CN116658163A - 无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法 - Google Patents
无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，包括以下步骤：步骤一，准备对巷道靠近采帮一侧的顶板进行预裂切缝，先取顶板岩样测定硬度系数；步骤二，超前工作面根据岩石硬度系数进行钻孔；步骤三，在顶板破碎装置内装炸药，准备进行爆破工作；步骤四，进行“深孔－浅孔－深孔”式组合爆破；步骤五，工作面向前推采，液压支架周期性支撑回采空间；步骤六，工作面推采后，垮落矸石充填采空区。本发明采用上述方法，通过对采场靠近巷道侧坚硬顶板超前切缝和垮落块度调控，切断部分顶板的矿山压力传递，进而利用顶板岩层压力，利用顶板垮落岩石对采空区进行填充，实现自动成巷和无煤柱开采。
Description
技术领域
本发明涉及无煤柱自成巷开采技术领域，尤其是涉及一种无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法。
背景技术
采用无煤柱自成巷技术进行煤矿开采是未来矿井生产的大趋势，该技术主要是通过对采场靠近巷道侧顶板进行超前预裂，利用采场周期来压沿空切顶，减弱采场覆岩对巷道侧的应力传递效应，使得巷道处于支撑压力的减弱区，保证巷道围岩稳定性；同时利用矿山压力，通过顶板部分岩体和岩体垮落时的碎胀特性充填采空区，实现工作面采煤时自动形成巷道，并取消护巷煤柱。无煤柱自成巷开采技术可以有效减弱周期来压、减少采空区瓦斯、降低煤层自燃倾向，且能够大幅度降低回采巷道掘进率、提高煤炭资源回收率、降低煤炭开采成本。
该技术的关键是进行切顶，即切断采空区顶板和巷道顶板的传递，利用垮落的顶板矸石填充采空区，已进行了现场试验，并取得了显著的经济和技术效益。该技术的切顶采用的是双向聚能切缝技术，但是当该技术应用于坚硬顶板条件时，双向切缝完后，由于坚硬顶板完整性好，会造成工作面后方垮落的矸石块度较大。该技术存在两大问题：一是大块度矸石在垮落时势能增加更多，冲击到挡矸结构上时冲击力强，导致挡矸结构速度大，冲击挡矸结构造成失效，造成安全事故。另一方面，大块度矸石块度较大、碎胀性较差，斜撑巷道顶板效果不佳，影响成巷的稳定性。
针对以上的局限性，需要解决以下技术问题：
1、实现坚硬顶板条件下采空区顶板与巷道顶板切开，减少采空区顶板传递至巷道顶板上的力；
2、调控坚硬顶板条件下垮落矸石的块度尺寸，从而减小对挡矸结构的冲击，增强碎胀矸石对巷道顶板的承载能力，实现稳定成巷。
发明内容
本发明的目的是提供一种无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，包括以下步骤：
步骤一，准备对巷道靠近采帮一侧的顶板进行预裂切缝，先取顶板岩样测定硬度系数；
步骤二，超前工作面根据岩石硬度系数进行钻孔；
步骤三，在顶板破碎装置内装炸药，准备进行爆破工作；
步骤四，进行“深孔－浅孔－深孔”式组合爆破；
步骤五，工作面向前推采，液压支架周期性支撑回采空间；
步骤六，工作面推采后，调控块度后的矸石填充充填采空区。
优选的，步骤一中，采用标准三轴测试设备测定顶板岩石的硬度系数。
优选的，步骤二中，钻孔在同一条直线上。
优选的，钻孔之间的距离根据测试的岩性确定，当岩石硬度系数小于5时，钻孔间距为800mm，硬度系数5～10时，钻孔间距为600mm，硬度系数大于10时，钻孔间距为400mm。
优选的，步骤三中，顶板破碎装置包括聚能管，聚能管上设置有若干多向聚能孔，聚能孔外封装有塑料薄膜；在顶板破碎装置内装炸药，并插入顶板钻孔中，互相平行的两个聚能孔要平行于巷道方向，其余孔朝向采空区方向进行爆破。
优选的，在每相邻两个深孔中间实施一个浅孔，进行“深孔－浅孔－深孔”式组合爆破。
