一种煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法与流程

本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别涉及一种煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法。

背景技术：

随着煤矿开采深度和强度的不断加大，冲击地压灾害日益严重，冲击地压解危措施对于保障煤矿安全生产尤为重要。冲击地压解危技术的核心在于降低围岩应力集中水平，通过主动采取措施使应力转移与释放是解除冲击危险性的根本方法。

目前，顶底板深孔爆破和煤层大直径钻孔等技术在生产实际中得到了广泛的应用和认可，但是在现场应用中由于忽视对应力加载来源进行空间分析、分类，卸压解危措施没有空间概念，针对性不强，方法往往独立使用，造成了卸压盲区存在和卸压效果持续时间短等突出问题，最终导致冲击危险不能有效解除，巷道解危工作效率低下，严重制约了煤矿的安全高效生产。

技术实现要素：

针对以上现有技术存在的不足之处，本发明涉及一种煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法，包括：

对巷道冲击地压发生的应力加载源进行空间分类，将巷道动静载荷来源划分为煤层静载源、底板静载源和顶板动载源；

通过在煤层上进行钻孔卸压，完成对煤层静载源的解危预处理；

通过深孔爆破对底板的水平应力进行疏导，完成对底板静载源的解危预处理；

通过在临空巷道超前进行顶板深孔预裂爆破，完成对顶板动载源的解危预处理。

进一步的，在对巷道冲击地压发生的的应力加载源进行空间分类，将巷道动静载荷划分为煤层静载源、底板静载源和顶板动载源时，包括：

将煤层受顶板重量产生的垂直应力、以及巷帮形成的侧向支承压力共同加载划分为煤层静载源；

将底板原始赋存的水平构造应力加载划分为底板静载源；

将顶板在破断时产生的弹性波加载划分为顶板动载源。

进一步的，在通过在煤层上进行钻孔卸压，完成对煤层静载源的解危预处理时，包括：

对临空巷道实体煤侧的煤层施工钻孔，使煤层上形成一单排大直径钻孔，其中，单排大直径钻孔上的钻孔的轴线均垂直于巷道帮部；

通过对煤层受顶板重量产生的垂直应力、以及巷帮侧向支承压力进行实时监测，确定煤层的应力恢复情况；

若确定煤层的应力未恢复，则完成对煤层上钻孔卸压；若确定煤层的应力恢复，则在相邻的两个钻孔之间施工钻孔，直至确定煤层的应力不能完全恢复为止。

进一步的，还包括在对临空巷道另一侧的煤柱帮施工钻孔，使煤柱帮上形成另一单排大直径钻孔，且在所述煤柱帮上的钻孔深度小于所述煤柱的宽度。

进一步的，在通过在煤层上进行钻孔卸压，对煤层静载源的解危预处理时，还包括：

对每一所述钻孔依次进行装药和封孔处理；

在所有钻孔完成以上钻进、装药和封孔处理后，对所有钻孔进行爆破，完成对煤层静载源的解危预处理。

进一步的，在通过深孔爆破对底板的水平应力进行疏导，完成对底板静载源的解危预处理时，包括：

在临空巷道中向底板钻进垂直于巷道轴向的多个平行底板炮孔；

对每一底板炮孔依次进行装药和封孔处理；

在所有底板炮孔完成以上钻进、装药和封孔处理后，对所有底板炮孔进行爆破，完成对底板的水平应力的疏导。

进一步的，所述底板炮孔的孔口位于临空巷道两侧的巷帮下部，且所述底板炮孔的俯角为45°。

进一步的，通过不耦合连续装药的方式对每一底板炮孔进行装药。

进一步的，在通过在临空巷道超前进行顶板深孔预裂爆破，完成对顶板动载源的解危预处理时，包括：

在临空巷道中向顶板钻进垂直于巷道轴向的至少1个顶板炮孔；

根据顶板炮孔在垂向投影长度，对顶板炮孔的装药长度和钻进长度分别确定；

在完成顶板炮孔钻进在顶板上后，对顶板炮孔依次进行装药和封孔处理；

在所有顶板炮孔完成以上钻进、装药和封孔处理后，对所有顶板炮孔进行爆破，完成对临空巷道超前的顶板深孔预裂爆破。

