大倾角煤层开采冲击地压定向防治方法
【技术领域】
[0001] 本发明所属煤矿安全领域，具体涉及到用于大倾角煤层开采冲击地压定向防治方 法。
【背景技术】
[0002] 研宄表明，大倾角煤层开采覆岩破断模式与近水平煤层不同，顶板初次破断为 "V-Y"型断裂模式，周期破断为"四边形"型断裂模式。导致了大倾角煤层冲击地压发生性 质具有空间非对称特征，即上部顶板断裂易发生诱发型冲击地压，下部顶板稳定易发生能 量聚集型冲击地压。随着开采深度和强度日益增加，大倾角煤层冲击地压防治已成为我国 煤矿生产中亟待解决的重要课题。
[0003] 鉴于此，必须要根据大倾角煤层冲击地压发生的非对称特征，提出具有针对性的 定向防治方法，才能有效降低冲击地压的发生频率，保障矿山的生产安全。
[0004] 按照改善顶板应力环境、切断应力传递路径、降低顶板强度、减小悬顶面积、释放 顶板内聚集大量的弹性能的解危思路，定向防治方法需要利用以下几种卸压手段：
[0005] 超前顶板深孔爆破是针对聚集大量弹性能的悬顶进行爆破弱化，使得悬顶面积减 小，在工作面超前范围的顶板内形成连续的破碎带，切断应力传递路径，达到削弱顶板来压 的强度，释放悬顶弹性能目的；
[0006] 大直径钻孔卸压是在高应力集中区域利用多个110mm以上钻孔形成破裂卸压区， 使得应力峰值减小并向煤体深部转移，释放近场区域弹性能，最终达到解除冲击危险的目 的；
[0007] 高压注水通过改变煤体的物理机械特性，实现软化煤体物理力学性质，以达到降 低煤体储存能量的能力，减缓矿压显现的目的；
[0008] 煤体卸压爆破是采用爆破的方法针对冲击危险区域内的煤体进行卸压，减缓应力 集中程度，针对大倾角煤层回采后产生坚硬悬顶的位置及爆破卸压后形成的冲击地压危险 区域，提出了冲击地压定向防治方法。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种大倾角煤层开采冲击地压定向防治方法，既能够有效 解决大倾角煤层工作面顶板沿倾斜方向非对称断裂问题，又能够避免顶板深孔爆破后形成 高应力集中导致次生灾害的风险，及时对冲击危险区域进行定向防治。
[0010] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0011] 一种大倾角煤层开采冲击地压定向防治方法，所述冲击地压定向防治方法分为三 个步骤：
[0012] 步骤1):顶板能量释放；
[0013] 步骤2):次生能量消耗；
[0014] 步骤3):二次解危。
[0015] 进一步的，所述步骤1)在工作面前方易发生冲击地压的区域布置炮孔，所述步骤 1)具体包括：
[0016] 步骤11):确定定向爆破孔位置、排布方式、倾角及长度；
[0017] 步骤12):确定定向爆破孔炮孔间距、排距；
[0018] 步骤13):确定装药结构与装药量；
[0019] 步骤14):确定封孔长度。
[0020] 进一步的，所述步骤11)具体如下：
[0021] 首先确定顶板内需要进行顶板能量释放的关键层位，利用公式（1)求出大倾角煤 层目标岩层挠度方程w(x，y):
[0025] 式中D--坚硬顶板弯曲刚度，D = E2h23/12(l_y22);
[0026] E2--坚硬顶板弹性模量；
[0027] y !--上覆岩层平均容重；
[0028] y2--坚硬顶板容重；
[0029] y 2--坚硬顶板泊松比；
[0030] h2--坚硬顶板厚度；
[0031] a--工作面走向推进长度，m ;
[0032] b--工作面倾向推进长度，m ;
[0033] Ls--砰石充填区长度，m ;
[0034] c 待定系数，c = b/2-Ls，m ;
[0035] |3 顶板岩层倾角，（° );
[0036] P0一一工作面下端头处上覆岩层荷载，MPa;
[0037] Py0--工作面y = 0处上覆岩层荷载，MPa ;
[0038] q一一长度为Ls的矸石填充载荷，MPa;
[0039] G--坚硬顶板的重力，G = y 2h2, MPa ;
[0040] F:--坚硬顶板的水平构造力，Fi=人i y 2h2 (入丨取1. 6)，MPa ;
