CN116220680A - 冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿开采技术领域，提供一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，包括：确定卸压钻孔的位置，根据现场应力测试结果确定巷道煤柱的卸压钻孔的打孔位置；开挖钻场，在巷道煤柱的前方或侧方开挖钻场；钻卸压钻孔，通过位于钻场内的定向钻机在打孔位置沿巷道的平行方向钻卸压钻孔；对卸压钻孔进行压裂，采用后退式水力压裂的方式对卸压钻孔进行压裂。根据现场应力测试结果确定巷道煤柱的卸压钻孔的位置，并利用水力压裂的方式可以提高卸压效果，消除卸压对支护的干扰，发挥钻孔和压裂复合卸压作用，大幅提高卸压效果，降低煤柱载荷和钻孔卸压对支护区煤岩体损伤，解决冲击地压巷道煤柱卸压与支护之间的矛盾，有效保证巷道煤柱的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法。
背景技术
在工作面回采影响下，冲击地压巷道护巷煤柱受侧向支承应力集中作用，造成煤柱内大量弹性能聚集，引发煤体发生冲击破坏与失稳。为提高冲击地压巷道煤柱的稳定性，多采用钻孔卸压与锚杆支护共同控制。
冲击地压巷道煤柱采用卸压与锚杆或锚索支护时，由于两者都在煤柱中实施，卸压与支护相互干扰。采用传统钻孔卸压时，卸压孔平行锚杆或锚索布置，虽然钻孔为周围煤体提供变形破坏空间，降低了煤体能量的聚集。但是，由于钻孔孔径有限，硬煤条件下孔壁难以及时塌落，卸压作用有限；并且钻孔平行于锚杆或锚索布置，钻孔会破坏锚杆或锚索支护区煤体，冲击作用下造成锚杆或锚索托板后及周围煤体松动、破坏与掉落，造成托板不能紧贴煤壁，加速破坏支护区煤体完整性，引发锚杆或锚索支护***失效，造成煤柱失稳破坏。
发明内容
本发明提供一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，用以解决现有技术中传统钻孔卸压孔径有限，卸压效果不明显；且钻孔平行于锚杆或锚索布置，长期冲击作用下，钻孔诱发、加速破坏支护区煤体完整性，引发锚杆或锚索支护***失效，造成煤柱失稳破坏的缺陷。
本发明提供一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，包括：
确定卸压钻孔的位置，根据现场应力测试结果确定巷道煤柱的卸压钻孔的打孔位置；
开挖钻场，在所述巷道煤柱的前方或侧方开挖钻场；
钻所述卸压钻孔，通过位于所述钻场内的定向钻机在所述打孔位置沿巷道的平行方向钻所述卸压钻孔；
对所述卸压钻孔进行压裂，采用后退式水力压裂的方式对卸压钻孔进行压裂。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，所述巷道煤柱的两侧采用锚杆或锚索进行支护。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，所述确定卸压钻孔的位置，包括：
测量巷道煤柱宽度方向上的不同深度的应力值；
确定所述巷道煤柱的应力峰值区域；
在所述应力峰值区域内设置所述打孔位置。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，所述测量巷道煤柱宽度方向上的不同深度的应力值，包括：
在第一工作面和第二工作面的回采初期，在所述巷道煤柱靠近第一回采巷道和第二回采巷道的位置分别布置至少两组不同深度的钻孔；
在各个所述钻孔内设置应力计，各个所述应力计检测各个所述钻孔底部位置的应力值。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，还包括：