进一步的，所述顶板炮孔的孔口位于临空巷道顶部且靠近所述临空巷道的煤层，所述顶板炮孔的仰角在45°～90°之间，且通过不耦合连续装药的方式对每一顶板炮孔进行装药。

本发明提供的一种煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法，通过对巷道冲击地压发生的应力加载来源进行空间分类，将巷道动静载荷来源划分为煤层静载源、底板静载源和顶板动载源，再对与煤层静载源、底板静载源和顶板动载源分别对应的危险区域进行有针对性的解危施工，包括采用煤层钻孔卸压、底板深孔爆破和顶板深孔爆破解危处理，从源头和根本上消除煤矿诱导冲击地压的动静载荷，实现通过开展有针对性的加载源消除施工方式，提高对工作面的解危工作效率，使得该区域巷道整体处于较低水平的应力环境中，进而可有效降低巷道冲击危险性，实现良好的整体巷道冲击地压解危效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的工作面的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法的施工示意图；

图3为本发明实施例提供的一种煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的对巷道冲击地压发生的应力加载源空间分类的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的对煤层静载源的解危预处理的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的又一对煤层静载源的解危预处理的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的另一对煤层静载源的解危预处理的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的对底板静载源的解危预处理的流程示意图；

图9为本发明实施例提供的对顶板动载源的解危预处理的流程示意图；

图10为亭南煤矿207及邻近工作面原冲击地压事件分布图。

图11为亭南煤矿207及邻近工作面采取本发明提供的动静载荷分源解危方法后冲击地压事件分布图；

图标：

1、临空巷道，2、煤柱，3、采空区，4、顶板，5、煤层，6、底板，7、顶板炮孔，8、钻孔，9、底板炮孔，10、煤层炮孔。

具体实施方式

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

参见图1，本发明适用的巷道包括自上而下的顶板4、煤层5和底板6，其中，临空巷道1布置在煤层5中，临空巷道1的左侧为依次为煤柱2和采空区3，其中，煤柱2的宽度为30m。

本发明提供了一种煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法，参见图2和3,包括：

s100、对巷道冲击地压发生的应力加载源进行空间分类，将巷道动静载荷来源划分为煤层静载源、底板静载源和顶板动载源；

s200、通过在煤层上进行钻孔卸压，完成对煤层静载源的解危预处理；

s300、通过深孔爆破对底板的水平应力进行疏导，完成对底板静载源的解危预处理；

s400、通过在临空巷道超前进行顶板深孔预裂爆破，完成对顶板动载源的解危预处理。

通过深孔爆破对底板的水平应力进行疏导，相对于传统的在巷道底角的钻孔卸载后通过钢管混凝土阻断水平应力的方法，深孔爆破的方式不但能够快速有效的对底板静载源进行解危，而且深孔爆破在底板的施工方式也相对简单，进而可提高对底板静载源的解危预处理的效率；通过在临空巷道超前进行顶板深孔预裂爆破，相对于传统的对顶板的钻孔-水射流切缝-高压水压裂消除动载源的方法，对顶板的深孔预裂爆破不但能够快速有效的对临空巷道1超前进行解危，而且深孔爆破在顶板的施工方式也相对简单，进而也提高对顶板动载源的解危预处理的效率，满足冲击地压解危工作快速高效的要求。