[0041] F2--坚硬顶板的水平构造力，F2=人2 y 2h2 (入2取1. 1)，MPa ;
[0042] C:--待定系数，Ci= P Q+y 九-卩丨，MPa ;
[0043] C2--待定系数，C2= P yQ+ y 2h2-Fi，MPa ;
[0044] C3--待定系数，C2= P Q+ y 九+Fp MPa ;
[0047] 式中o ^ o 3 最大、最小主应力；
[0048] 〇 x、〇 y--x、y 方向正应力；
[0049] txy--xy方向正应力；
[0050] Ez--z方向弹性模量；
[0051] y--煤层泊松比；
[0052] 将w(x，y)代入到公式（2)、（3)中，求得目标岩层y-z平面内的最大主应力等值线 图，根据应力等值线图确定大倾角煤层坚硬顶板的关键层位：上部垮落区、中部断裂区、下 部悬顶区的长度li、1 2、13，根据上部垮落区长度h、中部断裂区长度12、下部悬顶区的长度 1 3和工作平面宽度计算出对应区域在y-z平面内的面积，再利用公式（4)和（5)求出爆破 孔破碎区半径&和裂隙区半径R 2:
[0055] 式中：&--破碎区半径；
[0056] R2--裂隙区半径；
[0057] 〇 cd--岩体动态抗压强度，MPa ;
[0058] 〇 th--岩体动态抗拉强度，MPa ;
[0059] r--药卷半径，m ;
[0060] rb--炮孔半径，m ;
[0061] y d 岩石动泊松比，取0? 8 y ;
[0062] ni一一炸药爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增大系数，取n = 10 ;
[0063] Dj--煤体炸药爆速，m/s ;
[0064] p0--炸药的密度，kg/m3;
[0065] le--装药轴向系数，取le= 1 ;
[0066] K--不耦合系数，取1. 5~2 ;
[0067] B--系数，
[0068] 根据裂隙区半径R2计算出单个爆破孔裂隙区在y_z平面内的覆盖面积，使裂隙区 面积至少覆盖上部垮落区、下部悬顶区顶板面积的1/2,确定上部垮落区、下部悬顶区定向 爆破孔的个数，炮孔倾角以覆盖爆破区域为准，爆破深度最小达到目标层厚度的2/3以上， 通过回风顺槽设置上部垮落区的定向爆破孔，通过运输顺槽设置下部悬顶区的定向爆破 孔；中部断裂区设置一个老顶定向爆破孔，使该孔爆破区域覆盖应力最大区域，爆破深度至 少达到目标层厚度的1/2以上，通过运输顺槽设置中部断裂区的老顶定向爆破孔。
[0069] 进一步的，所述步骤12)具体如下：根据爆破孔破碎区半径&和裂隙区半径1?2确 定两相邻炮孔孔间距大于1. ，排距小于等于1. 86R2。
[0070] 进一步的，所述步骤13)具体如下：采用连续不耦合装药结构，孔内串联，孔外并 联，装药量体积采用公式（6)计算：
[0072] 式中：ai--爆力系数，取1. 0~1. 3 ;
[0073] qi--炸药单耗，根据松动爆破工程类比，砂岩取0?3~0?45kg/m3;
[0074] g--炮眼堵塞系数，硬厚砂岩取1~1. 5 ;
[0075] lb--炮孔长度，m ;
[0076] W--最小抵抗线，视装药量大小确定取2~6m ;
[0077] K--不耦合系数，取1. 5~2 ;
[0078] r--药卷半径，m ;
[0079] nc一一炮眼深度对单位体积炸药消耗量的影响系数，取1. 0~1. 3。
[0080] 进一步的，所述步骤14)具体如下：封孔长度为孔深的25-30%。
[0081] 进一步的，所述步骤2)包括：高压及静压注水和大直径钻孔卸压。
[0082] 进一步的，所述高压及静压注水具体如下：顶板能量释放步骤后，向运输顺槽煤帮 内注水，保证回采工作面超前60m范围内均完成煤层注水，注水孔长度20~25m，每隔10m 布置一组注水孔，钻孔直径45mm，动压注水压力位15~18MPa，封孔深度不小于6m，每次注 水时间不小于30小时，煤壁或煤帮水有渗水现象停止注水。
[0083] 进一步的，所述大直径钻孔卸压具体如下：向两道煤帮侧实施大直径钻孔卸压，回 采工作面超前60m范围内均完成大直径钻孔卸压，孔径保证大于110mm，钻孔仰角5