CN104213919A - 一种浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，包括以下步骤：A、开采煤层前，从地面打钻孔预裂***煤层的顶底板岩层或岩柱；B、对开采的煤层进行注水软化和卸压***；C、开采煤层后，深孔***煤层的顶底板，提前切断顶底板的悬顶，释放积聚的弯曲弹性能；D、煤层开采后将不可燃物品充填入工作面采空区。本发明通过多种措施释放顶底板的能量，能较好的预防顶底板岩层或岩柱断裂诱发强烈的冲击地压灾害，有效减少浅埋急倾斜煤层开采过程中动力灾害的显现强度，降低矿井的工人生命和财产损失。

Description

一种浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法

技术领域

本发明涉及一种浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，属于煤矿开采冲击地压的防治技术领域。

背景技术

近年来，随着我国煤矿开采深度的逐年增加，很多矿区冲击地压问题越来越严重。煤岩体中的压力超过煤岩体的强度极限，聚积在巷道或采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生***性事故，动力将煤岩抛向巷道，同时发出剧烈声响，是一种开采诱发的矿山地震，更是一种灾害，不仅造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，还会引发瓦斯、煤尘***以及水灾，干扰通风***，严重威胁着煤矿的生产安全。

我国煤矿发生冲击地压的条件极为复杂，从自然地质条件来看，除褐煤以外的各种煤种都记录到了冲击地压现象，采深从200m到800m不等，地质构造从简单到复杂，煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，顶板包括砂岩、页岩等均发生过冲击地压现象；从生产技术条件来看，水采、水砂充填、综采、炮采、机采等各种工艺，长壁、短壁、巷柱、倾斜分层、倒台阶、房柱式等各种方法也均出现过冲击地压现象。目前针对深部冲击地压包括急倾斜煤层冲击地压的防治方法很多，但是对于如图1所示倾角处于45°至90°的浅埋急倾斜煤层，却没有效果显著的防治措施，譬如我国西部特别是新疆矿区存在一定储量的急倾斜浅埋煤层，煤层开采后，会出现较大的采空区，由于浅埋以及倾角较大，顶底板受到的自然力不足以使其垮落，岩层或岩柱会出现断裂失稳现象，断裂后产生强烈的震动，就会波及并诱发相邻煤层出现冲击地压从而引发事故。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，有效预防顶底板岩层或岩柱断裂诱发强烈的冲击地压灾害，减少浅埋急倾斜煤层开采过程中动力灾害的显现强度，提高矿井生产的安全系数。

本方法包括以下步骤：

A、开采煤层前，从地面打钻孔预裂***煤层的顶底板岩层或岩柱；

B、对开采的煤层进行注水软化和卸压***；

C、开采煤层后，深孔***煤层的顶底板，提前切断顶底板的悬顶，释放积聚的弯曲弹性能；

D、煤层开采后将不可燃物品充填入工作面采空区。

步骤A、步骤B和步骤C中的***方法如下：

a、确定炮眼深度：***深度的确定应符合深入应力集中区的原则，***范围应在应力集中区；

b、确定孔距：根据压碎区和破裂区的宽度确定孔距使相邻两爆孔的破碎区贯通；

c、确定装药量：每个钻孔的装药长度为钻孔深度的1/3；

d、选择***方式：采用毫秒***分组***，每次3～5个孔同时起爆。

步骤B中采用煤层注水软化和卸压***的方法如下：

a、确定孔深和孔距：①所选择的孔深、孔距能够使煤体普遍湿润，不出现大的无水区；②煤层沿倾向和走向方向同时被湿润；③钻孔穿过煤层的夹石层，且不穿至顶底板；

b、确定注水压力和注水时间：注水压力保持在6-10MPa，采用高压和静压注水相结合的方法，用手动泵调节静压维持在6MPa以上，并使用两台乳化液泵交替工作；

c、孔内松动***：先封孔后***或者先***后封孔，使孔内煤体松动有利于煤体注水；

d、选择注水方式：采用间歇注水法，并在水中添加表面活性剂。

步骤D中采空区的充填方法可以采用水力充填工艺、粉煤灰充填工艺、风力充填工艺、矸石自溜充填工艺、矸石带状充填工艺、高浓度浆液充填工艺、离层带注浆技术、膏体充填工艺、超高水材料充填工艺或煤矿似膏体充填工艺。

