CN112647945A - 一种用于保护层开采坚硬顶板切顶方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于保护层开采坚硬顶板切顶方法，属于采矿工程矿压控制与切顶卸压技术领域，本发明采用理论计算***切顶位置，确定钻孔参数，开始钻孔施工、装药、封孔；按照理论结果进行阶段性***切顶；最后检验切顶效果。本发明以经典板结构理论、弹性基础梁理论为依据，结合实际顶板条件，采用***切顶的方法，缩短悬顶长度，有效控制了顶板垮落步距,操作性强、成本低、切顶速度快且效果好。尤其对于保护层开采，***切顶技术能有使煤岩体产生新的裂隙，扩大裂隙甚至贯通裂隙，增大煤岩体的破碎程度，极大地促进了瓦斯释放、流通，提高被保护层的透气性，进而提高抽采钻孔的预抽率，使瓦斯应力得以提前释放，有效地防治煤与瓦斯突出和冲击地压。
Description
技术领域
本发明属于采矿工程矿压控制与切顶卸压技术领域，具体涉及一种在工作面两侧巷道向坚硬顶板内布置双向钻孔，在钻孔内放置专用***药管对采空区大面积悬露的坚硬顶板进行***的强制切顶方法。
背景技术
工作面回采后由于矿山压力的作用，顶板产生周期性的垮落，形成工作面采空区。但对于煤层之上赋存有强度高、厚度大、整体性强、节理裂隙不发育、短期内不易自然垮落的坚硬顶板，导致采空区顶板不能紧跟工作面顶板冒落，形成长距离悬顶状态。
长距离悬顶容易造成初次来压和周期来压步距大，来压时产生动压冲击，损坏支架，典型的顶板冲击可造成高吨位液压支架立柱缸体炸裂；若悬露顶板冒落，产生的强烈风暴会摧毁、吹倒工作面设备，造成人员伤亡。尤其是对于保护层开采，大面积的坚硬顶板悬露而不垮落容易造成煤层透气性系数降低，使煤体瓦斯积聚、瓦斯压力增加、超标，给保护层抽采带来极大困难。
为了解决上述问题，通常采用拆卸锚索网、高压注水软化顶板等技术措施。但存在以下缺陷：①退锚索网增加工序，增加成本；②退锚后顶板仍可能存在长距离悬顶的问题；③高压注水对岩性有要求，对于砂岩、砾岩等不容易被水软化的顶板岩石，效果不明显；④高压注水不容易控制顶板垮落尺寸；⑤高压水容易泥化裂隙、节理，阻碍瓦斯释放。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种简易可行、容易控制、切顶效果好的通过合理布置钻孔***坚硬顶板的切顶方法，以解决在实施拆卸锚索网、高压注水等技术措施过程中发生的工序复杂、生产成本高、效果不明显、不易控制及仍会形成长距离悬顶等问题。
本发明提供的一种用于保护层开采坚硬顶板切顶方法，包括如下操作步骤：
步骤1、计算初次来压步距、周期来压步距；
L1—初次来压步距，m；
h—老顶岩层厚度，m；
Rt—老顶极限抗拉强度，MPa；
q—加于老顶上的载荷，KN/m2；
L2＝(0.25～0.5)L1
L2—周期来压步距，m；
步骤2、设置切顶作业位置；
为保证***切顶效果明显，故在回采工作面两条顺槽，距开切眼2倍初次来压步距分别布置一个钻场进行切顶作业，将布置好的这组钻场设定为第一组，之后的每组钻场与前一组钻场之间的间距均为2～3倍周期来压步距；
步骤3、设定钻孔参数；
每个钻场布置3个钻孔，分别为端头切断孔、老顶切断孔、块度控制孔，所述3个钻孔的孔间距均为1m，呈等边三角形排布，孔直径均为60mm～75mm；
其中，端头切断孔水平转角为75°，仰角为55°，孔深为20m；老顶切断孔水平转角为45°，仰角为20°～27°，孔深为45m～60m；块度控制孔水平转角为0°，仰角为10°～15°，孔深为60m～85m；
步骤4、钻孔施工、装药；
按照步骤3中钻孔参数在钻场内施工，并采用压风排渣方式把钻孔内的碎渣排除，为防止垮孔，当***孔施工完毕后，立即用探孔管探孔，验明孔深，验孔完毕且合格后，立即装药；其中，装药方式为：采用煤矿瓦斯抽排专用***药管装药，装入的药包直径为32mm～45mm，端头切断孔装入的药包长度为15m，老顶切断孔装入的药包长度为30m～45m，块度控制孔装入的药包长度为42m～60m；
步骤5、封孔；
钻孔施工、装药完毕后，进行封孔操作；封孔材料为速凝膨胀及不收缩水泥浆，端头切断孔封孔长度为5m，老顶切断孔封孔长度为15m，块度控制孔封孔长度为18m～25m；
步骤6、实施***切顶作业；
在完成封孔操作后，每隔10天起爆一组钻孔，起爆前，顺次检查起爆网路，查看线路连接，检测符合安全起爆标准后起爆，***时使用风水喷雾、***后冲刷岩帮、开放水幕；
