WO2021103533A1 - 一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法 - Google Patents

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孙元田
常庆粮
孙长伦
毕瑞阳
许嘉徽
荣浩宇
何锦涛
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中国矿业大学
徐州中矿大贝克福尔科技股份有限公司
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Abstract

一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,包括步骤:在超前工作面沿巷道(18)延伸方向开设多个钻孔(1),钻孔(1)倾斜地延伸到基本顶(3)内部;在钻孔(1)下方安装冲击波装置(4),将冲击波产生器(7)送至钻孔(1)底部,封孔器(5)与孔口密封配合;从注水口(8)向钻孔(1)内注水,注满后启动冲击波产生器(7),使冲击波沿巷道(18)延伸方向进行冲击;冲击波产生器(7)在钻孔(1)底部重复加载使岩层(14)破碎达到一定范围后,将推杆(6)收缩进行下一阶段作业,直至推杆(6)收缩至孔口处,完成第一个钻孔(1)作业;进行下一个钻孔(1)作业,直至完成所有钻孔(1)作业;岩层(14)在钻孔(1)贯通形成的预裂切缝(15)处发生剪切破断;工作面推过后,布置单体支架(16)进行临时支护。

Description

一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法 技术领域
本发明涉及一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,属于煤矿井下切顶卸压技术领域。
背景技术
我国煤矿开采主要为井工开采,随着工作面的推进,回采巷道侧的基本顶范围内的坚硬顶板会形成长臂梁悬顶,伴随工作面的周期来压,该悬顶以一定的角度向采空区倾斜,造成侧向集中应力增大,致使煤柱边缘煤体破坏、单体支柱折弯、锚杆锚索破断,继而集中应力向深部转移,最终引发一系列的矿压灾难。采场强矿压的存在严重影响着煤矿的安全生产,如何进行卸压成为解决问题的关键所在。
目前存在的卸压方式主要为切顶卸压,包括爆破法和水压致裂法,这两种方式虽然能在一定程度上减小矿压,但也存在着不可忽视的缺陷,具体表现为:爆破法在爆破钻孔切顶时的操作性差,极易造成过度爆破或爆破不足;爆破工程量及炸药消耗量大、成本高,并造成井下空气污染;爆破冲击易损坏支架,需二次加强支护;不适用高瓦斯矿井。水压致裂法的切顶速度慢,水压切割深度和范围很难控制,且水必须保持高压状态,操作难度大,不利于煤矿的高效生产。
发明内容
针对现有技术存在的一些问题,本发明提供一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,该方法具有切顶角度可控、冲击波幅值和冲击量可控、作业区域可控、作业点数和每个点上的重复作业次数可控的特点,无需炸药爆破、无需高压水,易于操作、无二次污染且安全性能好,高瓦斯矿井内也能使用,且作业能快速完成,能保证煤矿的安全高效生产。
为了实现上述目的,本发明提供的一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,包括以下步骤:
(1)基于沿空巷道原有的支护基础,在回采工作面回采前,超前工作面沿巷道延伸方向在岩层内等间距地开设多个钻孔,钻孔从直接顶倾斜地延伸到其上端的基本顶内部;
(2)在第一个钻孔下方安装冲击波装置,冲击波装置包括封孔器、推杆和冲击波产生器,冲击波产生器设置于推杆的上端,冲击波产生器和推杆的外径均小于钻孔的孔径;封孔器套装于推杆的外部,封孔器的外径与钻孔的孔径相适配,封孔器下方设置有连通封孔器与推杆之间的腔体的注水口,注水口的一侧设置水压监测表;冲击波装置外接操作台,操作台上设有数据显示器、波形显示器和用于控制冲击波装置的操作键;;
