本发明涉及切顶卸压技术领域，尤其涉及一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法。
背景技术：
近年来，支护理念和支护技术有很大的提高，锚杆、锚索配合托盘、钢带、网片等支护构件成为主要的支护手段，为了保证巷道服务期间的安全稳定，大部分巷道的支护强度偏大。特别的，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。但对于工作面两侧顺槽，由于其特殊的顶板结构及人为支护作用，导致顺槽顶板不能紧跟工作面顶板冒落，形成长距离悬顶状态。
但是，长距离悬顶造成瓦斯、一氧化碳的积聚、超标，严重影响煤矿的安全高效生产；工作面端头支架受力明显增大；悬顶的突然垮落会产生强力冲击波，释放大量能量，危害工作面内的人员和设备。
为了解决上述问题，通常采用提前拆除锚杆锚索锚具和锁具、阶段性破网等技术措施。但存在以下缺陷：①增加一道退锚工序，增加一套专用退锚设备，提高成本；②拆除锚杆、锚索、破网的过程中容易引起顶板超前冒落，存在安全隐患；③当锚杆、锚索紧固端有锈蚀时，退锚过程较困难；④退锚后顶板仍会形成结构，长距离悬顶的问题依然存在。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是：提供一种可操作性强、方便易行、切顶速度快且切顶成型效果好的基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法，以解决通过提前拆除锚杆、锚索、锚具、锁具和阶段性破网等技术措施存在生产成本高、操作繁琐、安全性差及仍会形成长距离悬顶结构的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法，包括如下操作步骤：
确定关键层：根据平行于所述顺槽采空区的超前工作面的地质条件，采用理论推导与实测结果相结合的方式，确定对所述超前工作面矿压显现有影响的关键层的层位；
钻孔：结合矿井地质条件，采用定向钻孔技术沿着所述超前工作面的巷道走向设置若干个由所述超前工作面巷道倾斜钻进至所述关键层的水力压裂卸压钻孔；
分段压裂：通过在所述水力压裂卸压钻孔内注入高压水对所述关键层实施分段压裂，从而在所述关键层中形成沿着巷道煤柱上方产生近似平行所述煤柱走向的裂隙贯通面，使得所述煤柱上方顶板压力通过所述裂隙贯通面释放，进而使得所述顺槽采空区的顶板紧跟工作面采空区的顶板冒落。
根据上述技术方案的优选，所述关键层为根据关键层板式破断特征判据判定的将会发生“o-x”型破断的关键层，且所述关键层位于所述超前工作面顶板上方的垮落带内。
根据上述技术方案的优选，两个相邻设置的所述水力压裂卸压钻孔之间的最大间距不超过水力压裂裂纹互相贯通的距离，且同时小于所述超前工作面顶板产生“o-x”型破断时的走向长度。
根据上述技术方案的优选，所述通过在所述水力压裂卸压钻孔内注入高压水对所述关键层实施分段压裂包括：根据所述关键层的岩石强度，通过调整压裂泵的流量和压力，以使得注入所述水力压裂卸压钻孔内的高压水能对所述关键层实施分段压裂。
根据上述技术方案的优选，所述采用理论推导与实测结果相结合的方式确定对所述超前工作面矿压显现有影响的关键层的层位包括：
采用竖三带高度计算公式计算所述超前工作面的竖三带高度的分布状况，并结合钻孔窥视仪和围岩强度测试仪实测方式，进一步确定对所述超前工作面矿压显现有影响的关键层的层位。
根据上述技术方案的优选，在所述钻孔中还包括：采用横向或纵向切槽钻头进行预制裂缝。
根据上述技术方案的优选，所述水力压裂卸压钻孔的钻孔方向与垂直于所述超前工作面所在面的方向的夹角范围为5～10°。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明提供了一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法，包括：根据平行于顺槽采空区的超前工作面的地质条件，采用理论推导与实测结果相结合的方式，确定对超前工作面矿压显现有影响的关键层的层位；结合矿井地质条件，采用定向钻孔技术沿着超前工作面的巷道走向设置若干个由超前工作面巷道倾斜钻进至关键层的水力压裂卸压钻孔；通过在水力压裂卸压钻孔内注入高压水对关键层实施分段压裂，从而在关键层中形成沿着巷道煤柱上方产生近似平行煤柱走向的裂隙贯通面，使得煤柱上方顶板压力通过裂隙贯通面释放，进而使得顺槽采空区的顶板紧跟工作面采空区的顶板冒落。本发明以顺槽采空区易形成的“o-x”型结构理论为依据，结合实际地质条件，采用水力压裂切顶卸压方式，破坏悬顶结构、隔断应力传递、释放矿压，缩短悬顶长度，有效减少垮落步距，可操作性强、切顶速度快且切顶成型效果好，并能从根本上缓解悬顶过长的问题。同时，也利于防止动力灾害，降低工作面端头支架压力，可确保临采空侧巷道能够正常使用，从而大大降低煤柱的留设宽度，有效提高煤炭回采率，增加经济效益，并无需进行退锚工序，生产成本低，实用性强。
