一种受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法与流程

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体地说是涉及一种受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法。

背景技术：

我国深部煤炭资源开采已成为新常态。深部复杂的工程地质构造环境、较高的工程地质应力环境和大范围高强度集约型开采所引起的工程地质扰动使得冲击地压灾害愈加凸显，其发生频度和强度明显增加。经统计冲击地压事故大多发生在采掘巷道内，且以受重复采动影响巷道居多。因此，对受重复采动影响巷道进行冲击地压防治，对矿井冲击地压的防治具有重要的理论意义和指导意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法，实现对受重复采动影响巷道的冲击地压防控。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：

一种受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法，包括如下步骤：

步骤一、应力防控

步骤11、原岩应力防控

测试矿井地应力，得到矿井最大主应力方向，将工作面的布置方向与矿井最大主应力方向保持夹角α，保持夹角α需满足条件：σn/σv等于1；

其中，

σn为作用在巷道两侧水平法向应力；

σv为垂向应力；

步骤12、采动应力防控

步骤121、采用钻孔应力计获得受重复采动影响巷道的“采动应力影响范围”和“采动应力峰值位置”；

步骤122、在受重复采动影响巷道围岩的倾向上，对煤层注水软化或大直径钻孔泄压，以弱化煤岩体的力学属性，释放巷道围岩浅部应力，且使围岩帮部的峰值应力向围岩深部转移；

步骤123、在受重复采动影响巷道围岩的走向上，控制工作面回采推进度，控制工作面超前应力集中程度，控制各工作面的时空位置，避免采动应力影响范围叠加；工作面回采推进度设定为每天推进度不大于6m；工作面超前应力集中系数不大于1.5σ0，σ0为初始应力；同一个采区的两个掘进工作面空间距离不小于150m，同一采区回采工作面与掘进工作面空间距离不少于350m，同一采区两个回采工作面空间距离不小于500m；

步骤13、支护应力防控

步骤131、采用锚杆锚索测力计测试受重复采动影响巷道围岩的锚杆和锚索，调节锚杆和锚索的抗拉强度和抗剪切强度，使锚杆和锚索的抗拉强度和抗剪切强度均大于300mpa，以阻止巷道围岩松动圈向深部发育；

步骤132、“锚杆、锚索主动支护”、“单体支柱被动支护”和“u型钢及液压支架被动支护”组合

锚杆、锚索主动支护，初期预紧力要达到锚杆、锚索的屈服力的40-60％，确保初期支护强度；

单体支柱被动支护以及u型钢及液压支架被动支护，初期的支护阻力要达到额定工作阻力的60％-80％，确保初期支护强度和巷道围岩完整性，避免巷道围岩松动圈向深部发育；

通过微震监测系统监测受重复采动影响巷道已经发生的最大顶板震动能量，最大顶板震动能量释放102j时，采用锚杆、锚索主动支护，最大顶板震动能量释放103j至104j时，同时采用锚杆、锚索主动支护和单体支被动支护，最大顶板震动能量释放105j时，同时采用锚杆、锚索主动支护和u型钢及液压支架被动支护；

步骤14、断底爆破防控

在巷道帮部与巷道底板的交界处，向巷道底板深处开设钻孔并装药爆破，破坏巷道底板的完整性，阻断巷道底板积聚弹性能量和连续传递应力；

向巷道底板深处钻孔深度达到老底厚硬岩层厚度的3/4位置处，使钻孔内装药段贯穿整个老底厚硬岩层，钻孔朝向巷道围岩煤柱下方倾斜，钻孔与巷道底板的夹角呈30°至65°；

步骤二、结构优化

步骤21、低位厚硬岩层层位和高位厚硬岩层层位划分

利用微震监测系统对采场上覆岩层的破断信息进行监测，确定随工作面推进而影响巷道围岩稳定性上覆岩层的空间位置，划分出低位厚硬岩层层位和高位厚硬岩层层位；

步骤22、高低位厚硬岩层干预

在受重复采动影响巷道内向顶板上方及侧向采空区方向布置扇形观测孔，每个观测孔与巷道竖直方向之间的夹角角度范围在30°至70°，观测孔深度要超过高位厚硬岩层所在位置；

利用钻孔窥视仪探测重复采动影响巷道区段煤柱采空区侧上覆岩层高低位厚硬岩层的真实破断位置；

对上覆岩层高低位厚硬岩层施加定向水压致裂或顶板预裂爆破，使高位厚硬岩层的破断位置靠近采空区侧或靠近区段煤柱临空侧，增加低位厚硬岩层下部岩体的冒落性，使直接顶冒落，冒落后岩层的累积碎胀高度接近顶板岩层，降低低位厚硬岩层的破断块度，破断的岩石外径小于100mm；

步骤23、区段煤柱优化

调整区段煤柱宽度，区段煤柱宽度设定在15m至30m，采用小煤柱或煤柱巷道布置方式，小煤柱宽度不大于6m，避免采动巷道采空区侧向高低位厚硬岩层回转挤压煤柱而造成巷道围岩应力集中。