步骤7、切顶作业效果检验；
通过对切顶工作面液压支架受力及缩量监测观测，得出矿压显现特征和顶板来压规律；通过对比分析***切顶前后瓦斯含量、煤体瓦斯压力、抽采浓度变化及风排瓦斯量变化情况，得出切顶作业对保护层开采的影响。
上述一种用于保护层开采坚硬顶板切顶方法，其中：
所述步骤6中，所述的一组钻孔，含有6个钻孔；由步骤2可知，将钻场分为组，每组含有2个钻场，之后步骤3中对每个钻场布置3个钻孔，故一组钻孔含6个钻孔；另外，由于***连线为孔内、孔间串联方式，故该步骤中所述的顺次检查起爆网路即为沿串联引线检查起爆网路。
本发明具有如下优点：
本发明根据坚硬顶板工作面地质条件，采用理论计算***切顶位置，确定钻孔参数，开始钻孔施工、装药、封孔；按照理论结果进行阶段性***切顶；最后检验切顶效果。本发明以经典板结构理论、弹性基础梁理论为依据，结合实际顶板条件，采用***切顶的方法，缩短悬顶长度，有效控制了顶板垮落步距,操作性强、成本低、切顶速度快且效果好。尤其对于保护层开采，***切顶技术能有使煤岩体产生新的裂隙，扩大裂隙甚至贯通裂隙，增大煤岩体的破碎程度，极大地促进了瓦斯释放、流通，提高被保护层的透气性，进而提高抽采钻孔的预抽率，使瓦斯应力得以提前释放，有效地防治煤与瓦斯突出和冲击地压。
附图说明
图1工作面前方切顶钻孔平面布置图。
图2工作面前方切顶钻孔剖面布置图。
图3钻场内钻孔布置示意图；图中123分别表示3个不同钻场。
图4钻孔装药及封孔示意图。
具体实施方式
结合实施例，对本发明方法做进一步说明。
某矿保护层工作面开采深度为1100m，走向长572m，倾向长150m，选用走向长壁全冒落采煤法，后退式回采。采面支护采用液压支架控制顶板，最大控顶距5.14m，最小控顶距4.54m。根据地质钻孔资料显示，煤层厚度1.0m，煤层倾角6°，属于薄煤层。直接顶为0～6m的砂质泥岩，老顶为9m中粒砂岩，属于坚硬顶板。存在的问题是：当采用垮落采煤法开采时，坚硬顶板能在采空区悬露很大面积而不垮落，来压时产生动压冲击，容易损坏支架；由于大面积顶板悬而不垮落，采空区积聚大量瓦斯，瓦斯浓度严重超限，严重危害矿井生产。
一种用于保护层开采坚硬顶板切顶方法，具体操作步骤如下：
步骤1、计算保护层工作面初次来压步距及周期来压步距；
老顶为中粒砂岩，厚度为9.0m，经实验室试验得出中粒砂岩极限抗拉强度Rt为6.5MPa，同时根据煤层柱状图得出加于老顶上覆载荷q为3.6×105，由此得出老顶初次来压步距L1为54m，周期来压步距L2最大为27m。
步骤2、设置切顶作业位置；
在回采工作面两条顺槽，距开切眼2倍初次来压步距，即108m处，分别布置一个钻场进行切顶作业，将布置好的这组钻场设定为第一组，之后的每组钻场与前一组钻场之间的间距均为70m，即约2.6倍周期来压步距，具体布置如图1所示。
步骤3、设定钻孔参数；
每个钻场布置3个钻孔，分别为端头切断孔、老顶切断孔、块度控制孔，如图3所示，3个钻孔的孔间距均为1m，呈等边三角形排布，上进风巷钻孔直径为60mm，下进风巷直径为75mm；
如图1、2所示，设定端头切断孔水平转角为75°，上进风巷仰角为55°，孔深为20m，下进风巷仰角为55°，孔深为20m；老顶切断孔水平转角为45°，上进风巷仰角为20°，孔深为45m，下进风巷仰角为27°，孔深为60m；块度控制孔水平转角为0°，上进风巷仰角为10°，孔深为60m，下进风巷仰角为15°，孔深为85m。
步骤4、钻孔施工、装药；
按照步骤3中钻孔参数在钻场内施工，并采用压风排渣方式把钻孔内的碎渣排除，以保证之后的探孔管和药管能顺利下放。当***孔施工完毕后，立即用探孔管探孔，验明孔深，验孔完毕且合格；
其中，装药方式为：采用煤矿瓦斯抽排专用***药管的装药，上进风巷装入的药包直径为32mm，下进风巷装入的药包直径为45mm。端头切断孔装入的药包长度为15m，上进风巷老顶切断孔装入的药包长度为30m，下进风巷老顶切断孔装入的药包长度为45m，上进风巷块度控制孔装入的药包长度为42m，下进风巷块度控制孔装入的药包长度为60m。
步骤5、封孔；
钻孔施工、装药后，如图4所示进行封孔操作；封孔材料为速凝膨胀及不收缩水泥浆，端头切断孔封孔长度为5m；老顶切断孔封孔长度为15m；上进风巷块度控制孔封孔长度为18m，下进风巷块度控制孔封孔长度为25m。
步骤6、***切顶作业；
