一种用于沿空掘巷窄煤柱采空侧静态胀裂切顶卸压法的制作方法
本发明涉及一种用于沿空掘巷窄煤柱采空侧静态胀裂切顶卸压方法，尤其是一种超前上区段工作面，在上区段工作面顺槽内靠近窄煤柱帮沿顶板轴向布置钻孔并注入静态胀裂剂对采空侧基本顶悬臂结构进行破坏，可有效缓解下区段工作面顺槽沿空掘巷时围岩应力集中及围岩变形控制难度大的方法。
背景技术：
沿空掘巷是我煤矿回采巷道布置和维护的技术之一，即沿上区段工作面采空区边缘留设3~10m窄煤柱掘进下区段工作面顺槽，留设窄煤柱具有提高煤炭资源回收率和隔绝采空区瓦斯及有毒有害气体等优点。传统的沿空掘巷，需等上区段工作面回采完成4~6个月以上，等待覆岩运动稳定后，再沿采空区边缘掘进下区段工作面顺槽，此种情况下，上区段工作面采空侧基本顶的悬臂结构会造成沿空掘进巷道周边围岩应力较大，巷道在服务年限内围岩变形量大、支护难度大等问题。
随着我国大力推广“一井一面、高产高效”矿井，传统的沿空掘巷方式势必会造成采掘接替的紧张，当矿井采掘衔接相对紧张时，需在上区段工作面回采完成后马上进行下区段工作面顺槽的掘进，或者在上区段工作面回采的同时进行下区段工作面顺槽的掘进，即下区段工作面顺槽在上区段工作面回采动压影响下掘进，由于受到相邻工作面采空区基本顶断裂后悬臂结构回转、下沉变形影响，沿空巷道围岩处于高应力状态且变形剧烈，巷道维护困难。
针对上述沿空掘巷围岩变形严重、控制难度大的问题，依靠传统锚杆锚索对巷道加强支护无法有效控制围岩变形，切断采空区基本顶悬臂岩梁与沿空巷道顶板间的力学联系，才能从根本减小沿空巷道围岩应力集中，从而提高沿空巷道围岩的稳定性。
在申请号为201210261392.8的“受动压影响的小煤柱沿空掘巷巷旁切顶卸压方法”，申请号为201310167156.4的“一种留小煤柱沿空掘巷围岩控制方法”，以上两种专利均能够实现降低沿空巷道及窄煤柱的支承压力及减小沿空巷道围岩变形的目的，但现有技术不足之处为：①上述两种方法均采用炸药火力爆破，而火力爆破危险性大，需要制定专项施工技术措施，且其在高瓦斯矿井的使用具有严格的技术要求；②顶板情况良好时，超前工作面进行切顶爆破，均未采取顶板加强支护措施，若超前爆破距离及爆破时机选择不合适，则可能引起巷道内顶板提前切落，造成顶板管理难度大；顶板较为破碎时，炮眼进入采空区进行爆破，采空区瓦斯浓度大，尤其是上隅角更容易发生瓦斯超限事故，若出现瞎炮时，处理难度大，将其遗留在采空区，将会给矿井的安全生产带来极大隐患。
在申请号为200910073961.4的“一种控制放顶护巷方法”，该专利中也提及采用化学膨胀剂胀裂剂致裂采空区悬顶的大厚度坚硬岩石，但并未给出相应布孔参数及具体施工工艺流程。
综上所述，现有技术主要采用火力爆破方式来切断采空区基本顶悬臂结构与沿空巷道顶板的联系，而火供品的生产及使用国家有着严格的限制，在高瓦斯矿井使用则会存在安全隐患且有诸多限制；虽提及采用化学膨胀剂，但并未给出相应布孔参数及具体施工工艺流程，因而提出一套用于沿空掘巷窄煤柱采空侧静态胀裂切顶卸压方法及具体施工工艺流程，对完善窄煤柱沿空掘巷围岩控制理论具有重要的理论及实践意义。
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掘巷窄煤柱采空侧静态胀裂切顶卸压方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。
一种用于沿空掘巷窄煤柱采空侧静态胀裂切顶卸压方法，所述方法是按下列步骤进行的：
（1）钻孔位置及钻孔相关参数（间距、直径、角度、深度）的确定
钻孔位置：超前上区段工作面20~30m（工作面超前支护段外），在上区段工作面顺槽内靠近窄煤柱帮沿顶板轴向布置若干组钻孔。