优选的，超高水材料充填工艺中的超高水材料为ZKD型高水速凝充填材料。

进一步的，倾角接近90°的煤层采用水平分段综采放顶煤开采方式。

本发明主要针对浅埋急倾斜煤层所产生的冲击地压现象所作出的防治方法，通过地面打钻孔预裂***煤层的顶底板对岩层或岩柱初步卸压，为煤层开采工作提供安全防范；并对开采的煤层进行注水软化和卸压***，降低其冲击倾向性型；煤层开采后通过深孔***煤层的顶底板，提前切断顶底板的悬顶，进一步大范围释放积聚的弯曲弹性能；最后及时充填采空区，防止顶底板岩柱发生断裂失稳，减缓地表变形防止其下沉，减少对生态环境的破坏；这种方法能较好的预防顶底板岩层或岩柱断裂诱发强烈的冲击地压灾害，能有效减少浅埋急倾斜煤层开采过程中动力灾害的显现强度，降低矿井的工人生命和财产损失。

附图说明

图1为煤层倾角大于45°且小于90°的示意图；

图2为煤层倾角等于90°的示意图；

图3为深孔***示意图；

图中：1为煤层开采前地面钻孔***位置；2为煤层开采后深孔***位置。

具体实施方式

一种浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，包括以下步骤：

A、如图3所示，开采煤层前，从地面打钻孔预裂***煤层的顶底板岩层或岩柱，1为煤层开采前地面钻孔***位置；

卸压***是通过在岩柱中实施钻孔及***来改变应力分布的一种卸压措施。在岩柱中震动***能最大限度地释放积聚在岩柱中的弹性能，形成卸压破坏区，降低整体性。卸压***是冲击矿压解危措施中最常用的一种方法，***后的岩体会充填采空区，增加了岩体或岩柱的稳定性，降低了冲击地压发生的可能性。

根据深孔***理论，***后从钻孔中心沿径向向外依次形成三个区：压碎区、破裂区以及弹性震动区。其中，压碎区的岩石在***冲击波的作用下粉碎，岩石变为粉末；破裂区岩石结构破坏，且原有裂隙扩展，产生新的裂隙；弹性震动区属于弹性变形区，其变形属于可恢复变形，其岩石结构并未受到破换。前两区属于塑性变形区，其岩石结构受到破坏，裂隙增多加大，而最后区属于弹性变形区，岩石结构在应力恢复之后并未发生变化。

卸压***能够同时局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件，即在有冲击地压危险的岩柱一定宽度的条带内破坏岩体的结构，改变岩层的物理力学特性，加长岩体破坏峰后的长度，降低峰后曲线的斜率，使它不能积聚弹性能或达不到威胁安全的程度。

由于是浅埋煤层，从地面打钻孔成本较低，工作效率高，同时可以获得初步卸压作用，将离煤层最远的顶底板的能量初步释放。

***方法如下：

a、确定炮眼深度：***深度的确定应符合深入应力集中区的原则，***范围应在应力集中区；

b、确定孔距：根据压碎区和破裂区的宽度确定孔距使相邻两爆孔的破碎区贯通；

确定孔距的原则为：深孔***后所形成的破坏区(压碎区和破裂区)应相互贯通，以便使两者连接形成完全的卸压带；根据***理论，最佳的***间距应使相邻两爆孔的破碎区贯通，因此根据压碎区和破裂区的宽度就可确定孔距。

c、确定装药量：每个钻孔的装药长度为钻孔深度的1/3；

装药量是关系***卸压效果的关键参数，不合理的装药量不仅不能达到卸压效果，反而还可能对巷道产生破坏，甚至诱发冲击地压，因此合理的装药量十分重要。

d、选择***方式：采用毫秒***分组***，每次3～5个孔同时起爆。

B、对开采的煤层进行注水软化和卸压***；

煤层注水是通过高压向煤体注水，以改变煤体的物理性质及在煤岩体周围产生裂缝，起到降低煤体抗压强度和破坏原有结构以释放积累的能量，降低所受应力的目的，煤系地层岩层的单向抗压强度随着含水量的增加而降低。