优选的，步骤五中，随着工作面向前推采，工作面液压支架随即前移支撑回采空间；在切缝影响范围内，通过液压支架升降系统对顶板岩层进行循环加载-卸载。
优选的，液压支架升降系统包括液压支架底座，液压支架底座设置在地面，液压支架底座的一侧为煤层，液压支架底座的另一侧为采空区，液压支架底座上设置有液压支架立柱，液压支架立柱与液压支架顶梁连接，液压支架顶梁的顶端与顶板连接，液压支架顶梁顶端设置了锥形合金破岩装置，用于加剧坚硬直接顶板的破碎。
因此，本发明采用上述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，具有以下有益效果：
1、本发明采用的方法通过对巷道靠近采帮一侧的顶板进行预裂切缝，有效的切缝可以使采空区部分顶板与巷道顶板分离，切断两者之间的应力传播途径，使两者有独立的变形特征，减弱采空区顶板运动造成的动压影响。
2、本发明采用的方法通过新的顶板破碎装置进行“深孔－浅孔－深孔”式组合爆破，并利用支架的循环周期性加卸载，使得在切缝深度范围内，坚硬顶板破碎程度加大，矸石块度减小。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例巷道顶板切缝位置刨面图；
图2为本发明实施例炮孔间距布置方法图；
图3为本发明实施例新的顶板破碎装置断面俯视图；
图4为本发明实施例切顶效果俯视图；
图5为本发明实施例坚硬顶板深浅孔组合爆破布置侧视图；
图6为本发明实施例工作面液压支架升降过程示意图。
附图标记
1、顶板；2、煤层；3、临时支护设备；4、挡矸结构；5、恒阻锚索支护；6、切缝线；7、采空区；8、装药孔；9、窥视孔；10、空孔；11、爆轰波张拉作用力；12、爆轰能量流；13、顶板预裂钻孔；14、聚能孔；15、塑料薄膜；18、爆破孔；19、顶板裂隙；20、浅孔；21、装药深度；22、封泥长度；23、液压支架立柱；24、液压支架顶梁；25、液压支架底座；26、锥形合金破岩装置；27、深孔。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
如图所示，本发明所述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，包括以下步骤：
步骤一，准备对巷道靠近采帮一侧的顶板1进行预裂切缝。先取顶板1岩样，并采用标准三轴测试设备测定顶板1岩石的硬度系数。标准三轴测试设备采用现有的结构。
在煤层2开采过程中，为了使顶板1岩石更容易垮落，对巷道靠近采帮一侧的顶板1进行预裂切缝，有效的切缝可以使采空区7部分顶板1与巷道顶板1分离，切断两者之间的应力传播途径，使两者有独立的变形特征，减弱采空区7顶板1运动造成的动压影响。但对于不易垮落的坚硬顶板1，采用传统的双向拉伸切顶技术后的顶板1垮落的矸石块度过大，不利于采空区7的填充以及其下落的冲击势能过大造成挡矸结构4损坏。
步骤二，超前工作面50m进行钻孔，钻孔中心线必须保证在同一条直线上。钻孔之间的距离根据测试的岩性确定，当岩石硬度系数小于5时，钻孔间距为800mm，硬度系数5～10时，钻孔间距为600mm，硬度系数大于10时，钻孔间距为400mm。
步骤三，在顶板破碎装置内装炸药，准备进行爆破工作。具体地，在顶板破碎装置内装炸药，炸药采用不耦合装药形式，炸药通过聚能孔14用铁丝固定于顶板破碎装置内，并插入顶板1钻孔中，互相平行的两个聚能孔14要平行于巷道方向，其余孔朝向采空区7方向进行爆破。
顶板破碎装置包括聚能管，聚能管上设置有若干多向聚能孔14，聚能孔14外封装有塑料薄膜15。顶板破碎装置由聚乙烯材料制作，聚能管为长度为1000mm的管。岩石硬度系数小于5时聚能孔14为两排孔，即为常规的；硬度系数f＝5～10时，聚能孔14设计为三排孔；硬度系数f大于10时，聚能孔14设计为五排孔。通过顶板破碎装置能够实现胀裂切顶，对坚硬顶板1进行破碎，使垮落后的矸石块体减小。