钻孔间距：静态胀裂剂在钻孔围岩内产生的裂隙区半径按
钻孔直径：按70~90mm选取。
钻孔角度：与巷道顶板水平方向夹角按70°~90°选取。
钻孔深度：按公式l=kh/sinθ计算，式中：h为钻孔垂深，θ为钻孔角度，k为富裕系数，取1.1~1.3；钻孔垂深按h=h1+h2确定，h1为直接顶厚度，h2基本顶厚度。
（2）钻孔施工
在上区段工作面顺槽超前支护段外，尽量靠近窄煤柱帮，按步骤（1）中所确定的钻孔相关参数朝上区段工作面方向斜向上钻孔，根据工作面回采进度确定钻孔施工速度，若干个钻孔为一组，钻孔可分为装药钻孔和导向钻孔，装药钻孔进行装药，导向钻孔不装药，导向钻孔的存在改变了装药钻孔边缘的应力分布，使得裂缝在装药钻孔连线方向得以扩展、贯通。
（3）封孔及装药
钻孔施工完成后，进行装药钻孔封孔及装药，采用注浆的方法将静态胀裂剂注入煤岩体内。
首先进行下管和初次封孔工作，将注浆管、水泥浆回浆管、静态胀裂剂回浆管送入钻孔中，并通过细铁丝将各管口固定在钻孔孔口处。初次封孔材料选择水玻璃-水泥混物，通过水玻璃-水泥混合物将三根管与钻孔孔口密封；将水玻璃和水泥混合后，成为水玻璃-水泥双液浆，水玻璃与水泥的主要化学反应方程式为：3ca(oh)2+nao·nsi02+mh20=ca·nsi02·mh20+2naoh，水玻璃与水泥的反应速度比水泥水化反应要快，反应后生成强度相对较高的硅酸钙，板结后具有很高承载能力，10min~20min形成强度，因而该混合液具有凝固速度快、凝结强度高的特点。采用该方法将当班钻孔隔孔进行初次封孔作业。
其次进行水泥浆液二次封孔工作，在注浆管管口加装一个单向阀，将气动式双液注浆泵与单向阀连接后进行水泥浆液注浆，直至水泥浆回浆管管口回浆时停止注入水泥浆液。以此类推，将当班钻孔隔孔进行二次封孔作业，水泥浆液在1~3h初凝，在4~6h终凝并形成强度。
最后进行静态胀裂剂浆液注浆工作，第二天当班继续沿上区段工作面顺槽向前进行下管及封孔工作，同时对前一天封孔后的钻孔进行静态胀裂剂注浆（保证水泥浆液充分凝结，同时可以封闭钻孔浅部裂隙）；静态胀裂剂由cao、mgo、sio2、al2o3和fe2o3组成，其中90%以上是cao，将静态胀裂剂与水采用7：3比例在注浆泵搅拌桶内混合后，将气动式双液注浆泵与单向阀连接后进行静态胀裂剂浆液注浆，直至静态胀裂剂回浆管管口回浆时停止注入静态胀裂剂浆液，以此类推，将前一天封孔后的钻孔隔孔注入静态胀裂剂浆液。
（4）静态胀裂切顶卸压
静态胀裂剂浆液注入装药钻孔后，随着时间的增长，逐渐发生反应并膨胀变形，在导向钻孔的导向作用下，相邻两孔间出现贯穿裂隙，在上区段工作面采空侧与区段窄煤柱上覆基本顶岩层间形成结构弱面，上区段工作面回采过后，采空侧基本顶悬臂结构在矿山压力的作用下很好地垮落下来。
（5）沿空巷道掘进
若上区段工作面已回采完毕，切顶工作已经完成，则可立即进行下区段工作面顺槽的掘进工作，由于采空侧基本顶悬臂结构已被破坏，下区段工作面顺槽沿空掘巷过程中，所受上区段工作面基本顶悬臂结构影响比较小，巷道围岩控制难度减小，支护相对容易。
若采掘衔接工作相对紧张，则可在在上区段工作面窄煤柱采空侧切顶卸压的同时，进行下区段工作面顺槽的掘进工作，对于迎回采面沿空掘进时期，受到上区段工作面回采后采动空间上覆岩层的剧烈影响，在工作面前方及后方一定距离产生不稳定的支承压力应力增高区域，为减小巷道维护的难度，需在上区段工作面采动影响剧烈区域停止沿空巷道的掘进，只进行上区段工作面回采及切顶卸压工作，待上区段工作面回采超过该段区域后再进行沿空巷道的复掘工作。由于避开了上区段工作面采动影响剧烈区域，而下区段工作面顺槽沿空掘巷过程中，采空侧基本顶悬臂结构已被破坏，所受上区段工作面回采动压影响比较小，巷道围岩控制难度减小，支护相对容易。