作为一优选实施方式，在对巷道冲击地压发生的应力加载源进行空间分类，将巷道动静载荷来源划分为煤层静载源、底板静载源和顶板动载源时，参见图4，包括：

s101、将煤层5受顶板重量产生的垂直应力、以及巷帮形成的侧向支承压力共同加载划分为煤层静载源；

s102、将底板6原始赋存的水平构造应力加载划分为底板静载源；

s103、将顶板4在破断时产生的弹性波加载划分为顶板动载源。

通过静载源加载是以应力缓慢迁移、渐进加载为特征，动载源加载主要是以弹性冲击波为特征，瞬间加载，并以此为判别依据，将煤层5受上覆顶板4重量产生的垂直应力、以及煤层5由于其存在侧向支承压力共同加载划分为煤层静载源，将底板6赋存的原始水平构造应力加载划分为底板静载源，将煤层5上覆顶板4破断时产生的弹性波加载视为顶板动载源，并在完成上述对不同载荷源的分析归类后，进行有针对性的巷道动静载荷分源解危工作，如图3所示，本解危方法包括3个主要部分。

作为一优选实施方式，在通过在煤层上进行钻孔卸压，完成对煤层静载源的解危预处理时，参见图5，包括：

s201、对临空巷道1实体煤侧的煤层5施工钻孔，使煤层5上形成一单排大直径钻孔，其中，单排大直径钻孔上的钻孔8的轴线均垂直于巷道帮部；

s202、通过对煤层5受顶板4重量产生的垂直应力、以及巷帮侧向支承压力进行实时监测，确定煤层5的应力恢复情况；

若确定煤层5的应力未恢复，则完成对煤层5上钻孔卸压；若确定煤层5的应力恢复，则在相邻的两个钻孔8之间施工钻孔，直至确定煤层5的应力不能完全恢复为止。

通过对临空巷道1一侧的煤层5上施工形成单排大直径钻孔，可高强度、长时效疏导煤体垂直应力，并通过对煤层5受顶板4重量产生的垂直应力、以及煤层5侧向支承压力进行实时监测，以便根据煤层5的应力未恢复情况，确定煤层5的应力恢复情况，并判断是否需要继续进行钻孔施工，以保证对煤层静载源完全解危，进而可有效降低巷道的危险性。

进一步的，还包括在对临空巷道1的煤柱帮施工钻孔，使煤柱帮上形成另一单排大直径钻孔，且在煤柱帮上的钻孔8深度小于煤柱的宽度。在本实施方式中，在临空巷道1两侧的煤层和煤柱帮分别钻进钻孔8轴线垂直于巷道帮部的单排大直径钻孔，其中，两组单排大直径钻孔8上的钻孔直径均为153mm，钻孔8深度在煤层为30m，煤柱帮为24m，在煤层上的相邻两个钻孔8之间的间距为0.8m，在煤柱帮上的相邻两个钻孔8之间的间距为0.6m，且两组单排大直径钻孔上的钻孔8的孔口位置均距离巷道底板6高度为1.5m，由于，两组单排大直径钻孔8上的钻孔直径均为153mm，因此，煤层和煤柱帮上的钻孔均为大直径钻孔,通过在煤层和煤柱帮进行大直径钻孔，可实现高强度、长时效疏导煤体垂直应力，以保证对煤层静载源完全解危，进而可有效降低巷道的危险性。

作为一优选实施方式，在通过在煤层5上进行钻孔卸压，对煤层静载源的解危预处理时，参见图6和7，还包括：

s203、对每一钻孔8依次进行不耦合连续装药、以及水泥密封封孔处理；

s204、在所有钻孔8完成以上钻进、装药和封孔处理后，使钻孔8变为煤层炮孔10，对所有钻孔8进行爆破，完成对煤层静载源的解危预处理。

通过在钻孔8内进行爆破，相对于传统的仅对煤层5进行钻孔卸压，不但能够快速有效的对煤层静载源的解危预处理，而且还能加大对煤层5上的卸压，使对煤层静载源的解危效果更加明显。

