利用顶板裂隙水原位弱化主控煤岩层控制灾害的方法

利用顶板裂隙水原位弱化主控煤岩层控制灾害的方法
【专利摘要】一种利用顶板裂隙水原位弱化主控煤岩层控制灾害的方法，所述方法是在含有顶板裂隙水的条件下，利用物探法对顶板裂隙水的空间分布及其特征做详细的探测，分析研究裂隙水的含量及运移情况，钻探验证并取样进行室内常规岩石力学实验测取相关系数；后分别在运输平巷和回风平巷两巷的顶板打两排放水钻孔，在每个钻孔中沿着不同的角度布置两个扇形钻孔；然后在所有钻孔中利用开槽钻头每隔一定的距离开设一个“V“型环槽，最后通过注水封孔器对所有钻孔进行分段水压致裂。该方法施工简单，避免了传统爆破施工中各种复杂措施和工艺，具有广泛的实用性和较高的推广意义。
【专利说明】
利用顶板裂隙水原位弱化主控煤岩层控制灾害的方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于煤层顶板含有裂隙水条件下，厚煤层煤岩体灾害防治的方 法，具体为一种利用顶板裂隙水原位弱化厚煤层煤岩防治灾害的方法。 技术背景
[0002] 随着煤炭工业的快速发展，浅埋深条件下的工作面已经逐渐萎缩，煤层开采逐渐 向深部开采趋势发展。随着采深的增加，在采场的上覆岩层经常会遇到一些或大或小的裂 隙孔隙含水岩层，运些裂隙孔隙水会在顶板的下沉形成的离层带空间不断的聚集，当顶板 的破坏程度加大或断裂时，富集的裂隙水会瞬时溃入工作面，造成突水事故。与此同时对于 深部坚硬顶板厚煤层开采而言，顶板问题和顶板岩层上方的裂隙水问题一样，也是一个非 常棘手的问题。在坚硬顶板煤层开采中，坚硬顶板悬而不跨的现象频繁，一旦顶板跨落工作 面强矿压并且伴有很强的冲击性，甚至引起暴风。与此同时，放顶煤开采由于坚硬顶板造成 放煤率低、工作面支架阻力大等一系列严重问题。
[0003] 经过煤矿工业的快速发展，两种问题得到了一定的解决，取得了一定的成果。在顺 槽布置密集放水钻孔，再W废水形式排出地表。李德忠在论文《工作面顶板砂岩裂隙水综合 防治技术》中通过对裂隙水的特征进行分析，提出治理裂隙水的措施，即在回采期间采取钻 孔导流疏放裂隙水的方法。可是运种方式直接破坏水系的循环规律，极大的浪费水资源;专 利申请号为201310119329.5公开了一种坚硬顶板定向承压爆破控制的方法，通过利用炸药 自身释放的能量和传爆介质对围岩的控制弱化。吕德仁在论文《煤矿顶板弱化处理及稳定 性研究与应用》中通过W材料计算和试验为基础，对于爆破处理始终存在爆破效果不理想、 粉尘大、有害气体大最为中要的是在高瓦斯井不适用等缺陷。
[0004] 针对W上情况，需要设计一种经济安全使得两种问题同时解决的技术是十分必要 的。
【发明内容】
为了解决上述技术背景中存在的问题，本发明提供一种更为有效的方法，具体为一种 利用顶板裂隙水原位弱化主控煤岩层控制灾害的方法。
[0005] 本发明的具体技术方案如下。
[0006] -种利用顶板裂隙水原位弱化主控煤岩层控制灾害的方法，所述方法是在含有顶 板裂隙水的条件下，按下列步骤进行的： (1) 应用物探方法探测顶板岩层裂隙水的空间分布和结构特征，结合地质采矿资料分 析裂隙水的含量及运移情况，并对裂隙水储量进行估计;钻探验证取样进行室内常规岩石 力学实验，测定煤岩体单轴抗拉强度、孔隙率、含水率和渗透系数； (2) 根据煤体和顶板岩体的力学特性，分别测定在水中浸泡不同时间后煤体和顶板岩 体的强度变化。