上述一种用于沿空掘巷窄煤柱采空侧静态胀裂切顶卸压方法，与现有技术相比，其有益效果在于：
火药爆破是瞬时进行，而静态胀裂剂反应时间容易控制，可根据工作面顶板岩层性质及现场情况、井下温度、工作面推进速度来综合选择静态胀裂剂类型（分快速型和慢速型），即不会因为静态胀裂剂反应过快而影响巷道顶板控制，也不会因为未完全反应的静态胀裂剂装药钻孔进入采空区后带来安全隐患，实现了本质安全；通过切顶作业很好地切断了区段窄煤柱和上区段工作面采空侧上覆基本顶岩层的力学联系，基本消除了上区段工作面采空侧上覆基本顶回转变形对区段窄煤柱及沿空巷道的动压影响，可实现上区段工作面回采与下区段工作面顺槽掘进同时进行，有效缓解了矿井采掘衔接紧张问题；巷旁切顶卸压后，沿空掘巷围岩应力环境得到极大的改善，掘巷过程中及巷道形成后围岩变形大大减小，巷道支护工程量小、返修率低。
附图说明
图1是本发明沿空掘巷窄煤柱采空侧静态胀裂切顶卸压法的平面图。
图2是图1中ⅰ-ⅰ截面剖视图。
图3是图1中ⅱ-ⅱ截面剖视图。
图4是装药钻孔8下管和水玻璃-水泥封孔后示意图。
图5是装药钻孔8注入水泥浆液封孔后示意图。
图6是装药钻孔8注入静态胀裂剂浆液后示意图。
图中：1：上区段工作面；2：上区段工作面运输顺槽；3：上区段工作面回风顺槽；4：采空区；5：区段窄煤柱；6：下区段工作面运输顺槽；7：下区段工作面；8：装药钻孔；9：导向钻孔；10：直接顶；11：基本顶；12：单向阀；13：注浆管；14:静态胀裂剂回浆管；15：水泥浆回浆管；16：水玻璃-水泥封孔泥；17：水泥浆液；18：静态胀裂剂浆液。
具体实施方式
下面结合图1~图6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掘巷窄煤柱采空侧静态胀裂切顶卸压方法是按下列步骤进行的：
（1）钻孔位置及钻孔相关参数（间距、直径、角度、深度）的确定
钻孔位置：超前上区段工作面20~30m（工作面超前支护段外），在上区段工作面顺槽内靠近窄煤柱帮沿顶板轴向布置若干组钻孔。
钻孔间距：静态胀裂剂在钻孔围岩内产生的裂隙区半径按
钻孔直径：按70~90mm选取。
钻孔角度：与巷道顶板水平方向夹角按70°~90°选取。
钻孔深度：按公式l=kh/sinθ计算，式中：h为钻孔垂深，θ为钻孔角度，k为富裕系数，取1.1~1.3；钻孔垂深按h=h1+h2确定，h1为直接顶厚度，h2基本顶厚度。
（2）钻孔施工
在上区段工作面顺槽超前支护段外，尽量靠近窄煤柱帮，按步骤（1）中所确定的钻孔相关参数朝上区段工作面方向斜向上钻孔，根据工作面回采进度确定钻孔施工速度，若干个钻孔为一组，钻孔可分为装药钻孔和导向钻孔，装药钻孔进行装药，导向钻孔不装药，导向钻孔的存在改变了装药钻孔边缘的应力分布，使得裂缝在装药钻孔连线方向得以扩展、贯通。
（3）封孔及装药
钻孔施工完成后，进行装药钻孔封孔及装药，采用注浆的方法将静态胀裂剂注入煤岩体内。
首先进行下管和初次封孔工作，将注浆管、水泥浆回浆管、静态胀裂剂回浆管送入钻孔中，并通过细铁丝将各管口固定在钻孔孔口处。初次封孔材料选择水玻璃-水泥混物，通过水玻璃-水泥混合物将三根管与钻孔孔口密封；将水玻璃和水泥混合后，成为水玻璃-水泥双液浆，水玻璃与水泥的主要化学反应方程式为：3ca(oh)2+nao·nsi02+mh20=ca·nsi02·mh20+2naoh，水玻璃与水泥的反应速度比水泥水化反应要快，反应后生成强度相对较高的硅酸钙，板结后具有很高承载能力，10min~20min形成强度，因而该混合液具有凝固速度快、凝结强度高的特点。采用该方法将当班钻孔隔孔进行初次封孔作业。
