CN108252715B - 一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，该方法包括：首先在回风巷道顶板上沿煤层工作面推进方向顺序钻取若干个超前弱化致裂钻孔组，其中每个超前弱化致裂钻孔组内均包括沿煤层工作面推进方向依次布置的第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔，三排致裂钻孔均朝采空区方向倾斜不同角度；煤层工作面推进至超前弱化致裂钻孔组位置时，依次向三排致裂钻孔填装静态破碎剂药卷，实现顶板岩层的逐级致裂弱化。该方法通过利用自由面制造临空面或弱化层来充分发挥药卷的最佳效果，做到“逐级弱化+整体断裂”，实现顶板不同倾斜角度钻孔的时空协同致裂，提高顶板垮落效率。该方法操作简单，致裂效果较好。

Description

一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法

技术领域

本发明涉及到一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，尤其适用于无自由空间的坚硬顶板岩层的高效致裂作业中，实现时空协同控制弱化的目的。

背景技术

坚硬顶板垮落是预防上隅角瓦斯异常积聚、减少上覆岩层应力突发集中的有效措施之一，而坚硬致密顶板岩层的整体性和高强度等特点常为煤层回采时顶板快速垮落带来了诸多阻碍。常规的顶板致裂措施主要包括高压水力压裂和深孔爆破技术，均是采用高压水或乳化炸药对顶板岩层进行致裂，但是依然存在着一些不足，比如，高压水力压裂技术需要依靠高压水作为媒介，这对钻孔密封性和压裂设备要求极高，操作流程较为复杂，成本较大；深孔爆破技术则是难以保证所有的乳化炸药得到有效引爆，且爆炸引起的冲击波很容易引起地层应力扰动，这些限制均限制煤层开采的安全性。

静态爆破技术以静态破碎剂药卷作为媒介，依靠药卷遇水反应产生的持续高膨胀应力，从而达到弱化致裂顶板岩层的目的。常见方式是对钻取的大量垂直钻孔进行交替装药，一方面钻孔施工量较大，前提成本较大；另一方面交替装药的方式极容易造成废孔，且很难提供有效的卸压空间，导致弱化致裂效果较差。针对上述存在的问题，需要根据静态破碎剂药卷的应力特性，创造有效的自由面，增加明显的卸压区域和空间，一方面可以充分发挥静态破碎剂药卷的持续高应力，另一方面还可节省大量的钻孔作业量，最终实现坚硬顶板岩层的整体可控弱化。

发明内容

发明目的：本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种操作简单、施工方便，真正做到坚硬顶板岩层的时空协同可控弱化致裂方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

超前钻孔：在回风巷道顶板上沿煤层工作面推进方向顺序钻取若干个超前弱化致裂钻孔组，超前弱化致裂钻孔穿过直接顶达到老顶，每个超前弱化致裂钻孔组均包括沿煤层工作面推进方向依次布置的第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔，第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔均朝采空区方向倾斜，第一排致裂钻孔倾斜角度为α，第二排致裂钻孔倾斜角度为β，第三排致裂钻孔倾斜角度为γ，α<β<γ；

逐级弱化致裂：当煤层工作面向前推进到超前弱化致裂钻孔组的位置时，依次向第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔内填装静态破碎剂药卷，在静态破碎剂药卷作用下，实现超前弱化致裂钻孔组周围岩层的逐级致裂弱化，进而实现回风巷道顶板的断裂跨落。

进一步的，超前钻孔步骤中，相邻两个超前弱化致裂钻孔组间的间距为1～1.2m；第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔间的间距为1～1.2m；第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔的孔径均为40～60mm、孔深均为2～3m、孔间距为0.5～0.8m。

进一步的，超前钻孔步骤中，α为30°，β为45°，γ为60°。

进一步的，逐级弱化致裂步骤中，填装静态破碎剂药卷时，先填装第一排致裂钻孔，等第一排致裂钻孔内静态破碎剂药卷反应时间达到t₁时再填装第二排致裂钻孔，等第二排致裂钻孔内静态破碎剂药卷反应时间达到t₁时再填装第三排致裂钻孔，t₁小于钻孔内静态破碎剂药卷膨胀应力值到达峰值时所需的时间，其中，对于春季和秋季型静态破碎剂药卷，t₁范围为1～1.2h，对于夏季型静态破碎剂药卷，t₁范围为2～2.5h，对于冬季型静态破碎剂药卷，t₁范围为0.3～0.5h。