煤层注水软化和卸压***的方法如下：

a、确定孔深和孔距：①所选择的孔深、孔距能够使煤体普遍湿润，不出现大的无水区；②煤层沿倾向和走向方向同时被湿润；③钻孔穿过煤层的夹石层，且不穿至顶底板；

尽量减少钻孔的工作量，但又以不能因钻孔过短或间距过大而使注水时间过长，钻孔应穿过煤层的夹石层且不穿至顶底板，以增加各个自然小分层湿润的均匀性。

影响孔深、孔距的主要因素：①煤层的透水性：煤层的透水性决定了水在煤体中的运动速度，因而对孔深和孔距有直接影响，在工作面倾斜长度相等的情况下，对透水性强、倾角较大的煤层，下向孔的深度可以选择较小值，其孔间距可以选取较大值，反之则应该加大孔深和缩小孔距；②煤层倾角:倾角越大，水的自重因素影响愈显著，在透水性强的煤层中可以适当缩短下向孔的深度，以防止水很快渗入机巷，使机巷煤壁过早泄水，影响走向方向上煤体的湿润。③工作面斜长:一般情况下，倾斜孔的深度随工作面斜长的加大而增加，以保证在预定的注水时间里湿润工作面全长。但应该注意使孔底与下机巷煤壁保持足够的距离，防止煤体尚未湿润时，从机巷煤壁泄水。④煤层的厚度和地质构造情况:在薄煤层中，为避免钻孔传入顶底板，可以适当缩短钻孔深度、延长注水时间，来达到全部湿润煤体；在地质构造复杂，倾角变化较大，褶曲断层较密时，按照避开地质构造为原则确定每个孔的具体深度，力求有较好的钻孔质量和注水效果。⑤注水压力和注水时间:注水压力和注水时间与钻孔深度和孔距有较强的相关性，当注水压力较高，注水流量较大，钻孔湿润半径较大时，可以适当减小孔的深度和增加孔间距；当注水压力一定，如果容许每孔有较长的注水时间，可以适当减小孔的深度和增加孔间距。

b、确定注水压力和注水时间：注水压力保持在6-10MPa，采用高压和静压注水相结合的方法，用手动泵调节静压维持在6MPa以上，并使用两台乳化液泵交替工作；

c、孔内松动***：先封孔后***或者先***后封孔，使孔内煤体松动有利于煤体注水；

d、选择注水方式：采用间歇注水法，并在水中添加表面活性剂。

为了提高注水效果还应保证成孔率，首先要选好注水孔位置，保证一次成孔；如出现钻孔废弃，重新选定的钻孔位置应与废弃的钻孔保持较大的距离，以避免封孔器爆裂和从废弃孔渗水。

两台乳化液泵交替工作是为了避免水温过高。

采用间歇注水法，有利于消除表明覆盖的气泡，提高毛细作用改善湿润效果；同时在间歇注水时，可以选择不同的泄水地点。

水进入煤体后，首先沿着裂隙、节理快速流动，水包围了被裂缝切割的煤块以后，再缓慢地通过微小的空隙向煤块内部渗透。其过程主要依靠毛细管力，(毛细管力是指毛细管中能使润湿其管壁的液体自然上升的作用力，此力指向液体凹面所朝向的方向，其大小与该液体的表面张力成正比，与毛管半径成反比，在地层毛细孔隙中常表现为两相不混溶液体弯曲界面两侧的压力差。)水对煤的湿润边角，反应煤对水分子的吸引力，湿润边角越小，毛细管力越大，因此在水中添加一些表面活性剂，可以提高毛细管力，加快注水速度，提高注水效率。

C、开采煤层后，深孔***煤层的顶底板，提前切断顶底板的悬顶，释放积聚的弯曲弹性能，2为煤层开采后深孔***位置；***方法与步骤A相同。

煤体开采后通过深孔***离煤层较近的顶底板，改变了岩石或岩柱的应力分布，大幅度释放冲击能量，进一步降低破坏性冲击危险性。

D、煤层开采后将不可燃物品充填入工作面采空区。

步骤D中采空区的充填方法可以采用水力充填工艺、粉煤灰充填工艺、风力充填工艺、矸石自溜充填工艺、矸石带状充填工艺、高浓度浆液充填工艺、离层带注浆技术、膏体充填工艺、超高水材料充填工艺或煤矿似膏体充填工艺。

