阀2c1，所述推管2表面设置有端部封孔栓2b，所述双向调压二通阀3的内部为单向调节阀3c。
进一步的，所述定位环4的中部为第一推管通道4b，定位环4的一侧为第一定位孔4a，所述推送护罩5的中部为第二推管通道5b，推送护罩5的侧面为第二定位孔5a。
进一步的，所述可调压T型三通阀77的一端通道内布置有单向调节阀77a，其中可调压T型三通阀77用于单向注液/气，所述可调压四通阀8管壁螺纹连接有主动调阻螺栓8a，所述主动调阻螺栓8a外侧螺纹连接有锁紧螺母8b，所述可调压四通阀8内设置有调阻绳8d和调节阀8c，所述调阻绳8d的一端与主动调阻螺栓8a连接。另一端与调节阀8c连接，所述可调压四通阀8靠近调节阀8c的一端设置有卸压孔8e。
请参阅图1至图44，一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统的使用方法，步骤如下：
安装钻孔应力计监测系统；
实施调压洞群及安装调压系统；
监控及均衡调压。
请参阅图1至图44，进一步的，所述安装钻孔应力计监测系统的步骤，具体包括：
步骤一：所述上覆煤柱11内布置的钻孔应力计16的数量不少于12个，共布置4排，每排不少于3个，所述上覆煤柱11设置两个逐级过渡区、一个支架支撑区和一个回撤通道区共四个区域的煤柱中部区域以及两个靠近上覆煤层采空区12的区域，以上所有区域中每个区域各安装一个钻孔应力计16；
步骤二：所述下伏岩层区17内布置的钻孔应力计16的数量不少于20个，每个钻孔应力计16的位置与正上方的上覆煤柱11内布置的钻孔应力计16一一对应，且在各排钻孔应力计16的两侧的上覆煤层采空区12的下伏岩层区各布置一排钻孔应力计16，用于实现末采区域的上覆煤柱11与煤柱的下伏岩层区17全过程和全区域调压监测，并通过监测数据调整钻孔间距和钻孔直径，并为调压洞调压提供依据。
请参阅图1至图44，进一步的，所述实施调压洞群及安装调压系统的步骤，具体包括：
步骤一：通过机械等造洞设备，从上覆煤层大巷15，在上覆煤柱11内部每隔一定间距布置一定长度的一层或者多层调压洞群11c，调压洞群11c的上方为小钻孔段11c0，所述调压洞群11c包括煤柱中部区调压洞11cc、煤柱右侧区调压洞11cy和煤柱左侧区调压洞11cz，所述调压洞群11c的两端为变径段，中部为圆柱体段，所述变径段分为平滑扩径区、平滑缩颈区、台阶扩径区和台阶缩颈区，优选实施煤柱中部区调压洞群11cc，实现煤柱压力及早释放；
步骤二：将推管2、推管连接螺母2c、调压弹性缩胀袋1、端部封孔栓2b和左右旋螺母3a、推送护罩5、双向调压二通阀3、定位环4连接成一个整体，并将该整体推送到煤柱调压洞11cc的腔体内，并注入一定压力的气体或者液体；
步骤三：按照步骤一和二依次实施其它调压洞；
步骤四：各个调压洞之间的推管2通过双向调压二通阀3、直角二通阀6、T形三通阀7、接长管9、可调压四通阀8、左右旋螺母9a及推管连接螺母2c连成一个完整的调压系统，并注入一定压力的气体或者液体达到设计的压力值；
步骤五：由后续的监测，通过调压螺栓8a进行调压，实现调压洞逐渐变形缩径，压力逐渐均衡释放，煤柱区的顶板逐渐下沉，煤柱区与上覆煤层采空区12的覆岩高度逐渐一致，覆岩整体稳定性有质的提高，显著降低并均衡末采区域的上覆煤柱11压力，保障工作面设备安全回撤。
请参阅图1至图44，进一步的，所述监控及均衡调压的步骤，具体包括：
步骤一：提前布置的钻孔应力计16在钻调压洞群11c前既需要监测煤柱内压力变化，调压洞群11c的所有调压弹性缩胀带1注满液体或者气体支撑调压洞壁，使得调压洞群11c的调压处于渐进调压过程，且可保障上覆煤柱11不会突然失稳；
步骤二：依次实施后续调压洞群11c及安装调压弹性缩胀带1，根据监测结果调整调压洞群11c参数，多个调压洞群11c实施后，如果上覆煤柱11压力减弱程度不明显，需要进一步缩小调压洞间距m0及增大调压洞直径，所述的调压弹性缩胀袋1的长度宜为1-10m，膨胀后的直径可与调压洞直径大小匹配，调压弹性缩胀袋1之间的间距宜为0-5m，调压洞直径包括两侧区的调压洞直径d1和中部区的调压洞直径d0；
