一种用于沿空留巷静态破碎切顶卸压方法与流程

本发明涉及一种沿空留巷静态破碎切顶卸压方法，尤其是一种在工作面后方已形成的沿空留巷内，靠近巷旁充填墙侧布置进行切顶预裂钻孔，在钻孔内放置静态胀裂剂对采空侧顶板断裂后形成的悬臂岩梁及基本顶弧形三角块结构进行破坏的切顶卸压方法。

背景技术：

沿空留巷实现无煤柱开采具有资源回收率高、采掘比低等优点，在许多煤矿应用与推广。但生产实践表明，在采空侧顶板悬臂岩梁及基本顶弧形三角块结构形成的侧向支承压力作用下，巷旁充填墙体沿空留巷产生严重变形破坏，大量级的巷道变形破坏，严重影响通风、运输及行人，后期整巷工程量相当于重新掘一条巷道。巷旁切顶卸压技术是优化沿空留巷围岩应力和结构的有效途径之一。

在公开号为cn104790954a公开的一种“巷旁充填沿空留巷切顶爆破卸压方法”专利，见附图5所示，采用超前工作面钻深孔火力爆破方法，并依照顶板类型确定起爆时机，从而实现切顶卸压。在公开号为cn104533418a公开的“一种用于井下深孔静力破岩法”专利，实施案例1中，超前工作面进行钻孔作业，在主孔内注入静态胀裂剂，通过静态胀裂剂反应，在巷旁顶板产生切顶裂缝，达到卸压的目的。上述两种方法均采用超前工作面钻孔方式，若超前装药爆破，则顶板岩层内提前形成切顶裂缝，提前切落的留巷侧煤岩体会影响到巷旁充填墙体的构筑，工作面回采期间巷道顶板管理难度大。

在文章编号：1673-3363-(2015)02-0253-07，“带有导向孔的浅孔爆破在留巷切顶卸压中的应用研究”中，见附图6所示，通过在巷旁充填体采空侧打1排浅钻孔，装入煤矿许用炸药后进行切顶作业。使用该方法，钻孔、装药等工序与人工筑墙工作互相干扰，进而影响工作面回采工作，若充填墙体未及时形成强度，侧向切顶爆破会对墙体产生一定破坏作用。

传统切顶主要采用火力爆破切缝技术，即在原完整的岩层中通过爆破技术定向切出一条具有一定高度、连续而均匀的裂缝。然而炸药等火工品属于国家管制物品，其审批与使用有着严格的要求，并且我国也明令禁止或限制其在高瓦斯矿井采空区中的应用。因此寻求一种安全、高效，适用于高瓦斯矿井沿空留巷侧向切顶卸压方法具有重要的理论和实践意义。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种用于沿空留巷静态破碎切顶卸压方法。

一种用于沿空留巷静态破碎切顶卸压方法，所述方法是按下列步骤进行的：

（1）切顶位置选择

选择滞后回采工作面10m~15m进行巷内切顶作业；

（2）钻孔相关参数：孔间距、孔直径、孔角度及孔深度；

孔间距：

式中—岩石单轴抗压强度，mpa；—静态胀裂剂随时间变化产生的膨胀压力；计算出静态胀裂剂在钻孔围岩内产生的裂隙区半径，确定用静态胀裂剂对煤矿采空侧顶板进行侧向切顶时的钻孔间距是a；

孔直径是50~80mm；

孔角度是60°~80°；

孔深度是按公式l=kh/sinθ计算，式中：h为需要切顶岩层总厚度，θ为孔角度，k为富裕系数，取1.1~1.3；需要切顶岩层总厚度h根据基本顶分类指标n来确定；

（3）钻孔施工

沿巷旁充填墙边缘，按步骤（2）所确定的钻孔参数斜向上打孔，根据工作面回采距离确定钻孔施工距离，以若干个钻孔为一组，钻孔分为装药孔和导向孔；

（4）装药

钻孔施工后是装药工序，静态胀裂剂是由cao、mgo、sio2、al2o3和fe2o3组成，将静态胀裂剂制作成药卷型，并通过炮棍将静态胀裂剂药卷逐段送入钻孔捣实，每个装药钻孔分为装药段和封孔段，封孔段长度是：l2=kb/cosθ；装药段长度是：l1=l-l2，其中：b为充填墙体宽度，θ为钻孔角度，k为富裕系数，取1.1~1.3；采用隔孔装药方式，将每相邻两个装药孔之间留一个空孔，作为静态胀裂导向孔，封孔段采用炮泥封孔；

所述静态胀裂剂药卷是用透水性布料做成直径为40~70mm，长度为400~600mm的圆柱形药筒，后将静态胀裂剂装入药筒中，装药高度为300~500mm，然后封口，再将装好的药卷浸入水中为饱和状态；