充填开采法就是把废弃的矸石等不可燃物品充填入工作面采空区来控制顶板的冒落，以达到安全管理顶板的目的。充填开采可以控制地表下沉，保护生态环境，形成绿色开采。根据充填物的不同，充填开采分为固体废弃物充填、膏体充填、超高水充填等几种；根据充填工艺的不同可分为上述几种充填方法，下面简要描述所述的几种充填方法。

水力充填工艺：水力充填法是采用水力输送方式，通过充填管路将充填料浆送入采空区进行充填的煤矿采空区充填工艺；

粉煤灰充填工艺：粉煤灰充填法是通过充填管路将废弃的粉煤灰送入采空区进行充填的工艺；

风力充填工艺：风力充填采煤法是利用压缩空气的风压，将充填材料通过垂直管路输送到井下贮料仓，然后由普通输送机输送到采空区风力充填机，风力充填机利用风压,通过充填管道将充填材料输送到采空区进行充填；

矸石自溜充填工艺：矸石自溜充填工艺是用单轨吊车、齿轨车或卡轨车等新型辅助运输工具把矸石由掘进工作面直接运输、倾卸到采空区，当煤层倾角较大时，采用矸石自溜充填法对采空区进行充填；

矸石带状充填工艺：矸石带状充填是沿工作面开切眼或推进方向，每隔一定距离垒砌一个矸石带来支撑顶板，以达到减少地表下沉的目的；

高浓度浆液充填工艺：采空区高浓度浆液充填是将膏状的高固低水浆液在地面制备后，用管道输送矿井下工作面，在工作面推进过程中同时充填采空区，利用冒落带特性，在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前，由钻孔向离层空间注浆，具有固化功能的细粒级浆体填充离层和冒落空间，在有限的时间内充填材料与冒落矸石胶结后，形成固化体与冒落的岩块共同支撑上覆岩层，发送了采空区上覆岩层的物理力学性质，起到减缓地表变形的作用；

离层带注浆技术：离层带注浆是指在一定的地质条件下，开采空间达到一定尺寸时，采空区上覆岩层中断裂带与弯曲带的结合部一定范围内岩层会出现离层，通过地面钻孔向离层带内注入粉煤灰等充填材料，并在岩体中形成一种支撑结构来控制覆岩下沉，进而达到控制地表下沉的目的；

膏体充填工艺：膏体充填是在煤层采出后顶板冒落前，将煤矸石、粉煤灰、劣质土等固体废物制作成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到回采工作面，对采空区的一部分空间进行充填，构筑相间的充填条带，靠充填条带支撑覆岩，适时充填采空区，膏体充填分胶结膏体充填、非胶结膏体填。该充填技术具有高采出率、环保、高安全性、管道运输、材料选择广泛等优点；

超高水材料充填工艺：超高水材料充填技术采用高水速凝充填材料作为充填材料，并采用水力泵送、挂包充填；其基本工艺流程如下：制作高水速凝充填材料，将材料送至泵，然后由泵送进行充填，随时监控充填情况；

优选的，超高水材料充填工艺中的超高水材料为ZKD型高水速凝充填材料；ZKD型高水速凝材料由甲料、乙料两种组分构成，甲、乙料以重量比1:1配合使用，其中甲料是以硫铝酸盐水泥熟料为基材，与悬浮剂及少量超缓凝剂混磨而成，乙料是由石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝早强剂等混磨而成；

煤矿似膏体充填工艺：煤矿似膏体充填技术是利用全砂土固结材料(选用工业废渣，如沸腾炉渣、钢渣、高炉水淬矿渣，再加入适量天然矿物及化学激发剂，经磨细、均化等工艺，制成的一种粉状物料)做胶结剂，工业垃圾或河砂等作骨料，骨料中配以15％～30％的细粒级砂(-37μm)，制成重量浓度为74％～76％，外观近似膏体一样的浆体(称之为“似膏体”)进行充填，称为“似膏体充填”；似膏体充填料浆既具有水力充填料浆良好的流动性，又具有膏体充填强度高、井下不脱水的优点，煤矿似膏体充填技术改善了井下的采矿作业环境，降低了充填采矿费用，提高了充填采矿生产效率，提升了安全采矿水平，似膏体充填还可以有效地控制地压活动，并避免内因火灾的发生。