步骤三：安装完调压系统后，监测钻孔应力计16与压力表10的数据变化及调压系统的卸压情况，通过可调压四通阀8渐进降低调压系统的压力值，进而进一步均衡降低煤柱的应力集中程度；
步骤四：工作面回采至末采区域直至停采，超前采动应力必然引起钻孔应力计16数据异常增高，通过可调压四通阀8渐进降低调压系统的压力值，进而进一步均衡降低煤柱的应力集中程度，直至工作面支架全部安全回撤，参阅附图21至图24的调压后上覆煤柱载荷曲线11a和调压前上覆煤柱载荷曲线(两种)(一个高峰区与两个高峰区)11b。
进一步的，所述的一层调压洞群的布置方式及参数：
请参阅图1至图44，从工作面推进方向看，末采区域的调压洞群依次为A区-逐级过渡区→B区-核心区→C区-逐级过渡区；
(a)所述的调压洞群A区-逐级过渡区主要分为四种类型：
⑨调压洞等长型：煤柱左侧、右侧与中部的调压洞均为等长扩径区；
⑩两侧调压洞短、中部调压洞长型：煤柱左侧和右侧调压洞为扩径区，煤柱中部调压洞为扩径区+圆柱体区；
(b)工作面推进方向，所述的调压洞群B区-核心区主要为一种类型：
缓冲区(核心一区)→支架支撑区(核心二区)→回撤通道区(核心三区)→停采线前方的煤柱缓冲区(核心四区)，所述的核心一区～核心四区的煤柱左侧、右侧与中部调压洞均为圆柱体形，其中，停采线包括下覆煤层停采线13和上覆煤层停采线14；
b1为B区的缓冲区长度(核心一区)，宜取值范围为2-15m；
b2为B区的支架支撑区长度(核心二区)，长度为4-6m；
b3为B区的回撤通道区长度(核心三区)，长度为2-5m；
b4为B区的缓冲区长度(核心四区)，宜取值范围为2-15m；
(c)工作面推进方向，所述的调压洞群C区-逐级过渡区主要分为三种类型：
①调压洞等长型：煤柱左侧、右侧与中部的调压洞均为等长缩径区；
②两侧调压洞短、中部调压洞长型：煤柱左侧和右侧调压洞为缩径区、煤柱中部调压洞为圆柱体区+缩径区；
③两侧调压洞长、中部调压洞短型：煤柱左侧和右侧调压洞为圆柱体区+缩径区、煤柱中部调压洞为缩径区；
④一侧调压洞向另外一侧渐长型：煤柱由一侧向另外一侧调压洞长度依次增大，依次为缩径区、圆柱体区+缩径区；
所述的A区扩径区与C区缩颈区的长度宜为1-5m；
所述的A区与C区的调压洞圆柱体区的长度宜为2-15m。
请参阅图1至图44，进一步的，当多层实施调压洞时，先实施上层调压洞，再实施下层调压洞，各层调压洞的层间距宜为0-3m，各层调压洞的长度差宜为2-10m，上层调压洞长、下层调压洞短型，或者上层调压洞短、上层调压洞长型，从而形成层间过渡区。
请参阅图1至图44，进一步的，所述调压洞间距m0宜为0-5m，间距越小，煤柱压力降低程度越大；
所述两侧区的调压洞直径d1和中部区的调压洞直径d0宜为0.3-1.5m，直径越大，煤柱压力降低程度越大；
所述上覆煤柱11的厚度＜3.5m时，只需要实施一层调压洞群11c，所述的上覆煤柱11的厚度≥3.5m且＜8m时，可实施1-2层调压洞群11c，所述的上覆煤柱11的厚度≥8m时，可实施2层及以上调压洞群11c，调压洞群11c层数越多，煤柱压力降低程度越大。
请参阅图1至图44，进一步的，所述调压系统有四类布置方式：
第一类调压系统：只在所述的B区-核心区布置调压系统，记为B区布置调压系统1D1式；
第二类调压系统：同时在所述的B区-核心区与所述的A区-逐级过渡区布置调压系统，记为B区与A区布置调压系统1D2式；
第三类调压系统：同时在所述的B区-核心区与所述的C区-逐级过渡区布置调压系统，记为B区与C区均布置调压系统1D3式；
第四类调压系统：同时在所述的A区、B区与C区均布置调压系统，记为A区、B区与C区均布置调压系统1D4式；
所述调压系统的四类布置方式中，各个调压洞可均布置所述的调压弹性缩胀袋1，各个调压洞也可间隔式布置所述的调压弹性缩胀袋1。
实施例2
如图39和38，调压洞中部长，两侧短，采用1D4型调压系统，且布置单层调压洞，本实施例的其余结构部分与实施例1相同。
实施例3
如图38和40，调压洞中部长，两侧短，采用A区、B区与C区均布置调压系统1D4，且布置双层调压洞(双层调压洞位置上下对应)，本实施例的其余结构部分与实施例1相同。
实施例4