优选的，步骤122中，煤层注水软化工艺包括如下步骤：

sa1、在巷道于采动应力影响范围之外选定注水孔的钻孔位置；

sa2、在选定注水孔的钻孔位置打钻，注水孔深度要超过采动应力峰值位置；

sa3、注水孔完成后，在注水孔留设注水管并在注水管周边封孔，从注水孔引出流量计和压力表；

sa4、通过注水管向注水孔内静压注水或动压注水，在巷道围岩渗水时停止注水，或者在静压注水时在巷道围岩含水率增量不少于2％时停止注水，或者在动压注水时在巷道围岩含水率增量不少于3％时停止注水。

优选的，sa1中，在采动应力影响范围之外150m至200m选定注水孔的钻孔位置。

优选的，sa2中，注水孔间距为10m至20m；注水孔采用上仰角布置，角度不大于8°；注水孔直径在45mm至90mm；注水孔深度为5h至10h，其中，h为巷道内的煤层厚度，单位为m。

优选的，sa4中，静压注水时，通过压力表控制注水压力不小于1.5mpa；动压注水时，通过压力表控制注水压力不小于8mpa；通过流量计控制每个注水孔的注水量：

其中，

q为单个注水孔的注水量，单位为m³；

q为水的密度，单位为kg/m³；

k为富余系数，取1.0-1.55；

w为预计含水率增量(取3％或者设计含水率增量)；

lk为注水孔深度，单位为m；

s为注水孔间距，单位为m；

mk为注水孔扩散直径，单位为m；

γ为煤的密度，单位为kg/m³。

优选的，步骤122中，大直径钻孔泄压工艺包括如下步骤：

sb1、在巷道于采动应力影响范围之外选定大直径钻孔泄压的施工位置；

sb2、在选定大直径钻孔泄压的施工位置进行大直径泄压钻孔，大直径泄压钻孔的深度要达到或超过巷道围岩侧向采动应力峰值位置；

sb3、煤层厚度小于3.5m时，大直径泄压钻孔布置为单排；煤层厚度大于3.5m时，大直径泄压钻孔采用双排对眼布置或双排三花眼布置。

优选的，sb1中，在采动应力影响范围之外不小于150m处选定大直径钻孔泄压的施工位置。

优选的，sb2中，大直径泄压钻孔的间距为1m至3m；大直径泄压钻孔的直径在100mm至200mm；煤层厚度小于3.5m时，大直径泄压钻孔的深度不小于15m，煤层厚度大于3.5m时，钻孔深度不小于20m；

其中，大直径泄压钻孔的间距、大直径泄压钻孔的直径满足如下关系：

其中，

d为大直径泄压钻孔的间距，单位为m；

d为大直径泄压钻孔的直径，单位为m；

k为卸压钻孔增溢系数，为单个卸压钻孔实际排粉质量m′与计算排粉质量m之比，其中，

m＝ρπd²/4，

ρ为煤层密度，单位为kg/m³；

h为煤层厚度，单位为m；

δε为煤层安全增变量，在弱、中等、强冲击危险区分别取0.6‰、1.0‰、1.5‰。

优选的，步骤22中，定向水压致裂工艺包括如下步骤：

sc1、向高位厚硬岩层进行钻孔，形成的致裂钻孔深度超过高位厚硬岩层的中部位置；

sc2、利用钻孔窥视仪对致裂钻孔探测，探测致裂钻孔内壁未出现裂纹，否则重复sc1；

sc3、利用切割刀具在致裂钻孔的底部切割定向预裂缝；

sc4、将高压管路与致裂钻孔密封连接，高压管路的末端连接加压设备，启动加压设备对致裂钻孔注入高压水，注入高压水压致裂所需最小注水压力满足如下条件：

p1＝1.3(σ1+rt)，

其中，

p1为高压水压致裂所需最小注水压力估算值；

σ1为致裂点最大主应力；

rt为致裂点顶板岩层抗拉强度；

sc5、待致裂钻孔内高压水压力出现明显下降、流量急剧上升时，可判断顶板被致裂停止加压；或者，在顶板开设检测孔，裂纹扩展至检测孔后可判断顶板被致裂停止加压。

优选的，步骤22中，顶板预裂爆破工艺按如下条件设置：

在工作面顶板采动应力影响范围之外选定爆破位置进行钻孔，爆破钻孔深度达到高位厚硬岩层内部的2/3位置处；爆破钻孔的直径在42mm至100mm；爆破钻孔的间距为5m至10m；爆破钻孔内采用不耦合方式装药；爆破钻孔倾角满足如下条件：