[0007] (3)在运输平巷和回风平巷靠近工作面侧的顶板，分别沿着巷道轴线各钻一排向 上垂直钻孔，每排定义为一组，回风平巷定义为一组，运输平巷为二组，两组分别交替设置， 根据上覆煤岩层地质条件，每组钻孔间距为5-15m，每个钻孔中，分别平行采煤工作面的方 向，再打两条倾斜钻孔，钻孔的深度为煤层采厚的3-5倍； (4)超前回采工作面60m，在两巷道顶板的所有钻孔中，利用开槽钻头每隔一定的距离 开设一个"V "型环槽，直至完成整个钻孔. 巧)将注水封孔器与高压注水管路相连接，管路的另一端与高压注水累连接，将注水封 水器置于第一个钻孔的两端，然后开启高压注水累通过封孔器进行分段注水预裂，注水的 致裂时间为300s，注水压力为45-50MPa，第一个进行致裂完成后，对第二个进行致裂，W此 类推直至完成全部钻孔，在致裂的过程中要对注水压力进行实时监测； (6) 对水压致裂后的钻孔实施二次封孔作业，保证上覆岩层裂隙水逐渐渗透至所需要 软化的主控煤岩层； (7) 根据采空区废水软化后煤体和顶板岩体的单轴抗拉强度及其工作面采煤机及其液 压支架的性能确定工作面的推进速度； 在上述技术方案中，所述方法是在水原位弱化主控煤岩层时，进行排水或者是不排水； 所述"V"型环槽是处于两个封水器的中间位置。
[0008] 上述技术方案的实施，其直接带来的和不然产生的有益效果是：一种利用顶板裂 隙水原位弱化主控煤岩并主动防治灾害的方法，利用煤矿广泛采用的放水钻孔与系统，降 低了工作面粉尘，弱化了坚硬煤岩悬顶长度，控制断裂和来压步距，使得关键煤岩层由大断 距冒落的整体结构变为小断距台阶下沉的块体结构，同时避免了形成厚硬薄基岩瞬间大面 积冲击载荷，避免了切顶等支架异常压力显现，在工作面推过后，废水流向采空区，原位保 护并利用了水资源且可防治采空区煤层自燃，而且利用水压致裂的方式能避免传统爆破施 工中各种潜在的威胁，保证了煤矿正常快速推进过程中人员与设备的安全。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明某矿综采工作面钻孔方案布置整体平面示意图。
[0010] 图2是本发明某矿综采工作面C-C截面钻孔布置平面图。
[0011] 图3是本发明某矿综采工作面D-D截面钻孔俯视图。
[0012] 图中：图中：1、上覆采空区；2、回风顺槽；3、煤层；4、底板；5、运输顺槽；6、上覆岩 层;7、钻孔。 具体实施方案
[0013] W下结合【附图说明】对本发明的具体实施方案进行进一步的详细说明，必须指出， 此处所描述的具体实例仅仅用W解释本发明，并不用于限项本发明。
[0014] 实施一种利用顶板裂隙水原位弱化主控煤岩层控制灾害的方法，所述方法的具体 步骤如下。
[0015] 某煤矿目前正在开采的煤层为4号煤层，其平均煤层厚度为12.47m，其中所含的夹 杆层相对比较简单，为泥岩或者炭质泥岩。煤层的顶板属于砂岩。并且富含裂隙水。针对运 种情况下，进行本发明的方案。
[0016] 步骤一，应用物探的方法探测顶板岩层裂隙水的空间分布和结构特征，测得4号煤 层上方有砂岩裂隙含水层，为工作面和矿井直接充水的含水层;按照国际岩石力学试验规 程进行室内力学特性测试，分别测得煤体的和岩体的单轴抗压强度为2.36Mpa和26.4Mpa; 含水率分别为2.31%和1.8%;渗透系数为7.2 X l〇-3cm/s和5.6 X l〇-3cm/s。
[0017] 对岩层裂隙水用富水系数法进行估计； 无限边界含水层的定降深变流量模型为：
式中r表示为工作面引用半径;S表示顶板水位降深;Sw-定降深值，老顶来时，压导水 裂隙带将含水层贯通;式中G(A)-定降深流量函数。
[0018] 通过计算涌水量为IOm3A，小于安全标准，可进行下一步工作。
[0019] 步骤二，根据煤体和顶板岩体的力学特性，分别对不同时间浸泡后的煤体和顶板 岩体的进行单轴抗压强度测试。其拟合的强度关系曲线分别为：