接通冲击波装置的电源,通过操作键将推杆的角度调整至与钻孔的倾斜角度相适配,顶升推杆将冲击波产生器送至钻孔底部,并使封孔器与孔口密封配合;
(3)通过注水口向钻孔内注水,注满后启动冲击波产生器,通过操作键控制冲击波的产生方向,使冲击波沿巷道延伸方向进行冲击,在钻孔的两侧产生冲击波;通过操作台上的波形显示器判断岩层的破碎情况,开始阶段岩层逐渐产生裂缝,通过注水口持续恒定的 向钻孔内低压注水,水沿着冲击波产生的裂缝进入岩层深部,并将冲击波耦合到岩层内;
(4)冲击波产生器在钻孔底部重复加载使岩层产生疲劳至破碎并达到一定的破碎范围后,根据数据显示器上显示的此时的冲击波的延伸范围,利用冲击波的波阵面结构,将推杆收缩至合适的作业段使冲击波产生器进行下一阶段的作业,直至推杆收缩至孔口处,则完成第一个钻孔的冲击作业;
(5)从第一个钻孔中将推杆和冲击波产生器抽出,重复步骤(2)~(4)进行下一个钻孔的作业,根据波形显示器、数据显示器的显示,通过操作键对冲击波产生器进行控制,使当前钻孔冲击波的破碎范围与前一个钻孔的冲击波破碎范围重合;直至完成所有的钻孔作业;
(6)所有进行冲击波破碎作业后的钻孔贯通形成一条预裂切缝,岩层在预裂切缝处发生剪切破断;预裂切缝不断向前作业,切顶卸压工作也不断向前进行;
(7)工作面推过后,及时布置单体支架进行临时支护,采空区岩层迅速沿预裂切缝结构面垮落形成巷帮,充分压实后,逐步回撤单体支架,并对矸石巷帮进行喷浆密闭处理,完成其中一段的切顶卸压沿空留巷工作;
(8)重复步骤(1)~(7),完成整条巷道的切顶卸压沿空留巷工作。
进一步地,步骤(1)中的钻孔需超前工作面30m进行,钻孔与煤层顶板之间的夹角为75度,孔径为75mm,相邻钻孔之间的间距为2m,钻孔底部打入岩层的基本顶顶端处。
进一步地,冲击波产生器的破碎半径为1m,;推杆每次作业的收缩距离为0.8~1m。
进一步地,步骤(3)中,水压控制在0.3~0.5MPa。
进一步地,步骤(4)中,冲击波产生的作用力在数十微秒内由零骤增,再经数百微秒又重新衰减到零,此过程为一次加载作业周期,可控冲击波单次加载作业时间为0.3~0.6ms;冲击波重复加载作用于岩层时,每一次加载作用对于下一次加载作用都是一次疲劳过程。
本发明通过在岩层内钻孔后利用具有可控性的冲击波对岩层进行破碎,相邻的钻孔间形成贯通的预裂切缝,实现了沿空留巷顶板的定向切割,作面回采后,基本顶在预裂切缝发生剪切破断,且及时垮落,减小了侧向悬臂长度,缓解了巷道区域应力集中,从而完成了卸压,在作业过程中,切顶角度可通过钻孔倾斜角度进行控制,冲击波幅值和冲击量可通过控制冲击波产生器进行控制,作业区域、作业点数和各作业点上的重复次数均可以根据岩层的破碎情况进行控制,且冲击波重复加载的时间短、作业效率高,能快速完成切顶作业;作业过程利用水将冲击波耦合到岩层进行破碎,安全性能好,可适用于高瓦斯矿井,动力扰动小,不会损坏支架,无需进行二次加强支护,不会污染井下空气;且该方法易于操作、成本低,为煤矿安全高效生产提供了保障。
附图说明
图1是本发明的整体布置示意图;
图2是本发明的冲击波装置的结构及其与钻孔的配合示意图;
图3是冲击波装置在岩层中的作业示意图;
图4是本发明的单体支架的布置示意图。
图中:1、钻孔,2、直接顶,3、基本顶,4、冲击波装置,5、封孔器,6、推杆,7、冲击波产 生器,8、注水口,9、水压监测表,10、操作台,11、数据显示器,12、波形显示器,13、操作键,14、岩层,15、预裂切缝,16、单体支架,17、采空区,18、巷道,19、回采工作面,20、煤层顶板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示,一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,包括以下步骤:
(1)基于沿空巷道18原有的支护基础,在回采工作面19回采前,超前工作面沿巷道18的延伸方向在岩层14内等间距地开设多个钻孔1,钻孔1从直接顶2倾斜地延伸到其上端的基本顶3内部;