沿垂直于所述卸压钻孔的方向对所述卸压钻孔的塌孔位置处的破碎煤体进行加固。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，所述打孔位置与所述巷道煤柱上的锚杆位置重合或接近时，调整所述打孔位置至与其相邻的两个竖向锚杆或锚索的中间位置处。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，所述采用后退式水力压裂的方式对卸压钻孔进行压裂，包括：
通过水力压裂装置的注水杆将封孔器送到压裂位置；
通过水力压裂装置的高压泵向所述封孔器注水实现封孔；
通过所述注水杆及所述封孔器的孔眼向所述压裂位置进行注水、使压裂位置处的煤体形成裂缝网。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，沿所述卸压钻孔的方向，所述巷道煤柱上设置有多个所述压裂位置，沿所述卸压钻孔的尾端至头端的方向，依次对多个所述压裂位置进行压裂。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，所述沿垂直于所述卸压钻孔的方向对所述卸压钻孔的塌孔位置处的破碎煤体进行加固，包括：
所述定向钻机的钻杆后退远离所述塌孔位置；
沿垂直于所述卸压钻孔的方向打设注浆孔，所述注浆孔的深度为煤壁到破碎区；
向所述注浆孔内注入加固剂。
根据本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，当第一工作面回采时的巷道煤柱的应力峰值区域与第二工作面回采时的巷道煤柱的应力峰值区域重合时，在所述巷道煤柱上设置一个所述卸压钻孔。
本发明提供的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，根据现场应力测试结果确定巷道煤柱的卸压钻孔的位置，以科学合理布置卸压钻孔，并利用水力压裂的方式可以提高卸压效果，消除卸压对支护的干扰，充分发挥钻孔和压裂复合卸压作用，实现及时和充分卸压，大幅提高卸压效果，降低煤柱载荷，降低钻孔卸压对支护区煤岩体损伤，解决冲击地压巷道护巷煤柱卸压与支护之间的矛盾，有效保证了巷道煤柱的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的卸压钻孔布置的水平剖面图；
图2是本发明提供的巷道煤柱的竖向剖视图；
图3是本发明提供的水力压裂装置的示意图；
图4是本发明提供的封孔器的示意图；
图5是本发明提供的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法的流程图。
附图标记：
1、巷道煤柱；2、第一工作面；3、第二工作面；
4、第一巷道；5、第二巷道；6、锚杆；
7、第一卸压钻孔；8、第二卸压钻孔；9、破碎区；
10、压裂位置； 11、钻场； 12、注水装置；
13、注水杆； 14、封孔器； 15、孔眼；
16、注浆孔；17、第一曲线；18、第二曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1至图5描述本发明的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法。
如图1和图5所示，本发明提供的一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，可以包括步骤：
确定卸压钻孔的位置，根据现场应力测试结果确定巷道煤柱1的卸压钻孔的打孔位置；
开挖钻场11，在巷道煤柱1的前方或侧方开挖钻场11；
钻卸压钻孔，通过位于钻场11内的定向钻机在打孔位置沿巷道的平行方向钻卸压钻孔；
对卸压钻孔进行压裂，采用后退式水力压裂的方式对卸压钻孔进行压裂。
如此设置，根据现场应力测试结果确定巷道煤柱1的卸压钻孔的位置，以科学合理布置卸压钻孔，并利用水力压裂的方式可以提高卸压效果，消除卸压对支护的干扰，充分发挥钻孔和压裂复合卸压作用，实现及时和充分卸压，大幅提高卸压效果，降低煤柱载荷，降低钻孔卸压对支护区煤岩体损伤，解决了冲击地压巷道护巷煤柱卸压与支护之间的矛盾，有效保证了巷道煤柱1的稳定性。