如图38和41，调压洞中部长，两侧短，采用A区、B区与C区均布置调压系统1D4，且布置双层调压洞(双层调压洞位置上下错位)，本实施例的其余结构部分与实施例1相同。
实施例5
如图38和42，调压洞中部长，两侧短，且调压洞的中部直径大、两侧区的直径小，采用A区、B区与C区均布置调压系统1D4，且两侧区布置双层调压洞，中部区布置单层调压系统，本实施例的其余结构部分与实施例1相同。
实施例6
如图29和30，调压洞A区、C区都是中部长、两侧短，调压洞两端为台阶扩径区域台阶缩颈区11c1、11c2，可采用B区布置调压系统1D1-A区、B区与C区均布置调压系统1D4；
实施例7
如图31，调压洞A区中部长两侧短，C区等长，可采用B区布置调压系统1D1-A区、B区与C区均布置调压系统1D4，本实施例的其余结构部分与实施例1相同。
实施例8
如图32，调压洞A区、C区等长，可采用B区布置调压系统1D1-A区、B区与C区均布置调压系统1D4，本实施例的其余结构部分与实施例1相同。
实施例9
如图33和34，调压洞A区由一侧向另一侧渐长，C区等长，可采用B区布置调压系统1D1-A区、B区与C区均布置调压系统1D4，本实施例的其余结构部分与实施例1相同。
实施例10
如图35，调压洞A区中部短、两侧长，C区等长，可采用B区布置调压系统1D1-A区、B区与C区均布置调压系统1D4，本实施例的其余结构部分与实施例1相同。
实施例11
如图36，调压洞A区中部长、两侧短，C区中部而两侧长，可采用B区布置调压系统1D1-A区、B区与C区均布置调压系统1D4，本实施例的其余结构部分与实施例1相同。
对于本领域技术人员而言，虽然说明了本发明的几个实施方式以及实施例，但这些实施方式以及实施例是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明和其等效的范围内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统，其特征在于，包括钻孔应力计监测系统和均衡调压系统，所述均衡调压系统包括调压弹性缩胀袋(1)、推管(2)、双向调压二通阀(3)、左右旋螺母(3a)、定位环(4)、推送护罩(5)、直角二通阀(6)、T形三通阀(7)、可调压T形三通阀(77)、可调压四通阀(8)、接长管(9)、左右旋螺母(9a)和压力表(10)。
所述调压弹性缩胀袋(1)的中部设置有推管通道孔(1b)，且调压弹性缩胀袋(1)的端部一侧设置有第一液/气螺栓接口(1a)，推管(2)侧面布置有第二液/气螺栓接口(2a)，所述双向调压二通阀(3)的一端为推管接口端(3a)和调压弹性缩胀袋接口端(3b)，所述双向调压二通阀(3)通过左右旋螺母(3a)与所述推管(2)的第二液/气螺栓接口(2a)连接，且双向调压二通阀(3)通过左右旋螺母(3a)与所述调压弹性缩胀袋(1)的第一液/气螺栓接口(1a)连接；
所述定位环(4)通过定位螺栓(4d)固定调压弹性缩胀袋(1)，所述推送护罩(5)的最大直径大于所述的调压弹性缩胀袋(1)在收缩状态下的直径，所述接长管(9)两端分别是左旋和右旋螺纹接口，可连接左右旋螺母(9a)，所述直角二通阀(6)和T形三通阀(7)分别与左右旋螺母(9a)连接，所述压力表(10)与所述可调压四通阀(8)通过左右旋螺母(9a)相连；
所述钻孔应力计监测系统包括钻孔应力计(16)和信息接收器(16a)，所述钻孔应力计(16)的数量为若干个，若干个钻孔应力计(16)安装在上覆煤柱(11)的偏下侧区域及上覆煤柱(11)的下伏岩层区域(17)，所述信息接收器(16a)用于接收钻孔应力计(16)的监测信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统，其特征在于，所述推管(2)通过推管连接螺母(2c)接长，所述推管连接螺母(2c)内部设置有双向调节阀(2c1)，所述推管(2)端部可连接端部封孔栓(2b)，所述双向调压二通阀(3)的内部为双向调节阀(3c)。