有益效果：本发明首先在工作面的回风巷道顶板上沿风流方向顺序钻取若干个超前弱化致裂钻孔组，每个超前弱化致裂钻孔组均包括沿风流方向依次布置的三排致裂钻孔，并且三排致裂钻孔均朝采空区方向倾斜，当工作面向前推进到超越超前弱化致裂钻孔组的位置时，根据药卷反应时间，依次向三排致裂钻孔装入药卷，这样可以发挥静态破碎剂药卷的最佳性能，最终达到风巷顶板“逐级弱化+整体致裂”的效果；另一方面，按照设定时序依次向第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔内填装静态破碎剂药卷，这样实现相邻两排钻孔之间的应力叠加，从而以避免两排钻孔内膨胀应力出现冷却期；该方法能够充分增加钻孔利用率，依靠钻孔的装药时序性和空间性，真正做到时空协同控制弱化；该方法简单，操作方便，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明的超前弱化致裂钻孔组的布置示意图；

图2是本发明的超前弱化致裂钻孔组的钻进示意图；

图3是本发明的第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔的倾斜角度示意图；

图4是本发明的静态破碎剂药卷的填装示意图(以第三排致裂钻孔为例)；

图5是静态破碎剂药卷的膨胀应力曲线图。

图中：1-回风巷道；2-直接顶；3-老顶；4-第一排致裂钻孔；5-第二排致裂钻孔；6-第三排致裂钻孔；7-静态破碎剂药卷；8-煤层工作面；9-采空区；10-超前弱化致裂钻孔组。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至4所示，本发明的一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，该方法适用于采空区9内无自由面时坚硬顶板弱化致裂工作，旨在预先致裂破坏岩层整体性来创造更多有效的自由空间，该方法包括以下步骤：

超前钻孔：在回风巷道1顶板上沿煤层工作面8推进方向顺序钻取若干个超前弱化致裂钻孔组10，超前弱化致裂钻孔10穿过直接顶2达到老顶3，每个超前弱化致裂钻孔组10均包括沿煤层工作面8推进方向依次布置的第一排致裂钻孔4、第二排致裂钻孔5和第三排致裂钻孔6，第一排致裂钻孔4、第二排致裂钻孔5和第三排致裂钻孔6均朝采空区9方向倾斜，第一排致裂钻孔4倾斜角度为α，第二排致裂钻孔5倾斜角度为β，第三排致裂钻孔6倾斜角度为γ，α<β<γ，本实施例中，相邻两个超前弱化致裂钻孔组间的间距为1～1.2m，第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔间的间距为1～1.2m，第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔的孔径均为40～60mm、孔深均为2～3m、孔间距为0.5～0.8m；

逐级弱化致裂：当煤层工作面8向前推进到超前弱化致裂钻孔组10的位置时，依次向第一排致裂钻孔4、第二排致裂钻孔5和第三排致裂钻孔6内填装静态破碎剂药卷7，在填装静态破碎剂药卷时，先填装第一排致裂钻孔4，等第一排致裂钻孔4内静态破碎剂药卷7反应时间达到t₁时再填装第二排致裂钻孔5，等第二排致裂钻孔5内静态破碎剂药卷7反应时间达到t₁时再填装第三排致裂钻孔6，t₁小于钻孔内静态破碎剂药卷膨胀应力值到达峰值所需时间，其中，对于春季和秋季型静态破碎剂药卷，t₁范围为1～1.2h，对于夏季型静态破碎剂药卷，t₁范围为2～2.5h，对于冬季型静态破碎剂药卷，t₁范围为0.3～0.5h。在静态破碎剂药卷7作用下，实现超前弱化致裂钻孔组10周围岩层的逐级致裂弱化，具体的，第一排致裂钻孔4周围岩层首先产生裂纹并形成以回风巷道1顶板作为自由面的第一道断裂层，然后第二排致裂钻孔5周围岩层产生裂纹并形成以第一道断裂层作为自由面的第二道断裂层，第一道断裂层为第二排致裂钻孔5周围岩层的致裂提供一定的卸压方向，最后第三排致裂钻孔6周围岩层产生裂纹并形成了以第二道断裂层作为自由面的第二道断裂层，第二道断裂层为第三排致裂钻孔6周围岩层的致裂提供一定的卸压方向，进而实现回风巷道1顶板的断裂跨落，最终达到回风巷道顶板“逐级弱化+整体致裂”的效果。