在本发明的可选实施例中，巷道煤柱1的两侧采用锚杆6或锚索进行支护。这样，可以提高巷道煤柱1抗冲能力，实现冲击地压巷道两帮支护与卸压的有效协同控制，保证巷道煤柱1的稳定性。
在本实施例中，卸压钻孔垂直于锚杆6或锚索设置，可以降低钻孔卸压对支护区煤岩体的损伤。
这里，巷道煤柱1的两侧可以采用高预应力强力锚杆6进行支护，以提高锚杆支护***的完整性、强度与抗冲性能。
需要说明的是，可以根据位于巷道煤柱1两侧的第一回采巷道和第二回采巷道的地质条件、采动应力与地质构造等条件确定锚杆6的布置参数。
具体地，锚杆6可以采用具有高强度、高韧性、抗冲击的锚杆，锚杆6的直径可以为20-22mm，锚杆6的屈服强度不低于500MPa，锚杆6的预紧力不低于杆体屈服载荷的30％-60％。锚杆6采用预应力全长锚固，全长锚固时锚固段的长度超过锚固孔长度的90％，并且在锚固剂完全凝固前施加锚杆6预紧扭矩或预紧力。
锚索可以采用直径不低于22mm的钢绞线，锚索的破断力不低于530kN，锚索的预紧力不低于其破断力的50％。
在可选的实施例中，当打孔位置与巷道煤柱1上的锚杆6位置重合或接近时，调整打孔位置至与其相邻的两个竖向锚杆6或锚索的中间位置处。
这样，可以避免卸压钻孔与锚杆6或锚索形成干涉，可以进一步地避免卸压钻孔与支护相互干扰。
在本发明的可选实施例中，确定卸压钻孔的位置，可以包括：
测量巷道煤柱1宽度方向上的不同深度的应力值；
确定巷道煤柱1的应力峰值区域；
在应力峰值区域内设置打孔位置。
在可选的实施例中，测量巷道煤柱1宽度方向上的不同深度的应力值，可以包括：
在第一工作面2和第二工作面3的回采初期，在巷道煤柱1靠近第一回采巷道和第二回采巷道的位置分别布置至少两组不同深度的钻孔；
在各个钻孔内设置应力计，各个应力计检测各个钻孔底部位置的应力值。
这样，可以获得工作面超前不同深度的巷道煤柱1的应力值。
这里，巷道煤柱1同一侧的相邻两个钻孔的间距可以为1-3m，这里相邻两个钻孔的间距可以为1m。
在本实施例中，巷道煤柱1的两侧均可以布置有五个不同深度的钻孔，其中，五个不同深度的钻孔的深度可以分别为1m、2m、3m、4m、5m。
需要说明的是，这里钻孔的深度不超过巷道煤柱1宽度的一半。
在可选的实施例中，确定巷道煤柱1的应力峰值区域，可以包括：
基于各个应力计检测到的各个钻孔底部位置的应力值，得出煤柱的侧向支承应力分布，侧向支承应力的最大值处所对应的位置为应力峰值区域。
需要说明的是，如图1所示，第一曲线17为第一工作面2回采时的巷道煤柱1的侧向支承应力的分布情况，第二曲线18为第二工作面3回采时的巷道煤柱1的侧向支承应力的分布情况。第一工作面2和第二工作面3分别位于巷道煤柱1的两侧。
在本发明的可选实施例中，冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，还可以包括：
沿垂直于卸压钻孔的方向对卸压钻孔的塌孔位置处的破碎煤体进行加固。
这样，可以保证定向钻孔的完整性，并可以进一步提高巷道煤柱1的稳定性。
在可选的实施例中，沿垂直于卸压钻孔的方向对卸压钻孔的塌孔位置处的破碎煤体进行加固，可以包括：
定向钻机的钻杆后退远离塌孔位置；
沿垂直于卸压钻孔的方向打设注浆孔16；
向注浆孔16内注入加固剂。
这样，可以通过加固剂加固破碎煤体，以保证卸压钻孔成孔，从而保证注水杆能够进入卸压钻孔内。
这里，注浆孔16的深度为煤壁到破碎区9，破碎区9可以为塌孔位置周围的破碎煤体所在区域。
在本实施例中，加固剂可以为有机材料或无机材料或有机与无机材料的混合物，这里，加固剂可以为无机加固剂，无机加固剂可以为水泥和水玻璃的混合物。
需要说明的是，可以根据破碎区9调整注浆孔16的直径、数量和角度。