步骤四，在每相邻两个深孔27中间实施一个浅孔20，进行“深孔－浅孔－深孔”式组合爆破。深孔27爆破按照设计的装药深度21及封泥长度22进行爆破，浅孔20爆破则降低炮孔深度(小于深孔27爆破时的一半)，并相应减小封泥长度22，以实现深浅孔组合爆破。
在进行预裂切缝时，由于顶板1坚硬，孔口段受封孔影响无法进行装药，导致孔口封泥段无明显裂缝。为解决此难题，提出了“深-浅孔组合爆破技术”；浅孔20爆破后将会在炮孔浅部形成贯穿的裂缝面，而深孔27爆破时，在炮孔深部形成深部聚能爆破应力场，经过聚能孔14导向预裂形成初裂隙，爆生气体楔入初裂隙张裂岩体形成主裂缝，贯通后形成了定向预裂面。通过深-浅孔组合爆破使得在切缝深度范围内，坚硬顶板1破碎程度加大，矸石块度减小。
步骤五，随着工作面向前推采，工作面液压支架随即前移支撑回采空间，在切缝影响范围内(具体可根据液压支架工作阻力值的变化范围进行判定)，通过液压支架升降系统对顶板1岩层进行循环加载-卸载，加大坚硬顶板1的破坏程度及范围，在每个周期来压步距以内，进行至少两次压裂，每次压裂进行2～3次循环加载、卸载。
液压支架升降系统包括液压支架底座25，液压支架底座25设置在地面，液压支架底座25的一侧为煤层2，液压支架底座25的另一侧为采空区7，液压支架底座25上设置有液压支架立柱23，液压支架立柱23与液压支架顶梁24连接，液压支架顶梁24的顶端与顶板1连接，，液压支架顶梁24顶端设置了锥形合金破岩装置26，用于加剧坚硬直接顶板1的破碎。顶板1上分布有液压支架顶梁24所破碎的顶板裂隙19。
在切缝影响区内通过液压支架升降系统加剧破裂顶板1，工作面液压支架可提供较大的支撑力，该力不仅可以支撑工作面回采后的顶板1岩层不会立即垮落，而且还可通过升降液压支架立柱23高度使得支撑高度略大于开采高度，配合锥形合金破岩装置26使用，以加大顶板1一定范围内的岩层破碎程度，而通过“升柱-降柱”来对顶板1岩层进行循环加载和卸载，使得顶板1破碎，最终垮落效果更佳。一般来说，切顶影响范围内的支架进行反复承载升降，硬度系数f＝5～10时，每次移架步距升降2～3次；硬度系数f大于10时，每次移架步距升降4～6次。
步骤六，工作面推采后，由于提前进行了定向爆破、深浅组合爆破、液压支架升降操作，采空区7后方矸石垮落块度降低，矸石尺寸得到控制，可以及时充填采空区7，同时也便于挡矸、节省成本。
图1为本发明实施例巷道顶板切缝位置刨面图。图1中包括顶板1、下一工作面煤层2、临时支护设备3、挡矸结构4、恒阻锚索支护5、切缝线6、采空区7，挡矸结构4、恒阻锚索支护5均采用现有的结构。
图2为本发明实施例炮孔间距布置方法图。图2中包括装药孔8、窥视孔9、空孔10，首先根据岩石的性质确定两孔之间的距离，进行单孔试验，确定合理的装药量和封泥长度22，再进行间隔爆破，观察两相邻装药孔8间窥视孔9内裂纹情况。如两相邻装药孔8间窥视孔9裂纹未达到裂缝率要求标准，再进行一次连续爆破试验，最终确定一次爆破孔18数以及爆破方式等。
图3为本发明实施例新的顶板破碎装置断面俯视图。图3中包括上方的采空区7侧顶板1、下方的巷道顶板1、爆轰波张拉作用力11、爆轰能量流12、顶板预裂钻孔13、聚能孔14、塑料薄膜15。图3中第一幅图代表两排聚能孔14的顶板破碎装置断面俯视图，第二幅图代表三排聚能孔14的顶板破碎装置断面俯视图，第三幅图代表五排聚能孔14的顶板破碎装置断面俯视图。使用时，平行方向的两个聚能孔14安装时要与巷道方向平行，其余多孔的位置要朝向采空区7方向，爆破时可以充分破坏采空区7顶板1完整性，使垮落矸石体积减小，更容易充填采空区7。