（5）静态胀裂剂用量

装药总量是：

式中：q—装药总量，t；n—装药钻孔数，个；l1—钻孔内装药段长度，m；φ—药卷直径，m；γ—静态胀裂剂容重，t/m³；k—装药不耦合系数，1.3~1.5；

（6）按切顶卸压施工工序施工，打孔—装药—封孔完成后为一个工作循环，之后进入下一循环。

在上述技术方案中，所述基本顶分类指标n是根据直接顶厚度hi与煤层采高hm比值，n=hi/hm，共分为ⅰ~ⅴ类；

ⅰ、n＞5，基本顶的垮落与错动对工作面支架无多大影响；

ⅱ、2≤n≤5，基本顶失稳对工作面支架有较为严重的影响；

ⅲ、n＜2，甚至无直接顶，此时基本顶的悬露与垮落对工作面支架有严重影响；

ⅳ、基本顶特别坚硬且无直接顶，该类顶板大面积悬露于采空区而未发生垮落，垮落时产生冲击地压，造成事故；

ⅴ、塑性弯曲顶板，该类顶板随着工作面向前推进而缓慢下沉，逐渐与煤层底板相接触；

对ⅰ类顶板，需要切顶岩层总厚度h为直接顶厚度；对于ⅱ类、ⅲ类、ⅳ类顶板，需要切顶岩层总厚度h为直接顶与基本顶之和；对于ⅴ类顶板，不需要切顶作业。

在上述技术方案中，进一步的技术特征在于：所述静态胀裂剂是由cao、mgo、sio2、al2o3和fe2o3组成，其中cao是≥90%；所述静态胀裂剂药卷的饱和吸水率是20%~25%，饱和吸水后药卷直径增大3~5mm。

本发明上述所提供的一种用于沿空留巷静态破碎切顶卸压方法的技术方案，与现有技术相比，现有切顶主要采用定向聚能爆破切缝技术，炸药在爆破过程中所产生的高温和火焰对煤矿的安全存在一定的危险性，炸药等火工品属于国家管制物品，其审批与使用有着严格的要求，并且我国也明令禁止或限制其在高瓦斯矿井采空区中的应用；而静态胀裂技术是依靠静态胀裂剂的膨胀力使岩石产生裂隙，从而达到破碎的目的，可在无振动、无飞石，无噪音、无污染的条件下完成巷旁切顶卸压，因此该项技术对于高瓦斯矿井有很强的适应性。

若超前工作面进行切顶作业，炸药或静态胀裂剂对顶板岩层作用提前形成裂缝，提前切落的留巷侧煤岩体会影响到巷旁充填墙体的构筑，回采期间巷道顶板管理难度大；若在工作面后方巷旁充填墙与采空侧之间进行切顶作业，钻孔和装药等工序与人工筑墙工作互相干扰，进而影响工作面回采工作，若充填墙体未及时形成强度，侧向切顶爆破会对墙体产生一定破坏作用。

采用静态破碎切顶卸压方法在工作面后方一定范围施工，则钻孔、装药及封孔等工序与工作面回采及人工筑墙互不干扰，有利于切顶卸压技术的顺利实施，在留巷围岩变形前实现巷旁切顶，破坏留巷采空侧的悬顶结构，使巷旁悬顶充分垮落，改善应力环境，达到降低沿空留巷侧顶板应力集中及采动压力之目的。

附图说明

图1是本发明沿空留巷静态破碎切顶卸压方法平面图。

图2是本发明沿空留巷静态破碎切顶卸压方法正视图。

图3是本发明沿空留巷静态破碎切顶卸压方法俯视图。

图4是本发明装药孔示意图。

图5是现有超前钻孔巷旁充填沿空留巷切顶爆破示意图。

图6是现有沿巷旁充填体采空侧切顶爆破示意图。

图中：1：回采工作面；2：3#煤层；3：直接顶；4：基本顶；5：辅助进风巷；6：高水速凝材料充填墙体；7：沿空留巷；8：采空侧；9：装药孔；10：导向孔；11：装药段；12：封孔段；13：静态胀裂剂药卷；14：上区段工作面；15：下区段工作面；16：上区段工作面采空区；17：上区段工作面巷旁支护体；18：区段巷道；19：炮孔。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方案做出进一步的说明。

实施本发明上述所提供的一种用于沿空留巷静态破碎切顶卸压方法是按下列步骤进行的：

（1）切顶位置的选择

工作面推进后，其后方0~30m范围内，基本顶未发生断裂，沿空留巷围岩变形速率及变形量都比较小，因此可在工作面后方已经形成的沿空留巷内进行切顶作业，为了及早进行切顶卸压取得更好的切顶效果，且不影响巷旁充填墙的构筑，选择滞后回采工作面10m~15m范围进行巷内切顶作业。