(2)在第一个钻孔1下方安装冲击波装置4,冲击波装置4包括封孔器5、推杆6和冲击波产生器7,冲击波产生器7设置于推杆6的上端,冲击波产生器7和推杆6的外径均小于钻孔1的孔径;封孔器5套装于推杆6的外部,封孔器5的外径与钻孔1的孔径相适配,封孔器5下方设置有连通封孔器5与推杆6之间的腔体的注水口8,注水口8的一侧设置用于检测水压的水压监测表9;冲击波装置4外接操作台10,操作台10上设有数据显示器11、波形显示器12和用于控制冲击波装置4的操作键13;
接通冲击波装置4的电源,通过操作键13将推杆6的角度调整至与钻孔1的倾斜角度相适配,顶升推杆6将冲击波产生器7送至钻孔1底部,并使封孔器5与孔口密封配合;
(3)通过注水口8向钻孔1内注水,注满后启动冲击波产生器7,通过操作键13控制冲击波的产生方向,使冲击波沿巷道18延伸方向进行冲击,在钻孔1的两侧产生冲击波;通过操作台10上的波形显示器12判断岩层14的破碎情况,开始阶段岩层逐渐产生裂缝,通过注水口8持续恒定的向钻孔1内低压注水,水沿着冲击波产生的裂缝进入岩层14深部,并将冲击波耦合到岩层14内;
利用水将冲击波耦合到岩层14,水既能充当冲击波的传播介质,又能起到保护冲击波产生器7的作用;岩层14指代直接顶2和基本顶3形成的整体;
(4)冲击波产生器7在钻孔1底部重复加载使岩层14产生疲劳至破碎并达到一定的破碎范围后,根据数据显示器11上显示的此时的冲击波的延伸范围,利用冲击波的波阵面结构,将推杆6收缩至合适的作业段使冲击波产生器7进行下一阶段的作业,直至推杆6收缩至孔口处,则完成第一个钻孔1的冲击作业;
(5)从第一个钻孔1中将推杆和冲击波产生器抽出,重复步骤(2)~(4)进行下一个钻孔1的作业,根据波形显示器12、数据显示器11的显示,通过操作键13对冲击波产生器7进行控制,使当前钻孔冲击波的破碎范围与前一个钻孔的冲击波破碎范围重合;直至完成所有的钻孔作业;
(6)所有进行冲击波破碎作业后的钻孔1贯通形成一条预裂切缝15,岩层14在预裂切缝15处发生剪切破断;预裂切缝15不断向前作业,切顶卸压工作也不断向前进行;
(7)工作面推过后,及时布置单体支架16进行临时支护,采空区17岩层迅速沿预裂切缝15的结构面垮落形成巷帮,充分压实后,逐步回撤单体支架16,并对矸石巷帮进行喷浆密闭处理,完成其中一段的切顶卸压沿空留巷工作;
(8)重复步骤(1)~(7),完成整条巷道18的切顶卸压沿空留巷工作。
为保证安全和达到更好的切顶效果,步骤(1)中的钻孔1需超前工作面30m进行,钻 孔1与煤层顶板20之间的夹角为75度,孔径为75mm,相邻钻孔1之间的间距为2m,钻孔1底部打入岩层14的基本顶3顶端处。
为进一步保证切顶作业可控,冲击波产生器7的破碎半径为1m,;推杆6每次作业的收缩距离为0.8~1m;步骤(3)中,水压控制在0.3~0.5MPa。
为进一步提高作业效率,步骤(4)中,冲击波产生的作用力在数十微秒内由零骤增,再经数百微秒又重新衰减到零,此过程为一次加载作业周期,岩层14在这种急剧变化的载荷作用下,既产生运动,又产生变形,可控冲击波单次加载作业时间为0.3~0.6ms;冲击波重复加载作用于岩层14时,每一次加载作用对于下一次加载作用都是一次疲劳过程。
本发明通过在岩层内钻孔后利用冲击波对岩层进行破碎,使基本顶在形成的预裂切缝处发生剪切破断后及时垮落,减小了侧向悬臂长度,达到缓解巷道区域应力集中的目的,实现了切顶角度可控、冲击波幅值和冲击量可控、作业区域可控、作业点数和每个点上的重复作业次数可控,整个作业过程无需炸药爆破、无需高压水,易于操作、无二次污染且安全性能好,高瓦斯矿井内也能使用,且作业能快速完成,保证了煤矿的安全高效生产。

Claims (5)

  1. 一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,其特征在于,包括以下步骤:
    (1)基于沿空巷道(18)原有的支护基础,在回采工作面(19)回采前,超前工作面沿巷道(18)的延伸方向在岩层(14)内等间距地开设多个钻孔(1),钻孔(1)从直接顶(2)倾斜地延伸到其上端的基本顶(3)内部;