图4为本发明实施例切顶效果俯视图。图4中包括上方的采空区7侧顶板1，下方的巷道顶板1、爆破孔18、爆破所形成的切缝线6、与切缝线6呈90°的采空区7顶板裂隙19、与切缝线6呈45°的采空区7顶板裂隙19。
图5为本发明实施例坚硬顶板深浅孔组合爆破布置侧视图。图5中包括坚硬顶板1、深孔27形成的爆破孔18、浅孔20形成的爆破孔18、爆破装药深度21、爆破封泥长度22、深孔27爆破形成的切缝线6、浅孔20爆破形成的切缝线6。
图6为本发明实施例工作面液压支架升降过程示意图。图6中包括液压支架立柱23、液压支架顶梁24、液压支架底座25、与液压支架顶梁24直接接触的顶板1、煤层2、工作面采空区7、锥形合金破岩装置26、液压支架顶梁24所破碎的顶板裂隙19。锥形合金破岩装置26采用现有的结构。
因此，本发明采用上述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，通过对采场靠近巷道侧顶板超前切缝，切断部分顶板的矿山压力传递，进而利用顶板岩层压力，利用顶板垮落岩石对采空区进行填充，实现自动成巷和无煤柱开采。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，准备对巷道靠近采帮一侧的顶板进行预裂切缝，先取顶板岩样测定硬度系数；
步骤二，超前工作面根据岩石硬度系数进行钻孔；
步骤三，在顶板破碎装置内装炸药，准备进行爆破工作；
步骤四，进行“深孔－浅孔－深孔”式组合爆破；
步骤五，工作面向前推采，液压支架周期性支撑回采空间；
步骤六，工作面推采后，调控块度后的矸石填充采空区。
2.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，其特征在于：步骤一中，采用标准三轴测试设备测定顶板岩石的硬度系数。
3.根据权利要求2所述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，其特征在于：步骤二中，钻孔中心线在同一条直线上。
4.根据权利要求3所述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，其特征在于：钻孔之间的距离根据测试的岩性确定，当岩石硬度系数小于5时，钻孔间距为800mm，硬度系数5～10时，钻孔间距为600mm，硬度系数大于10时，钻孔间距为400mm。
5.根据权利要求3所述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，其特征在于：步骤三中，顶板破碎装置包括聚能管，聚能管上设置有若干多向聚能孔，聚能孔外封装有塑料薄膜；在顶板破碎装置内装炸药，并插入顶板钻孔中，互相平行的两个聚能孔要平行于巷道方向，其余孔朝向采空区方向进行爆破。
6.根据权利要求5所述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，其特征在于：在每相邻两个深孔中间实施一个浅孔，进行“深孔－浅孔－深孔”式组合爆破。
7.根据权利要求6所述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，其特征在于：步骤五中，随着工作面向前推采，工作面液压支架随即前移支撑回采空间；在切缝影响范围内，通过液压支架升降系统对顶板岩层进行循环加载-卸载。
8.根据权利要求7所述的无煤柱自成巷采空区坚硬顶板垮落矸石块度调控方法，其特征在于：液压支架升降系统包括液压支架底座，液压支架底座设置在地面，液压支架底座的一侧为煤层，液压支架底座的另一侧为采空区，液压支架底座上设置有液压支架立柱，液压支架立柱与液压支架顶梁连接，液压支架顶梁的顶端与顶板连接，液压支架顶梁顶端设置有锥形合金破岩装置。
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