针对浅埋急倾斜煤层的开采，由于开采后留下的采空区空间会使相邻岩层或岩柱失稳，进而诱发冲击地压，充填采空区后，增加了相邻岩层或岩柱的稳定性，因而能有效的防治冲击地压。

进一步的，如图2所示的倾角接近90°的煤层采用水平分段综采放顶煤开采方式。

综采放顶煤开采法是在煤层中，分段的于底部布置采高2m～3m的长壁采煤工作面，利用综合机械化采煤工艺或者其他回采工艺进行回采，并利用矿山压力的作用或辅以人工松动方法使支架上方的顶煤破碎成散体后由支架后方或上方放出并回收的采煤方法。

本发明主要针对浅埋急倾斜煤层所产生的冲击地压现象所作出的防治方法，通过地面打钻孔预裂***煤层的顶底板对岩层或岩柱初步卸压，为煤层开采工作提供安全防范；并对开采的煤层进行注水软化和卸压***，降低其冲击倾向性型；煤层开采后通过深孔***煤层的顶底板，提前切断顶底板的悬顶，进一步大范围释放积聚的弯曲弹性能；最后及时充填采空区，防止顶底板岩柱发生断裂失稳，减缓地表变形防止其下沉，减少对生态环境的破坏；这种方法能较好的预防顶底板岩层或岩柱断裂诱发强烈的冲击地压灾害，能有效减少浅埋急倾斜煤层开采过程中动力灾害的显现强度，降低矿井的工人生命和财产损失。

Claims (6)

1.一种浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、开采煤层前，从地面打钻孔预裂***煤层的顶底板岩层或岩柱；

B、对开采的煤层进行注水软化和卸压***；

C、开采煤层后，深孔***煤层的顶底板，提前切断顶底板的悬顶，释放积聚的弯曲弹性能；

D、煤层开采后将不可燃物品充填入工作面采空区。

2.根据权利要求1所述的浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，其特征在于：步骤A、步骤B和步骤C中的***方法如下：

a、确定炮眼深度：***深度的确定应符合深入应力集中区的原则，***范围应在应力集中区；

b、确定孔距：根据压碎区和破裂区的宽度确定孔距使相邻两爆孔的破碎区贯通；

c、确定装药量：每个钻孔的装药长度为钻孔深度的1/3；

d、选择***方式：采用毫秒***分组***，每次3～5个孔同时起爆。

3.根据权利要求1所述的浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，其特征在于：步骤B中采用煤层注水软化和卸压***的方法如下：

a、确定孔深和孔距：①所选择的孔深、孔距能够使煤体普遍湿润，不出现大的无水区；②煤层沿倾向和走向方向同时被湿润；③钻孔穿过煤层的夹石层，且不穿至顶底板；

b、确定注水压力和注水时间：注水压力保持在6-10MPa，采用高压和静压注水相结合的方法，用手动泵调节静压维持在6MPa以上，并使用两台乳化液泵交替工作；

c、孔内松动***：先封孔后***或者先***后封孔，使孔内煤体松动有利于煤体注水；

d、选择注水方式：采用间歇注水法，并在水中添加表面活性剂。

4.根据权利要求1所述的浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，其特征在于：步骤D中采空区的充填方法可以采用水力充填工艺、粉煤灰充填工艺、风力充填工艺、矸石自溜充填工艺、矸石带状充填工艺、高浓度浆液充填工艺、离层带注浆技术、膏体充填工艺、超高水材料充填工艺或煤矿似膏体充填工艺。

5.根据权利要求4所述的浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，其特征在于：超高水材料充填工艺中的超高水材料为ZKD型高水速凝充填材料。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的浅埋急倾斜煤层冲击地压的防治方法，其特征在于：倾角接近90°的煤层采用水平分段综采放顶煤开采方式。