3.根据权利要求1所述的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统，其特征在于，所述定位环(4)的中部为第一推管通道(4b)，定位环(4)的一侧为第一定位孔(4a)，所述推送护罩(5)的中部为第二推管通道(5b)，推送护罩(5)的侧面为第二定位孔(5a)。
4.根据权利要求1所述的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统，其特征在于，所述可调压T型三通阀(77)的一端通道内布置有单向调节阀(77a)，所述可调压四通阀(8)管壁螺纹连接有主动调阻螺栓(8a)，所述主动调阻螺栓(8a)外侧螺纹连接有锁紧螺母(8b)，所述可调压四通阀(8)内设置有调阻绳(8d)和调节阀(8c)，所述调阻绳(8d)的一端与主动调阻螺栓(8a)连接。另一端与调节阀(8c)连接，所述可调压四通阀(8)靠近调节阀(8c)的一端设置有卸压孔(8e)。
5.一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统的使用方法，应用于权利要求1-4任一所述的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统，其特征在于，步骤如下：
安装钻孔应力计监测系统；
实施调压洞群及安装调压系统；
监控及均衡调压。
6.根据权利要求5所述的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统的使用方法，其特征在于，所述安装钻孔应力计监测系统的步骤，具体包括：
所述上覆煤柱(11)内布置的钻孔应力计(16)的数量不少于12个，共布置4排，每排不少于3个，所述上覆煤柱(11)设置两个逐级过渡区、一个支架支撑区和一个回撤通道区共四个区域的煤柱中部区域以及两个靠近上覆煤层采空区(12)的区域，以上所有区域中每个区域各安装一个钻孔应力计(16)；
所述下伏岩层区(17)内布置的钻孔应力计(16)的数量不少于20个，每个钻孔应力计(16)的位置与正上方的上覆煤柱(11)内布置的钻孔应力计(16)一一对应，且在各排钻孔应力计(16)的两侧的上覆煤层采空区(12)的下伏岩层区各布置一排钻孔应力计(16)，用于实现末采区域的上覆煤柱(11)与煤柱的下伏岩层区(17)全过程和全区域调压监测，并通过监测数据调整钻孔间距和钻孔直径，并为调压洞调压提供依据。
7.根据权利要求5所述的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统的使用方法，其特征在于，所述实施调压洞群及安装调压系统的步骤，具体包括：
步骤一：通过机械等造洞设备，从上覆煤层大巷(15)，在上覆煤柱(11)内部每隔一定间距布置一定长度的一层或者多层调压洞群(11c)，所述调压洞群(11c)包括煤柱中部区调压洞(11cc)、煤柱右侧区调压洞(11cy)和煤柱左侧区调压洞(11cz)，所述调压洞群(11c)的两端为变径段，中部为圆柱体段，所述变径段分为平滑扩径区、平滑缩颈区、台阶扩径区和台阶缩颈区，优选实施煤柱中部区调压洞群(11cc)，实现煤柱压力及早释放；
步骤二：将推管(2)、推管连接螺母(2c)、调压弹性缩胀袋(1)、端部封孔栓(2b)、左右旋螺母(3a)、推送护罩(5)、双向调压二通阀(3)、定位环(4)连接成一个整体，并将该整体推送到煤柱调压洞(11cc)的腔体内，并注入一定压力的气体或者液体；
步骤三：按照步骤一和二依次实施其它调压洞；
步骤四：各个调压洞之间的推管(2)通过双向调压二通阀(3)、直角二通阀(6)、T形三通阀(7)、接长管(9)、可调压四通阀(8)、左右旋螺母(9a)及推管连接螺母(2c)连成一个完整的调压系统，并注入一定压力的气体或者液体达到设计的压力值；
步骤五：由后续的监测，通过调压螺栓(8a)进行调压，实现调压洞逐渐变形缩径，压力逐渐均衡释放，煤柱区的顶板逐渐下沉，煤柱区与上覆煤层采空区(12)的覆岩高度逐渐一致，覆岩整体稳定性有质的提高，显著降低并均衡末采区域的上覆煤柱(11)压力，保障工作面设备安全回撤。
8.根据权利要求5所述的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统的使用方法，其特征在于，所述监控及均衡调压的步骤，具体包括：