如图3所示，第一排致裂钻孔4周围岩层的断裂准则为σsinα+∑m_ig＞τ，第二排致裂钻孔周围岩层的断裂准则为σsinβ+∑m_jg＞τ，第三排致裂钻孔6周围岩层的断裂准则为σsinγ+∑m_kg＞τ。其中，∑m_i分别第一排致裂钻孔4周围岩层的质量，∑m_j为第二排致裂钻孔5，∑m_k为第三排致裂钻孔6周围顶板岩层的质量；τ为顶板岩层的抗拉强度。σ为静态破碎剂药卷7反应所产生的膨胀应力跟热应力之和，是一变量。如图5为静态破碎剂药卷的膨胀应力曲线图。在t₁时刻，静态破碎剂药卷的膨胀应力处于上升阶段，在t₂时刻，静态破碎剂药卷的膨胀应力处于下升阶段，t₁和t₂之间的时间段处于静态破碎剂药卷最佳反应作用时间段。在t₁时刻，静态破碎剂药卷的膨胀应力为σ₁，在t₂时刻，静态破碎剂药卷的膨胀应力为σ₂，静态破碎剂药卷的膨胀应力峰值为σ_max。本发明按照设定时序依次向第一排致裂钻孔4、第二排致裂钻孔5和第三排致裂钻孔6内填装静态破碎剂药卷7，先填装第一排致裂钻孔4，等第一排致裂钻孔4内静态破碎剂药卷7反应时间达到t₁时再填装第二排致裂钻孔5，等第二排致裂钻孔5内静态破碎剂药卷7反应时间达到t₁时再填装第三排致裂钻孔6，这样可以实现相邻两排钻孔之间的应力叠加，从而以避免两排钻孔内膨胀应力出现冷却期。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

超前钻孔：在回风巷道(1)顶板上沿煤层工作面(8)推进方向顺序钻取若干个超前弱化致裂钻孔组(10)，超前弱化致裂钻孔穿过直接顶(2)达到老顶(3)，每个超前弱化致裂钻孔组(10)均包括沿煤层工作面(8)推进方向依次布置的第一排致裂钻孔(4)、第二排致裂钻孔(5)和第三排致裂钻孔(6)，第一排致裂钻孔(4)、第二排致裂钻孔(5)和第三排致裂钻孔(6)均朝采空区(9)方向倾斜，第一排致裂钻孔(4)倾斜角度为α，第二排致裂钻孔(5)倾斜角度为β，第三排致裂钻孔(6)倾斜角度为γ，α<β<γ；

逐级弱化致裂：当煤层工作面(8)向前推进到超前弱化致裂钻孔组(10)的位置时，依次向第一排致裂钻孔(4)、第二排致裂钻孔(5)和第三排致裂钻孔(6)内填装静态破碎剂药卷(7)，在静态破碎剂药卷(7)作用下，实现超前弱化致裂钻孔组(10)周围岩层的逐级致裂弱化，进而实现回风巷道(1)顶板的断裂跨落；

逐级弱化致裂步骤中，填装静态破碎剂药卷(7)时，先填装第一排致裂钻孔(4)，等第一排致裂钻孔(4)内静态破碎剂药卷(7)反应时间达到t₁时再填装第二排致裂钻孔(5)，等第二排致裂钻孔(5)内静态破碎剂药卷(7)反应时间达到t₁时再填装第三排致裂钻孔(6)，t₁小于钻孔内静态破碎剂药卷膨胀应力值到达峰值时所需的时间，其中，对于春季和秋季型静态破碎剂药卷，t₁范围为1～1.2h，对于夏季型静态破碎剂药卷，t₁范围为2～2.5h，对于冬季型静态破碎剂药卷，t₁范围为0.3～0.5h。

2.根据权利要求1所述的一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，其特征在于：超前钻孔步骤中，相邻两个超前弱化致裂钻孔组(10)间的间距为1～1.2m；第一排致裂钻孔(4)、第二排致裂钻孔(5)和第三排致裂钻孔(6)间的间距为1～1.2m；第一排致裂钻孔(4)、第二排致裂钻孔(5)和第三排致裂钻孔(6)的孔径均为40～60mm、孔深均为2～3m、孔间距为0.5～0.8m。

3.根据权利要求1所述的一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，其特征在于：超前钻孔步骤中，α为30°，β为45°，γ为60°。