（2）钻孔相关参数，即间距、直径、角度及深度的确定

钻孔间距按式，式中—岩石单轴抗压强度，mpa；—静态胀裂剂随时间变化产生的膨胀压力，计算出静态胀裂剂在钻孔围岩内产生的裂隙区半径，由此来确定用静态胀裂剂对煤矿采空侧顶板进行侧向切顶时钻孔的合理间距为a。

钻孔直径按50~80mm选取。

钻孔角度根据开采后岩层破断角来确定，按60°~80°选取。

钻孔深度是按公式l=kh/sinθ计算，式中：h为需要切顶岩层总厚度，θ为孔角度，k为富裕系数，取1.1~1.3；需要切顶岩层总厚度h根据基本顶分类指标n来确定；基本顶分类指标n是根据直接顶厚度hi与煤层采高hm比值，n=hi/hm，共分为ⅰ~ⅴ类；

ⅰ、n＞5，基本顶的垮落与错动对工作面支架无多大影响；

ⅱ、2≤n≤5，基本顶失稳对工作面支架有较为严重的影响；

ⅲ、n＜2，甚至无直接顶，此时基本顶的悬露与垮落对工作面支架有严重影响；

ⅳ、基本顶特别坚硬且无直接顶，该类顶板大面积悬露于采空区而未发生垮落，垮落时产生冲击地压，造成事故；

ⅴ、塑性弯曲顶板，该类顶板随着工作面向前推进而缓慢下沉，逐渐与煤层底板相接触；

对ⅰ类顶板，需要切顶岩层总厚度h为直接顶厚度；对于ⅱ类、ⅲ类、ⅳ类顶板，需要切顶岩层总厚度h为直接顶与基本顶厚度之和；对于ⅴ类顶板，不需要切顶作业。

（3）钻孔施工

沿着巷旁充填墙边缘，按步骤（2）中所确定的钻孔相关参数斜向上打孔，根据工作面一个圆班回采距离确定钻孔施工距离，若干个钻孔为一组，钻孔分为装药孔和导向孔，装药孔进行装药，导向孔不装药，导向孔的存在改变了装药孔边缘的应力分布,使得裂缝在装药孔连线方向得以扩展、贯通。

（4）装药

每组钻孔施工完成后进入装药工序，静态胀裂剂由cao、mgo、sio2、al2o3和fe2o3组成，其中90%以上是cao；为了方便施工，将静态胀裂剂制作成药卷型，使用特制的透水性好的布料做成直径为40~70mm，长度为400~600mm的圆柱形药筒，将静态胀裂剂装入药筒中，装药高度为300~500mm，装药完成后将药筒封口。将装好的药卷浸入水中，药卷在1~2min内可达到饱和吸水状态，饱和吸水率为20%~25%之间，饱和吸水后药卷直径会增加3~5mm；借助炮棍将饱和吸水的静态胀裂剂药卷逐段送入钻孔并捣实，每个装药钻孔可分为装药段和封孔段两段，因为在充填墙体内侧施工，为保证顶板不在墙体内侧切落，装药钻孔应有一段不进行装药（封孔段），封孔段长度按公式：l2=kb/cosθ计算，式中：b为充填墙体宽度，θ为钻孔角度，k为富裕系数，取1.1~1.3；装药段长度按：l1=l-l2计算；采用隔孔装药方式，即每相邻2个装药孔之间留1个空孔，作为静态胀裂导向孔，封孔段采用炮泥封孔。

（5）静态胀裂剂用量

装药总量按公式：来确定；

式中：q——装药总量，t；n——装药钻孔数，个；l1——钻孔内装药段长度，m；φ——药卷直径，m；γ——静态胀裂剂容重，t/m³；k——装药不耦合系数，取1.3~1.5

（6）按切顶卸压施工工序施工，即：打孔——装药——封孔，这3道工序全部完成即为1个工作循环，之后进入下一循环。

下面通过具体实施例对本方法作出进一步的说明。

实施例1

以某矿回采工作面1为例，见附图1-附图4所述，回采工作面1均沿3#煤层2布置，3#煤层2平均厚度2.86m，赋存稳定，结构较简单，属中灰、低硫的优质贫、瘦煤；直接顶3为灰黑色砂质泥岩，平均厚度11.31m；基本顶4为细砂岩，平均厚度2m。回采工作面1采用“三进一回”通风系统，在辅助进风巷5采空侧8浇筑一宽度2m的高水速凝材料充填墙体6将其保留下来，作为下一工作面的运输平巷，在沿空留巷7内进行采空侧8侧向切顶试验。