作为一优选实施方式，在通过深孔爆破对底板6的水平应力进行疏导，完成对底板6静载源的解危预处理时，参见图8，包括：

s301、在临空巷道1中向底板6钻进垂直于巷道轴向的多个平行底板炮孔9；

s302、对每一底板炮孔9依次进行装药和封孔处理；

s303、在所有底板炮孔9完成以上钻进、装药和封孔处理后，对所有底板炮孔9进行爆破，完成对底板6的水平应力的疏导。

进一步的，底板炮孔9的孔口位于临空巷道1两侧的巷帮下部，且底板炮孔9的俯角为45°。

更进一步的，通过不耦合连续装药的方式对每一底板炮孔9进行装药。

在本实施方式中，通过在底板6上进行深孔爆破完成对底板6水平应力的疏导，在临空巷道1中钻进垂直于巷道轴向的多个平行底板炮孔9，且底板炮孔9的孔口位于两侧巷帮下部且距离底板0.1m处，孔深13m，俯角为45°，走向间距为5m，孔径为ф75mm；底板炮孔9完成钻进后，依次进行装药和封孔，且装药方式为不耦合连续装药，其中炸药药卷直径为ф60mm，单孔装药量为12kg，装药完成后将除装药长度外的剩余长度用水泥药卷密封即完成封孔；并在所有底板炮孔9完成以上钻进、装药和封孔工序后实施爆破。

本实施例通过在深孔爆破对底板的水平应力进行疏导，相对于传统的在巷道底角的钻孔卸载后通过钢管混凝土阻断水平应力的方法，深孔爆破的方式不但能够快速有效的对底板静载源进行解危，而且深孔爆破在底板的施工方式也相对简单，进而可提高对底板静载源的解危预处理的效率。

作为一优选实施方式，在通过在临空巷道1超前进行顶板深孔预裂爆破，完成对顶板动载源的解危预处理时，参见图9，包括：

s401、在临空巷道1中向顶板4钻进垂直于巷道轴向的至少1个顶板炮孔7；

s402、根据顶板炮孔7在垂向投影长度，对顶板炮孔7的装药长度和钻进长度分别确定；

s403、在完成顶板炮孔7钻进在顶板上后，对顶板炮孔7依次进行装药和封孔处理；

s404、在所有顶板炮孔7完成以上钻进、装药和封孔处理后，对所有顶板炮孔7进行爆破，完成对临空巷道1超前的顶板深孔预裂爆破。

进一步的，顶板炮孔7的孔口位于临空巷道1顶部且靠近临空巷道1的煤层，顶板炮孔7的仰角在45°～90°之间。

更进一步的，通过不耦合连续装药的方式对每一顶板炮孔7进行装药。

在本实施方式中，通过对顶板4在倾向和走向方向悬顶影响下形成的冲击危险区域，采用顶板深孔爆破技术在临空巷道1超前进行深孔预裂爆破，消除顶板4瞬间垮断时带来的集中动载荷。顶板预裂爆破的施工区域需要覆盖工作面切眼向外20m至停采线向外约40m的范围，顶板4处理高度为煤层以上垂高30m。由于倾向和走向方向的顶板炮孔7参数类似，本实例以倾向方向顶板炮孔7施工流程加以说明：巷道超前区域和沿工作面走向的爆破步距均为20m，单次爆破顶板炮孔7数量为3个；首先在临空巷道1中分别钻进垂直于巷道轴向的3个顶板炮孔7，其孔口位于临空巷道1顶部且距煤层较近距离处，仰角控制在45°～90°范围内，单孔走向间距为4m，顶板炮孔7的孔径为φ90mm，顶板炮孔7单孔钻进长度和装药长度可根据炮孔在垂向投影长度分别确定，在本实施方式中按不留顶煤一次采全高工艺考虑，多数顶板炮孔7在垂向的投影应均为30m；完成顶板炮孔7钻进后，进行装药和封孔，装药方式为不耦合连续装药，采用φ70mm药卷，每米装药量约为5.79kg，其中，装药段的垂向投影为17m，封孔段的垂向投影为13m；在单次所有顶板炮孔7均完成封孔后进行引爆工作。本实施例通过在临空巷道超前进行顶板深孔预裂爆破，相对于传统的对顶板的钻孔-水射流切缝-高压水压裂消除动载源的方法，对顶板的深孔预裂爆破不但能够快速有效的对临空巷道1超前进行解危，而且深孔爆破在顶板的施工方式也相对简单，进而也提高对顶板动载源的解危预处理的效率。