封孔操作完成后，每隔10天起爆一组钻孔，起爆前，顺次检查起爆网路，查看线路连接，检测符合安全起爆标准后起爆，***时使用风水喷雾、***后冲刷岩帮、开放水幕。
步骤7、对切顶工作面液压支架受力及缩量监测观测；对比分析***切顶前后煤体瓦斯压力、抽采浓度变化等参数。
结果显示，顶板垮落特征为：工作面回采至52m处时，中部部分支架后开始出现零星垮落。采面推进到58m，对第一组切顶孔进行了***，***后大部分坚硬顶板垮落。支架最大压力26MPa，可推断老顶初次来压步距为55m，与理论计算基本符合。工作面推进至83m，出现全面垮落：大部分支架垮落，已到强制放顶区域。从以上顶板垮落过程可知：初次来压步距应该为55m，周期来压步距为20m～30m。在垮落过程中，支架压力显现不明显，一般在26MPa～27MPa，在正常可控范围内。
瓦斯参数变化特征为：回风巷***前后，***位置前后30m范围内平均抽放浓度由6.5％上升到57％，平均抽放负压由236mmHg下降到230mmHg，平均压差上升了0.2mmH2O，平均日抽放量由641m3上升至742m3；进风巷***位置前后30m范围内平均抽放浓度由18％上升至38.8％，平均抽放负压由235mmHg下降到210mmHg，平均压差下降了0.4mmH2O，平均日抽放量由984m3上升至1251m3。
综上所述，保护层开采坚硬顶板切顶方法有效控制了顶板垮落步距,操作性强、切顶速度快且效果显著。同时，扩大煤体裂隙甚至贯通裂隙，增大煤岩体的破碎程度，极大地促进了瓦斯释放、流通，提高被保护层的透气性，进而提高抽采钻孔的预抽率，取得了良好的效果。
Claims (4)
1.一种用于保护层开采坚硬顶板切顶方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、计算初次来压步距、周期来压步距；
L1—初次来压步距，m；
h—老顶岩层厚度，m；
Rt—老顶极限抗拉强度，MPa；
q—加于老顶上的载荷，KN/m2；
L2＝(0.25～0.5)L1
L2—周期来压步距，m；
步骤2、设置切顶作业位置；
在回采工作面两条顺槽，距开切眼2倍初次来压步距分别布置一个钻场进行切顶作业，将布置好的这组钻场设定为第一组，之后的每组钻场与前一组钻场之间的间距均为2～3倍周期来压步距；
步骤3、设定钻孔参数；
每个钻场布置3个钻孔，分别为端头切断孔、老顶切断孔、块度控制孔，所述3个钻孔的孔间距均为1m，呈等边三角形排布，孔直径均为60mm～75mm；
其中，端头切断孔水平转角为75°，仰角为55°，孔深为20m；老顶切断孔水平转角为45°，仰角为20°～27°，孔深为45m～60m；块度控制孔水平转角为0°，仰角为10°～15°，孔深为60m～85m；
步骤4、钻孔施工、装药；
按照步骤3中钻孔参数在钻场内施工，并采用压风排渣方式把钻孔内的碎渣排除，为防止垮孔，当***孔施工完毕后，立即用探孔管探孔，验明孔深，验孔完毕且合格后，立即装药；
步骤5、封孔；
钻孔施工、装药完毕后，进行封孔操作；
步骤6、实施***切顶作业；
在完成封孔操作后，每隔10天起爆一组钻孔，起爆前，顺次检查起爆网路，查看线路连接，检测符合安全起爆标准后起爆，***时使用风水喷雾、***后冲刷岩帮、开放水幕；
步骤7、切顶作业效果检验；
通过对切顶工作面液压支架受力及缩量监测观测，得出矿压显现特征和顶板来压规律；通过对比分析***切顶前后瓦斯含量、煤体瓦斯压力、抽采浓度变化及风排瓦斯量变化情况，得出切顶作业对保护层开采的影响。
2.根据权利要求1所述的一种用于保护层开采坚硬顶板切顶方法，其特征在于，所述步骤4中，采用的装药方式为：采用煤矿瓦斯抽排专用***药管装药，装入的药包直径为32mm～45mm，端头切断孔装入的药包长度为15m，老顶切断孔装入的药包长度为30m～45m，块度控制孔装入的药包长度为42m～60m。
3.根据权利要求1所述的一种用于保护层开采坚硬顶板切顶方法，其特征在于，所述步骤5中，进行封孔操作时，采用的封孔材料为速凝膨胀及不收缩水泥浆，端头切断孔封孔长度为5m，老顶切断孔封孔长度为15m，块度控制孔封孔长度为18m～25m。
4.根据权利要求1所述的一种用于保护层开采坚硬顶板切顶方法，其特征在于，所述步骤6中，所述的一组钻孔，含有6个钻孔；所述的顺次检查起爆网路即为沿串联引线检查起爆网路。
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