步骤一：根据矿压观测数据，回采工作面1回采过程中，上覆岩层破断导致回采工作面1后方100m内沿空留巷7围岩变形显著，回采工作面1后方0m~30m范围内，顶板未发生初次破断，沿空留巷7围岩变形速率较小；30m~75m范围内，受回采工作面1基本顶4初次破断影响，沿空留巷7围岩发生剧烈变形；回采工作面1后100m范围内，顶板运动趋于平稳，沿空留巷7围岩随之趋于稳定，以微小速率变形；切顶施工越早，可以越早控制沿空留巷7围岩变形，同时考虑不影响高水速凝材料充填墙体6的构筑，因此选择滞后回采工作面10m范围沿空留巷7内进行切顶作业。

步骤二：3#煤2直接顶3为11.31m厚砂质泥岩，其抗压强度30.2mpa，而基本顶4是2m厚细砂岩，单轴抗压强度52.4mpa。通过实验室测试，煤岩静态胀裂剂膨胀最终体积可达到原体积得2倍以上，对周围约束物可产生超过100mpa的膨胀压力。工程应用中，考虑压力、温度及岩体内裂隙卸压等因素影响，破碎剂实际产生的最大膨胀压小于理想条件下的最大膨胀压，结合以往使用经验，工业试验时利用系数为0.65，即65mpa。

根据基本顶4强度确定钻孔裂隙区半径：

钻孔间距取1m。

随着孔径的增大，静态胀裂剂产生的膨胀压力也在不断增大，然而孔径越大，冲孔现象越严重，因此设计孔径时，不易过大，也不易过小。鉴于该矿的工程地质条件及施工技术水平，钻孔直径取80mm。

根据回采工作面1开采后岩层破断角，钻孔角度取70°。

回采工作面1直接顶3hi为11.31m厚砂质泥岩，3#煤层2平均采高hm为2.86m，根据基本顶分类指标：n=hi/hm=11.31/2.86=3.95，2≤3.95≤5，可知其为ⅱ类基本顶，而其基本顶4为2m厚的细砂岩，综合考虑，切顶钻孔打至基本顶4，钻孔深度可按公式：l=kh/sinθ，h为直接顶3和基本顶4总厚度，取13.31m；θ为钻孔角度，取70°；k为富裕系数，取1.1；带入计算可得：l=1.1×13.31/sin70°=15.58m，因此钻孔深度取16m。

步骤三：回采工作面1施工队组有三个生产班，一个检修班。采用“二九·一六”制作业形式，即每日由二个生产班生产，一个检修班检修，一个生产班轮休。循环方式为浅截深多刀循环方式，截深为0.8m/刀，每班3刀，则日推进度为4.8m。在检修班工作时间，沿着高水速凝材料充填墙体6边缘，按步骤二中所确定的钻孔相关参数斜向上进行钻孔施工，每班施工5个钻孔，钻孔可分为装药孔9和导向孔10，装药孔9进行装药，导向孔10不装药。

步骤四：每组钻孔施工完成后进入装药工序，钻孔直径为80mm，因而选用直径为70mm，长度为600mm的静态胀裂剂药筒，装药高度500mm后将药筒封口，将装好的静态胀裂剂剂药卷13浸入水中2min使其饱和吸水，饱和吸水率为23%，饱和吸水后静态胀裂剂药卷13直径增加4mm，达到74mm，借助专用炮棍将饱和吸水的静态胀裂剂药卷13逐段送入钻孔并捣实，每个装药孔9可分为装药段11和封孔段12两段，因为在高水速凝材料充填墙体6内侧施工，为保证顶板不在高水速凝材料充填墙体6内侧切落，装药孔9应有一段不进行装药即封孔段12，封孔段12长度按公式：l2=kb/cosθ，式中：b为沿空留巷7高水速凝材料充填墙体6的宽度，取2m；θ为钻孔角度，取70°；k为富裕系数，取1.1；带入计算可得：l2=kb/cosθ=1.1×2/cos70°=7.07m，因此封孔段12取7m，装药段11长度：l1=l-l2=16-7=9m；采用隔孔装药方式，即每相邻2个装药孔9之间留1个导向孔10，装药段11装药完成后，封孔段12采用炮泥封孔。

煤岩静态胀裂剂用量：巷道试验段长度300m，需钻孔300个，其中装药孔9为150个，导向孔10为150个，每1装药孔9装药段11长度9m，装药总量：

式中：q—装药总量，t；n—装药钻孔数，个；l1—钻孔内装药段长度，m；φ—药卷直径，m；γ—静态胀裂剂容重，t/m³；k—装药不耦合系数，取1.3。

步骤五：按打孔—装药—封孔的切顶卸压施工工序，这3道工序全部完成即为1个工作循环，之后进入下一循环，完成切顶工作。