步驟=，在运输平巷和凹风平巷的超前工作面靠近工作面的顶板，分别沿着巷道轴线 各钻一排向上垂直钻孔。每排定义为一组，回风平巷定义为一组，运输平巷为二组，两组分 别交替设置。每组钻孔间距为12m。每个钻孔中，分别平行采煤工作面的方向，再打两条倾斜 钻孔。钻孔的深度为27m，并穿透贯通顶板含裂隙水的岩层3层。
[0020] 步骤四，超前回采工作面60m左右，在两巷道顶板的所有钻孔中，利用开槽钻头每 隔5m开设一个"V "型环槽，直至完成整个钻孔。
[0021] 步骤五，将注水封孔器与高压注水管路相连接，管路的另一端与高压注水累连接。 首先将注水封水器置于第一个钻孔的两端，然后开启高压注水累通过封孔器进行注水预 裂。注水的致裂时间为300s左右，在该时间段的说压力的峰值为50MPa。第一个进行致裂完 成后，对第二个进行致裂，W此类推直至完成全部钻孔。在致裂的过程中要对注水压力进行 实时监测。
[0022] 步骤六，对水压致裂后的钻孔实施二次封孔作业，保证上覆岩层裂隙水逐渐渗透 至所需要软化的主控煤岩层。
[0023] 步骤屯，根据采空区废水软化后煤体和顶板岩体的单轴抗拉强度及其工作面采煤 机及其液压支架的性能确定工作面的推进速度600mm。
[0024] W上所述仅为本发明的较好的实例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内所作的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种利用顶板裂隙水原位弱化主控煤岩层控制灾害的方法，所述方法是在含有顶板 裂隙水的条件下，按下列步骤进行的： (1) 应用物探方法探测顶板岩层裂隙水的空间分布和结构特征，结合地质采矿资料分 析裂隙水的含量及运移情况，并对裂隙水储量进行估计;钻探验证取样进行室内常规岩石 力学实验，测定煤岩体单轴抗拉强度、孔隙率、含水率和渗透系数； (2) 根据煤体和顶板岩体的力学特性，分别测定在水中浸泡不同时间后煤体和顶板岩 体的强度变化； (3) 在运输平巷和回风平巷靠近工作面侧的顶板，分别沿着巷道轴线各钻一排向上垂 直钻孔，每排定义为一组，回风平巷定义为一组，运输平巷为二组，两组分别交替设置，根据 上覆煤岩层地质条件，每组钻孔间距为5-15m，每个钻孔中，分别平行采煤工作面的方向，再 打两条倾斜钻孔，钻孔的深度为煤层采厚的3-5倍； (4) 超前回采工作面60m，在两巷道顶板的所有钻孔中，利用开槽钻头每隔一定的距离 开设一个"V "型环槽，直至完成整个钻孔； (5) 将注水封孔器与高压注水管路相连接，管路的另一端与高压注水栗连接，将注水封 水器置于第一个钻孔的两端，然后开启高压注水栗通过封孔器进行分段注水预裂，注水的 致裂时间为300s，注水压力为45-50MPa，第一个进行致裂完成后，对第二个进行致裂，以此 类推直至完成全部钻孔，在致裂的过程中要对注水压力进行实时监测； (6) 对水压致裂后的钻孔实施二次封孔作业，保证上覆岩层裂隙水逐渐渗透至所需要 软化的主控煤岩层； (7) 根据采空区废水软化后煤体和顶板岩体的单轴抗拉强度及其工作面采煤机及其液 压支架的性能确定工作面的推进速度。2. 根据权利要求1所述的方法，所述方法是在水原位弱化主控煤岩层时，进行排水或者 是不排水。3. 根据权利要求1所述的方法，所述"V"型环槽是处于两个封水器的中间位置。
【文档编号】E21F5/00GK106014407SQ201610502830
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】杨永康, 张彦斌, 康天合, 季春旭, 郭泽峰, 张智敏
【申请人】太原理工大学