在本实施例中，在对破碎煤体加固完毕并满足要求后，才可继续进行卸压钻孔的钻进作业。
在本发明的可选实施例中，钻场11的高度可以与巷道的高度一致，钻场11的宽度大于定向钻机的宽度及定向钻机的作业宽度，这里，钻场11的宽度可以为3m-6m。
并且，钻场11内采用锚杆6或锚索进行支护，以保证安全性。
在可选的实施例中，可以根据巷道和卸压钻孔的长度确定钻场11的数量。
这里，当巷道的长度大于卸压钻孔的长度时，可以沿巷道煤柱1的长度方向上设置至少两个钻场11。
比如，沿巷道煤柱1的长度方向上设置有两个钻场11，可以将第一个钻场11设置在巷道煤柱1的前方，并通过定向钻机钻第一个卸压钻孔；然后在第一个卸压钻孔的孔尾(即孔底)附近设置第二个钻场11，第二个钻场11可以从巷道煤柱1的侧部沿巷道煤柱1的宽度方向进行开挖。
在可选的实施例中，在第一工作面2回采时的巷道煤柱1的侧向支承应力的应力峰值区域布置第一卸压钻孔7，在第二工作面3回采时的巷道煤柱1的侧向支承应力的应力峰值区域布置第二卸压钻孔8。这样，有利于提高卸压效果。
在本实施例中，根据第一工作面2回采时的巷道煤柱1的侧向支承应力的分布情况布置第一卸压钻孔7，并进行第一卸压钻孔7的压裂，当第一个钻场11内的卸压钻孔与水力压裂完成后，再设置第二个钻场11并进行下一个卸压钻孔的打设与水力压裂，如此循环，直至第一巷道4侧的巷道煤柱1内完全施工完毕后，再进行第二工作面3回采。
第二工作面3回采初期可以根据第二工作面3回采时的巷道煤柱1的侧向支承应力的分布情况布置第二卸压钻孔8，并进行第二卸压钻孔8的压裂，当第一个钻场11内的卸压钻孔与水力压裂完成后，再设置第二个钻场11并进行下一个卸压钻孔的打设与水力压裂，如此循环，直至第二巷道5侧的巷道煤柱1内完全施工完毕。
这里，卸压钻孔的直径可以为75-140mm，卸压钻孔的长度可以为200-500m，卸压钻孔的布置高度可以为巷道高度的一半。
在可选的实施例中，当第一工作面2回采时的巷道煤柱1的应力峰值区域与第二工作面3回采时的巷道煤柱1的应力峰值区域重合时，即当巷道煤柱1的宽度较小时，可以在巷道煤柱1上设置一个卸压钻孔。
需要说明的是，侧向支承应力的分布与地质条件、煤柱尺寸和开采工艺等有关。
在本发明的可选实施例中，采用后退式水力压裂的方式对卸压钻孔进行压裂，可以包括：
通过水力压裂装置的注水杆13将封孔器14送到压裂位置10；
通过水力压裂装置的高压泵向封孔器14注水实现封孔；
通过注水杆13及封孔器14的孔眼15向压裂位置10进行注水，使压裂位置10处的煤体形成裂缝网。
这样，通过水力压裂可以有效提高对煤柱的卸压效果，降低煤柱的载荷，并且可以降低钻孔卸压对支护区煤岩体的损伤。
这里，水力压裂装置可以包括封孔器14、注水杆13、注水装置12、压力监测仪等，注水装置12包括水箱、高压泵和增压泵，注水装置12可以与注水杆13连通，高压泵可以与水箱连通，注水杆13可以与高压泵连接，高压泵可以通过注水杆13向封孔器14注水，以使封孔器14膨胀将卸压钻孔封闭，然后注水装置12可以通过注水杆13及封孔器14的孔眼15向压裂位置10注水，使压裂位置10处的煤体受水的压力形成裂缝网。
压力监测仪可以用于监测孔眼15的注水压裂压力，保证注水压裂压力为10-15MPa。
增压泵可以提高注水压力。
这里，不对水力压裂装置的具体结构进行限定，水力压裂装置可以为现有的水力压裂装置。
在可选的实施例中，沿卸压钻孔的方向，巷道煤柱上设置有多个压裂位置10，沿卸压钻孔的尾端至头端的方向，依次对多个压裂位置10进行压裂。
具体地，在第一个压裂位置10压裂完毕后(即靠近卸压钻孔尾端处的压裂位置10压裂完毕后)，控制封孔器14卸压；
封孔器14卸压完毕后，使注水杆13带动封孔器14后退至下一个压裂位置10，并重复压裂步骤，直至整个卸压钻孔内的所有压裂位置10均压裂完毕。