其次进行水泥浆液二次封孔工作，在注浆管管口加装一个单向阀，将气动式双液注浆泵与单向阀连接后进行水泥浆液注浆，直至水泥浆回浆管管口回浆时停止注入水泥浆液。以此类推，将当班钻孔隔孔进行二次封孔作业，水泥浆液在1~3h初凝，在4~6h终凝并形成强度。
最后进行静态胀裂剂浆液注浆工作，第二天当班继续沿上区段工作面顺槽向前进行下管及封孔工作，同时对前一天封孔后的钻孔进行静态胀裂剂注浆（保证水泥浆液充分凝结，同时可以封闭钻孔浅部裂隙）；静态胀裂剂由cao、mgo、sio2、al2o3和fe2o3组成，其中90%以上是cao，将静态胀裂剂与水采用7：3比例在注浆泵搅拌桶内混合后，将气动式双液注浆泵与单向阀连接后进行静态胀裂剂浆液注浆，直至静态胀裂剂回浆管管口回浆时停止注入静态胀裂剂浆液，以此类推，将前一天封孔后的钻孔隔孔注入静态胀裂剂浆液。
（4）静态胀裂切顶卸压
静态胀裂剂浆液注入装药钻孔后，随着时间的增长，逐渐发生反应并膨胀变形，在导向钻孔的导向作用下，相邻两孔间出现贯穿裂隙，在上区段工作面采空侧与区段窄煤柱上覆基本顶岩层间形成结构弱面，上区段工作面回采过后，采空侧基本顶悬臂结构在矿山压力的作用下很好地垮落下来。
（5）沿空巷道掘进
若上区段工作面已回采完毕，切顶工作已经完成，则可立即进行下区段工作面顺槽的掘进工作，由于采空侧基本顶悬臂结构已被破坏，下区段工作面顺槽沿空掘巷过程中，所受上区段工作面基本顶悬臂结构影响比较小，巷道围岩控制难度减小，支护相对容易。
若采掘衔接工作相对紧张，则可在在上区段工作面窄煤柱采空侧切顶卸压的同时，进行下区段工作面顺槽的掘进工作，对于迎回采面沿空掘进时期，受到上区段工作面回采后采动空间上覆岩层的剧烈影响，在工作面前方及后方一定距离产生不稳定的支承压力应力增高区域，为减小巷道维护的难度，需在上区段工作面采动影响剧烈区域停止沿空巷道的掘进，只进行上区段工作面回采及切顶卸压工作，待上区段工作面回采超过该段区域后再进行沿空巷道的复掘工作。由于避开了上区段工作面采动影响剧烈区域，而下区段工作面顺槽沿空掘巷过程中，采空侧基本顶悬臂结构已被破坏，所受上区段工作面回采动压影响比较小，巷道围岩控制难度减小，支护相对容易。
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
某矿现回采15号煤层，15号煤层平均厚度为3.5m，直接顶（10）为均厚7.0m的灰黑色泥岩，基本顶（11）为均厚4.0m的细砂岩，在上区段工作面（1）布置上区段工作面运输顺槽（2）和上区段工作面回风顺槽（3）两条回采巷道，该矿现采掘衔接紧张，在上区段工作面（1）回采的同时需要进行下区段工作面运输顺槽（6）的掘进，以保证在上区段工作面（1）回采完毕前完成下区段工作面（7）的准备工作；为减小下区段工作面运输顺槽（6）沿空掘巷时受上区段工作面（1）回采的动压影响，因而在上区段工作面回风顺槽（3）靠近区段窄煤柱（5）侧顶板进行切顶卸压工作，如附图1所示。
步骤一：在上区段工作面（1）超前支护段外，即超前上区段工作面（1）25m，沿上区段工作面回风顺槽（3）顶板靠近区段窄煤柱（5）帮侧1m距离进行钻孔施工作业；根据静态胀裂剂产生膨胀压力值及其在钻孔围岩内产生裂隙区半径大小综合确定钻孔间距为1.1m；钻孔直径选取85mm；钻孔方向与巷道顶板水平方向夹角为75°；钻孔垂深为11m，钻孔深度为13m。
步骤二：按步骤一确定的钻孔参数进行钻孔施工，每施工20个钻孔分为一组，每组钻孔分为装药钻孔（8）和导向钻孔（9），装药钻孔（8）注入静态胀裂剂浆液（18），导向钻孔（9）不进行装药。