附图说明
图1是本发明一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法实施例的方法操作流程图；
图2是本发明一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法实施例的本工作面垮落形成“o-x”型结构平面图；
图3为本发明一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法实施例的本工作面未处理垮落形成结构剖面图；
图4为本发明一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法实施例的本工作面切顶卸压垮落形成结构剖面图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
需说明的是，图2至图4中的本工作面指的是正在回采的工作面，上工作面是已经回采完毕后的工作面。
如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法，包括如下操作步骤：
步骤s1、确定关键层：根据平行于顺槽采空区的超前工作面的地质条件，采用理论推导与实测结果相结合的方式，确定对超前工作面矿压显现有影响的关键层的层位；
具体地，针对需要进行关键层切顶卸压的超前工作面，根据超前工作面的地质条件，结合开采工艺，根据竖三带高度计算的经验公式计算得到竖三带的高度分布，并结合对竖三带的实测结果，以能精确地确定出对超前工作面显现有影响的关键层的所在位置。一般的，关键层为硬度较大、厚度较大的岩石层。
步骤s2、钻孔：结合矿井地质条件，采用定向钻孔技术沿着超前工作面的巷道走向设置若干个由超前工作面巷道倾斜钻进至关键层的水力压裂卸压钻孔；
具体地，当确定关键层所在位置后，结合矿井的实际情况，采用定向钻孔技术沿着超前工作面的巷道走向设置多个水力压裂卸压钻孔；其中，每个钻孔均由钻机从超前工作面的巷道靠近采空区侧倾斜钻进至关键层。
步骤s3、分段压裂：通过在水力压裂卸压钻孔内注入高压水对关键层实施分段压裂，从而在关键层中形成沿着巷道煤柱上方产生近似平行煤柱走向的裂隙贯通面，使得煤柱上方顶板压力通过裂隙贯通面释放，进而使得顺槽采空区的顶板紧跟工作面采空区的顶板冒落。
具体地，通过压裂泵向水力压裂卸压钻孔内注入高压水，喷射出的高压水切割周围岩体，以使得高压强的水能对关键层实施分段压裂，进而关键层因水压作用会形成沿着巷道煤柱上方产生近似平行煤柱走向的裂隙贯通面，如此，煤柱上顶板压力可通过裂隙贯通面释放，顶板水平方向切断老顶破断后形成铰接结构，顶板竖直方向由于矿山压力作用会沿着裂隙贯通面冒落，进而使得顺槽采空区的顶板紧跟工作面采空区的顶板冒落。
如此，本发明以顺槽采空区易形成的“o-x”型结构理论为依据，结合实际地质条件，采用水力压裂切顶卸压方式，破坏悬顶结构、隔断应力传递、释放矿压，缩短悬顶长度，有效减少垮落步距，方便易行、可操作性强、切顶速度快且切顶成型效果好，并能从根本上缓解悬顶过长的问题。同时，也利于防止动力灾害，降低工作面端头支架压力，可确保临采空侧巷道能够正常使用，从而大大降低煤柱的留设宽度，有效提高煤炭回采率，增加经济效益，并无需进行退锚工序，生产成本低，实用性强。
根据上述技术方案的优选，关键层为根据关键层板式破断特征判据判定的将会发生“o-x”型破断的关键层，且关键层位于超前工作面顶板上方的垮落带内。
具体如图2所示，关键层为将会发生“o-x”型破断的关键层，其位置在超前工作面顶板上方的垮落带内，由此，钻机从超前工作面巷道靠近采空区侧倾斜钻进至关键层，并通过注入高压水，以使得关键层因水压作用会形成沿着巷道煤柱上方产生近似平行煤柱走向的裂隙贯通面，以使得煤柱上方顶板压力通过裂隙贯通面释放，进而使得顺槽采空区的顶板紧跟工作面采空区的顶板冒落。