为了更好的证明本发明提供的煤矿冲击地压动静载荷分源解危方法，可有效降低巷道的危险性，因此，申请人将本发明提供的方法在严重冲击地压矿井亭南煤矿207工作面上进行了应用，其包括以下过程：

结合预警信息，将亭南煤矿207强冲击危险工作面在正常生产期间的应力加载源按应力加载特征和巷道整体结构分析归类为煤层静载源、底板静载源和顶板动载源；

根据实际预警情况，首先针对煤层静载源进行解危处理，由于煤层设置有瓦斯抽排钻孔，因此，对巷道的两帮采用煤层大直径钻孔卸压方法进行卸压解危；

煤层钻孔完成后，针对底板静载源进行解危处理，在巷道帮部两侧施工采用底板深孔爆破技术完成对底板水平应力的疏导；

针对顶板动载源进行解危处理，采用顶板深孔爆破技术在巷道中超前进行深孔预裂爆破，消除顶板瞬间垮断产生的集中动载荷。

其中，上述煤层静载源解危钻孔施工位置为距离巷道底板高度为1.5m，钻孔直径为153mm，钻孔深度在回采帮为30m，煤柱帮为24m，钻孔间距分别为0.8m、0.6m；上述底板静载源解危钻孔施工位置位于两侧巷帮下部且距离底板0.1m处，孔深13m，俯角为45°，走向间距为5m，孔径为ф75mm，其中炸药药卷直径为ф60mm，单孔装药量为12kg；上述顶板动载源解危钻孔施工位置位于巷道顶部且距回采帮较近距离处，仰角控制在45°～90°范围内，单孔走向间距为4m，孔径为φ90mm，炮孔钻进长度和装药长度在垂直方向投影长度为30m，采用φ70mm药卷，每米装药量约为5.79kg。

上述提供的煤矿冲击地压动静载荷分源解危的方法，在严重冲击地压矿井亭南煤矿207工作面现场实施，通过在巷道两帮实施煤层大直径钻孔卸压，使得煤体静载荷积聚水平降低和原应力峰值向煤体深部转移；通过采用底板深孔爆破卸压，将底板高水平应力向深部疏导，使得底板岩层处于较低水平的应力环境中；通过顶板深孔爆破，一方面减小了工作面走向和倾向方向的悬顶距，减弱了对煤层加载程度，另一方面爆破预裂减小了顶板垮落步距，有效降低顶板垮断产生的动载影响。

此外，将该方法实施前后现场观测数据进行了比对，可以看出：严重冲击地压矿井亭南煤矿207及相邻工作面冲击地压发生事件数量由之前采取其他方法时的40余次(见图10)骤降到应用本方法后的3次(见图11)，其中，后3次事件发生原因主要为解危措施因故未能及时实施；微震监测结果表明：10⁵j及以上能量事件较实施前降低60％，10⁴j能量事件较实施前降低63％，10³j能量事件较实施前降低71％，大能量事件大大减少，冲击地压得到有效控制；总之，通过本发明提供的冲击地压解危控制效果良好。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明是通过对载荷源开展防治使冲击地压丧失启动的载荷条件，从而实现冲击地压的有效防控，具体为通过对巷道冲击地压发生的应力加载源进行空间分类，将巷道动静载荷来源划分为煤层静载源、底板静载源和顶板动载源，再对与煤层静载源、底板静载源和顶板动载源分别对应的危险区域进行有针对性的立体、组合解危施工，包括采用煤层钻孔卸压、底板深孔爆破和顶板深孔爆破解危处理，实现通过开展有针对性的加载源消除施工方式，提高对巷道的解危工作效率，使得该区域巷道整体处于较低水平的应力环境中，进而可有效降低巷道冲击危险性，实现良好的整体巷道冲击地压解危效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。