步骤三：首先进行装药钻孔（8）下管和初次封孔工作，采用4分塑料圆管，管直径为20mm，每根管长度为3m，该塑料圆管可以用剪刀裁断和通过连接套接长，其中注浆管（13）长6m，静态胀裂剂回浆管（14）长13m，水泥浆回浆管（15）长3m，将三根管依次送入装药钻孔（8）内，每根管在装药钻孔（8）外露长度为0.2m，并通过细铁丝将其与巷道顶板金属网连接进行简易固定。在搅拌筒内放10kg水泥，每次倒入100ml水玻璃液并均匀搅拌10~30s，戴橡胶手套人工捏该混合物成形，并在装药钻孔（8）孔口进行封孔，封孔长度约0.3m，该水玻璃-水泥封孔泥（16）在15min内即可产生5~8mpa强度，初次封孔每孔平均耗时10min，以此类推将该组中剩余9个装药钻孔（8）分别进行水玻璃-水泥初次封孔，整个过程如附图4所示。
其次进行装药钻孔（8）水泥浆液（17）二次封孔作业，在注浆管（13）管口加装一个单向阀（12），将气动式双液注浆泵与单向阀（12）连接后进行水泥浆液（17）注浆，注浆压力为2~3mpa，直至水泥浆回浆管（15）管口回水泥浆液（17）时停止注入水泥浆液（17），水泥浆液（17）在装药钻孔（8）内注入长度为2.5m，以此类推，当班将该组剩余9个装药钻孔（8）分别进行水泥浆液（17）二次封孔，所用水泥为普通硅酸盐水泥，其水灰比为0.44，在该矿井下条件下，水泥浆液（17）1.5h初凝，6h终凝，整个过程如附图5所示。
最后进行静态胀裂剂浆液（18）注浆作业，第二天当班继续进行下管及封孔工作，同时对前一天封孔后的装药钻孔（8）进行静态胀裂剂浆液（18）注浆（隔天装药可保证水泥浆液充分凝结，同时可以封闭钻孔浅部裂隙）；静态胀裂剂由cao、mgo、sio2、al2o3和fe2o3组成，其中90%以上是cao，将静态胀裂剂与水采用7：3比例在注浆泵注浆桶内混合后，将气动式双液注浆泵与单向阀（12）连接后进行静态胀裂剂浆液（18）注浆，注浆压力为4~6mpa，直至静态胀裂剂回浆管（14）管口回浆时停止注入静态胀裂剂浆液（18），静态胀裂剂浆液（18）在装药钻孔（8）内注入长度为10m，以此类推，将前一天封孔后的装药钻孔（8）分别注入静态胀裂剂浆液（18），整个过程如附图6所示。
步骤四：封孔及装药工序完成后如图3所示，随着时间的增长，装药钻孔（8）内的静态胀裂剂浆液（18）逐渐发生反应并膨胀变形，在导向钻孔（9）的导向作用下，相邻两孔间出现贯穿裂隙，在上区段工作面（1）采空侧与区段窄煤柱（5）上覆基本顶（11）岩层间形成结构弱面，上区段工作面（1）回采过后，采空侧基本顶（11）悬臂结构在矿山压力的作用下很好地垮落下来。
步骤五：由于采掘衔接工作紧张，留设10m区段窄煤柱（5），在上区段工作面回风顺槽（3）内沿区段窄煤柱（5）采空侧切顶卸压的同时，进行下区段工作面运输顺槽（6）的掘进工作，为避免迎回采面沿空掘进时期，受到上区段工作面（1）回采后采动空间上覆岩层的剧烈影响，在上区段工作面（1）前方100m及后方100m采动影响剧烈区域停止下区段工作面运输顺槽（6）的掘进，只进行上区段工作面（1）回采及切顶卸压工作，待上区段工作面（1）回采超过该段区域后再进行下区段工作面运输顺槽（6）的复掘工作。由于避开了上区段工作面（1）采动影响剧烈区域，而下区段工作面运输顺槽（6）沿空掘巷过程中，采空侧基本顶（11）悬臂结构已被破坏，所受上区段工作面（1）回采动压影响比较小，巷道围岩控制难度减小，支护相对容易。
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