    (2)在第一个钻孔(1)下方安装冲击波装置(4),冲击波装置(4)包括封孔器(5)、推杆(6)和冲击波产生器(7),冲击波产生器(7)设置于推杆(6)的上端,冲击波产生器(7)和推杆(6)的外径均小于钻孔(1)的孔径;封孔器(5)套装于推杆(6)的外部,封孔器(5)的外径与钻孔(1)的孔径相适配,封孔器(5)下方设置有连通封孔器(5)与推杆(6)之间的腔体的注水口(8),注水口(8)的一侧设置用于检测水压的水压监测表(9);冲击波装置(4)外接操作台(10),操作台(10)上设有数据显示器(11)、波形显示器(12)和用于控制冲击波装置(4)的操作键(13);
    接通冲击波装置(4)的电源,通过操作键(13)将推杆(6)的角度调整至与钻孔(1)的倾斜角度相适配,顶升推杆(6)将冲击波产生器(7)送至钻孔(1)底部,并使封孔器(5)与孔口密封配合;
    (3)通过注水口(8)向钻孔(1)内注水,注满后启动冲击波产生器(7),通过操作键(13)控制冲击波的产生方向,使冲击波沿巷道(18)延伸方向进行冲击,在钻孔(1)的两侧产生冲击波;通过操作台(10)上的波形显示器(12)判断岩层(14)的破碎情况,开始阶段岩层(14)逐渐产生裂缝,通过注水口(8)持续恒定的向钻孔(1)内低压注水,水沿着冲击波产生的裂缝进入岩层(14)深部,并将冲击波耦合到岩层(14)内;
    (4)冲击波产生器(7)在钻孔(1)底部重复加载使岩层(14)产生疲劳至破碎并达到一定的破碎范围后,根据数据显示器(11)上显示的此时的冲击波的延伸范围,利用冲击波的波阵面结构,将推杆(6)收缩至合适的作业段使冲击波产生器(7)进行下一阶段的作业,直至推杆(6)收缩至孔口处,则完成第一个钻孔(1)的冲击作业;
    (5)从第一个钻孔(1)中将推杆(6)和冲击波产生器(7)抽出,重复步骤(2)~(4)进行下一个钻孔(1)的作业,根据波形显示器(12)、数据显示器(11)的显示,通过操作键(13)对冲击波产生器(7)进行控制,使当前钻孔(1)冲击波的破碎范围与前一个钻孔(1)的冲击波破碎范围重合;直至完成所有的钻孔(1)作业;
    (6)所有进行冲击波破碎作业后的钻孔(1)贯通形成一条预裂切缝(15),岩层(14)在预裂切缝(15)处发生剪切破断;预裂切缝(15)不断向前作业,切顶卸压工作也不断向前进行;
    (7)工作面推过后,及时布置单体支架(16)进行临时支护,采空区(17)岩层(14)迅速沿预裂切缝(15)结构面垮落形成巷帮,充分压实后,逐步回撤单体支架(16),并对矸石巷帮进行喷浆密闭处理,完成其中一段的切顶卸压沿空留巷工作;
    (8)重复步骤(1)~(7),完成整条巷道(18)的切顶卸压沿空留巷工作。
  2. 根据权利要求1所述的一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,其特征在于,步骤(1)中的钻孔(1)需超前工作面30m进行,钻孔(1)与煤层顶板(20)之间的夹角为75度,孔径为75mm,相邻钻孔(1)之间的间距为2m,钻孔(1)底部打入岩层(14)的基本顶(3)顶端处。
  3. 根据权利要求1或2所述的一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,其特征在于,冲击波产生器(7)的破碎半径为1m,;推杆(6)每次作业的收缩距离为0.8~1m。
  4. 根据权利要求3所述的一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,其特征在于,步骤 (3)中,水压控制在0.3~0.5MPa。
  5. 根据权利要求4所述的一种作业可控的切顶卸压沿空留巷方法,其特征在于,步骤(4)中,冲击波产生的作用力在数十微秒内由零骤增,再经数百微秒又重新衰减到零,此过程为一次加载作业周期,可控冲击波单次加载作业时间为0.3~0.6ms。
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