步骤一：提前布置的钻孔应力计(16)在钻调压洞群(11c)前既需要监测煤柱内压力变化，调压洞群(11c)的所有调压弹性缩胀带(1)注满液体或者气体支撑调压洞壁，使得调压洞群(11c)的调压处于渐进调压过程，且可保障上覆煤柱(11)不会突然失稳；
步骤二：依次实施后续调压洞群(11c)及安装调压弹性缩胀带(1)，根据监测结果调整调压洞群(11c)参数，多个调压洞群(11c)实施后，如果上覆煤柱(11)压力减弱程度不明显，需要进一步缩小调压洞间距(m0)及增大调压洞直径，所述的调压弹性缩胀袋(1)的长度宜为1-10m，膨胀后的直径可与调压洞直径大小匹配，调压弹性缩胀袋(1)之间的间距宜为0-5m，调压洞直径包括两侧区的调压洞直径(d1)和中部区的调压洞直径(d0)；
步骤三：安装完调压系统后，监测钻孔应力计(16)与压力表(10)的数据变化及调压系统的卸压情况，通过可调压四通阀(8)渐进降低调压系统的压力值，进而进一步均衡降低煤柱的应力集中程度；
步骤四：工作面回采至末采区域直至停采，超前采动应力必然引起钻孔应力计(16)数据异常增高，通过可调压四通阀(8)渐进降低调压系统的压力值，进而进一步均衡降低煤柱的应力集中程度，直至工作面支架全部安全回撤。
9.根据权利要求7所述的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统的使用方法，其特征在于，当多层实施调压洞时，先实施上层调压洞，再实施下层调压洞，各层调压洞的层间距宜为0-3m，各层调压洞的长度差宜为2-10m，上层调压洞长、下层调压洞短型，或者上层调压洞短、上层调压洞长型，从而形成层间过渡区。
10.根据权利要求8所述的一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统的使用方法，其特征在于，所述调压洞间距(m0)宜为0-5m，间距越小，煤柱压力降低程度越大；
所述两侧区的调压洞直径d1和中部区的调压洞直径(d0)宜为0.3-1.5m，直径越大，煤柱压力降低程度越大；
所述上覆煤柱(11)的厚度＜3.5m时，只需要实施一层调压洞群(11c)，所述的上覆煤柱(11)的厚度≥3.5m且＜8m时，可实施1-2层调压洞群(11c)，所述的上覆煤柱(11)的厚度≥8m时，可实施2层及以上调压洞群(11c)，调压洞群(11c)层数越多，煤柱压力降低程度越大。
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| CN202310149598.XA CN116122904A (zh) | 2023-02-22 | 2023-02-22 | 一种用于均衡降低上覆煤柱集中应力的系统及使用方法 |
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Cited By (1)
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| CN117189112A (zh) * | 2023-11-07 | 2023-12-08 | 中国矿业大学(北京) | 遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统及方法 |
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2023
- 2023-02-22 CN CN202310149598.XA patent/CN116122904A/zh active Pending
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| CN117189112B (zh) * | 2023-11-07 | 2024-01-12 | 中国矿业大学(北京) | 遗滞煤柱定向钻扩孔-异孔除渣协同造洞卸控系统及方法 |
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