根据上述技术方案的优选，两个相邻设置的水力压裂卸压钻孔之间的最大间距不超过水力压裂裂纹互相贯通的距离，且同时小于超前工作面顶板产生“o-x”型破断时的走向长度。
在确保切顶卸压顺利进行的基础上，综合考虑整个切顶卸压过程的工作量及施工成本，优选的，两个相邻设置的水力压裂卸压钻孔之间的最大间距需满足小于水力压裂裂纹互相贯通的距离及超前工作面顶板产生“o-x”型破断时的走向长度中较小值的条件。
根据上述技术方案的优选，通过在水力压裂卸压钻孔内注入高压水对关键层实施水力分段压裂包括：根据关键层的岩石强度，通过调整压裂泵的流量和压力，以使得注入水力压裂卸压钻孔内的高压水能对关键层实施分段压裂。
具体地，压裂泵的流量和压力值等参数可根据矿井中关键层的岩石强度来进行合理设置与调整，以能实现通过泵入的高压水能对关键层实施分段压裂，其中，高压水指的是大于50mpa的水柱。
根据上述技术方案的优选，采用理论推导与实测结果相结合的方式确定对超前工作面显现有影响的关键层的层位包括：
采用竖三带高度计算公式计算超前工作面的竖三带高度的分布状况，并结合钻孔窥视仪和围岩强度测试仪实测方式，进一步确定对超前工作面矿压显现有影响的关键层的层位。
具体地，根据平行于顺槽采空区的超前工作面的地质条件，基于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的竖三带高度计算经验公式，计算超前工作面的竖三带的高度分布状况的理论值；为进一步地精确关键层的位置，基于理论计算值，采用钻孔窥视仪对煤岩识别以及裂隙观察，并采用围岩强度测试仪测试煤岩的强度，以能准确找到对超前工作面矿压显现有影响的关键层的层位。
其中，煤层分层开采的垮落带高度计算公式与导水裂缝带高度计算公式均与覆岩岩性相关，具体可根据实际煤岩的岩性来选择相对应的计算公式，以能准确找到对超前工作面显现有影响的关键层的层位。
根据上述技术方案的优选，在钻孔中还包括：采用横向或纵向切槽钻头进行预制裂缝。
进一步地，可根据矿井中煤岩的实际地质条件，若煤岩体较为完整且坚硬(裂缝较少或无裂缝)，则为了确保切顶卸压作业的顺利进行，可通过钻孔设备中的横向或纵向切槽钻头在钻孔过程中进行预制裂缝。当然，若煤岩体本身的裂缝较多，则无需进行预制裂缝，具体可根据煤岩的实际地质条件来进行合理的设置。
根据上述技术方案的优选，水力压裂卸压钻孔的钻孔方向与垂直于超前工作面所在面的方向的夹角范围为5～10°。
为防止在切顶卸压过程中，顶板垂直脱落造成强力冲击波，释放大量能量，及危害工作面内的人员和设备的现象发生，具体地，在本实施例中，钻孔采用倾斜的方式进行，即由超前工作面的巷道倾斜钻进至关键层的水力压裂卸压钻孔，以实现煤柱上顶板水平方向切断老顶破断后形成铰接结构，竖直方向由于矿山压力作用顶板会沿着裂隙贯通面冒落，进而使得顺槽采空区的顶板紧跟工作面采空区的顶板冒落，切顶成型效果好。
综上所述，本发明提供了一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法，包括：根据平行于顺槽采空区的超前工作面的地质条件，采用理论推导与实测结果相结合的方式，确定对超前工作面矿压显现有影响的关键层的层位；结合矿井地质条件，采用定向钻孔技术沿着超前工作面的巷道走向设置若干个由超前工作面巷道倾斜钻进至关键层的水力压裂卸压钻孔；通过在水力压裂卸压钻孔内注入高压水对关键层实施分段压裂，从而在关键层中形成沿着巷道煤柱上方产生近似平行煤柱走向的裂隙贯通面，使得煤柱上方顶板压力通过裂隙贯通面释放，进而使得顺槽采空区的顶板紧跟工作面采空区的顶板冒落。本发明以顺槽采空区易形成的“o-x”型结构理论为依据，结合实际地质条件，采用水力压裂切顶卸压方式，破坏悬顶结构、隔断应力传递、释放矿压，缩短悬顶长度，有效减少垮落步距，可操作性强、切顶速度快且切顶成型效果好，并能从根本上缓解悬顶过长的问题。同时，也利于防止动力灾害，降低工作面端头支架压力，可确保临采空侧巷道能够正常使用，从而大大降低煤柱的留设宽度，有效提高煤炭回采率，增加经济效益，并无需进行退锚工序，生产成本低，实用性强。
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。