在本实施例中，每个压裂位置10的压裂时间可以为20-30min。每个压裂位置10的间距可以为20-40m。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
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，而非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，包括：
确定卸压钻孔的位置，根据现场应力测试结果确定巷道煤柱的卸压钻孔的打孔位置；
开挖钻场，在所述巷道煤柱的前方或侧方开挖钻场；
钻所述卸压钻孔，通过位于所述钻场内的定向钻机在所述打孔位置沿巷道的平行方向钻所述卸压钻孔；
对所述卸压钻孔进行压裂，采用后退式水力压裂的方式对卸压钻孔进行压裂。
2.根据权利要求1所述的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，所述巷道煤柱的两侧采用锚杆或锚索进行支护。
3.根据权利要求1所述的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，所述确定卸压钻孔的位置，包括：
测量巷道煤柱宽度方向上的不同深度的应力值；
确定所述巷道煤柱的应力峰值区域；
在所述应力峰值区域内设置所述打孔位置。
4.根据权利要求3所述的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，所述测量巷道煤柱宽度方向上的不同深度的应力值，包括：
在第一工作面和第二工作面的回采初期，在所述巷道煤柱靠近第一回采巷道和第二回采巷道的位置分别布置至少两组不同深度的钻孔；
在各个所述钻孔内设置应力计，各个所述应力计检测各个所述钻孔底部位置的应力值。
5.根据权利要求1所述的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，还包括：
沿垂直于所述卸压钻孔的方向对所述卸压钻孔的塌孔位置处的破碎煤体进行加固。
6.根据权利要求2所述的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，所述打孔位置与所述巷道煤柱上的锚杆位置重合或接近时，调整所述打孔位置至与其相邻的两个竖向锚杆或锚索的中间位置处。
7.根据权利要求1所述的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，所述采用后退式水力压裂的方式对卸压钻孔进行压裂，包括：
通过水力压裂装置的注水杆将封孔器送到压裂位置；
通过水力压裂装置的高压泵向所述封孔器注水实现封孔；
通过所述注水杆及所述封孔器的孔眼向所述压裂位置进行注水、使压裂位置处的煤体形成裂缝网。
8.根据权利要求7所述的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，沿所述卸压钻孔的方向，所述巷道煤柱上设置有多个所述压裂位置，沿所述卸压钻孔的尾端至头端的方向，依次对多个所述压裂位置进行压裂。
9.根据权利要求5所述的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，所述沿垂直于所述卸压钻孔的方向对所述卸压钻孔的塌孔位置处的破碎煤体进行加固，包括：
所述定向钻机的钻杆后退远离所述塌孔位置；
沿垂直于所述卸压钻孔的方向打设注浆孔，所述注浆孔的深度为煤壁到破碎区；
向所述注浆孔内注入加固剂。
10.根据权利要求1所述的冲击地压巷道煤柱的稳定性控制方法，其特征在于，当第一工作面回采时的巷道煤柱的应力峰值区域与第二工作面回采时的巷道煤柱的应力峰值区域重合时，在所述巷道煤柱上设置一个所述卸压钻孔。
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