其中，

φ为爆破钻孔倾角，单位为°；

h为爆破钻孔开孔位置与终孔位置的高差，单位为m；

ls为爆破钻孔开孔位置与终孔位置的水平距离，单位为m。

本发明的有益技术效果是：

本发明的受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法，设计合理，实现方便，成本较低，从“应力防控”和“结构优化”两方面入手协同作用，通过调整巷道围岩应力环境，发挥巷道围岩、主动支护及被动支护的优势，增加上覆厚硬顶板破断所释放弹性能量的传递损耗，切断采动巷道临空侧区段煤柱向巷道底板应力传递和能量释放的通道，人为干预采动巷道上覆厚硬岩层破断位态，控制采动巷道上覆厚硬岩层破断结构对围岩稳定性的影响范围，实现区段煤柱优化，结合围岩结构优化和应力控制措施的适用条件，以动态调整巷道防冲措施的时空组合方式，进而实现对受重复采动影响巷道的冲击地压防控，为受重复采动影响巷道冲击地压防控的施工提供科学指导。

附图说明

图1为本发明实施例受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法的流程图；

图2为本发明实施例大直径钻孔泄压施工布置图；

图3为本发明实施例受重复采动影响巷道围岩能量释放与工作面回采推进度的关系图；

图4为本发明实施例顶板预裂爆破爆破钻孔布置图，其中，l为爆破钻孔深度；

图5为本发明实施例重复采动影响巷道区段煤柱采空区侧上覆岩层厚硬岩层破断位置探测布置图；

图6为本发明实施例定向水压致裂用于煤柱冲击防控布置图；

图7为本发明实施例定向水压致裂用于工作面前冲击防控布置图；

图8为本发明实施例定向水压致裂用于初末采期间冲击防控布置图；

图9为本发明实施例采用小煤柱布置方式优化区段煤柱布置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例以巴彦高勒煤矿为例，巴彦高勒煤矿自2015年11月26日回采以来，受重复采动影响巷道回风顺槽多次发生冲击地压显现。按照本实施例的受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法，对巴彦高勒煤矿311103工作面与311102工作面采空区之间的受重复采动影响巷道进行力构协同防控，微震事件大大降低，防控效果较好。

本实施例的受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法，请参考图1至图9所示。

一种受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法，包括如下步骤：

步骤一、应力防控

步骤11、原岩应力防控

测试矿井地应力，得到矿井最大主应力方向，将工作面的布置方向与矿井最大主应力方向保持夹角α，保持夹角α需满足条件：σn/σv等于1；

其中，

σn为作用在巷道两侧水平法向应力；

σv为垂向应力；

步骤12、采动应力防控

步骤121、采用钻孔应力计获得受重复采动影响巷道的“采动应力影响范围”和“采动应力峰值位置”；

步骤122、在受重复采动影响巷道围岩的倾向上，对煤层注水软化或大直径钻孔泄压，以弱化煤岩体的力学属性，释放巷道围岩浅部应力，且使围岩帮部的峰值应力向围岩深部转移；

步骤122中，煤层注水软化工艺包括如下步骤：

sa1、在巷道于采动应力影响范围之外选定注水孔的钻孔位置，具体在采动应力影响范围之外150m至200m选定注水孔的钻孔位置；

sa2、在选定注水孔的钻孔位置打钻，注水孔深度要超过采动应力峰值位置；其中，注水孔间距为10m至20m，注水孔距离巷道底板1.4m至1.6m；注水孔采用上仰角布置，角度不大于8°；注水孔直径在45mm至90mm；注水孔深度为5h至10h，其中，h为巷道内的煤层厚度，单位为m；

sa3、注水孔完成后，在注水孔留设注水管并在注水管周边采用水泥砂浆或合成树脂等专用材料进行封孔，封孔深度以不漏水、不崩孔为原则，一般不应小于10m，从注水孔引出流量计和压力表；

sa4、通过注水管向注水孔内静压注水或动压注水，在巷道围岩渗水时停止注水，或者在静压注水时在巷道围岩含水率增量不少于2％时停止注水，或者在动压注水时在巷道围岩含水率增量不少于3％时停止注水；

其中，静压注水时，通过压力表控制注水压力不小于1.5mpa；动压注水时，通过压力表控制注水压力不小于8mpa；通过流量计控制每个注水孔的注水量：

其中，

q为单个注水孔的注水量，单位为m³；

q为水的密度，单位为kg/m³；

k为富余系数，取1.0-1.55；

w为预计含水率增量(取3％或者设计含水率增量)；

lk为注水孔深度，单位为m；

s为注水孔间距，单位为m；

mk为注水孔扩散直径，单位为m；

γ为煤的密度，单位为kg/m³。

步骤122中，大直径钻孔泄压工艺包括如下步骤：

sb1、在巷道于采动应力影响范围之外选定大直径钻孔泄压的施工位置，具体在采动应力影响范围之外不小于150m处选定大直径钻孔泄压的施工位置。

sb2、在选定大直径钻孔泄压的施工位置进行大直径泄压钻孔，大直径泄压钻孔的深度要达到或超过巷道围岩侧向采动应力峰值位置；

其中，大直径泄压钻孔的间距为1m至3m，大直径泄压钻孔距离巷道底板1.5m以上；大直径泄压钻孔的直径在100mm至200mm；煤层厚度小于3.5m时，大直径泄压钻孔的深度不小于15m，煤层厚度大于3.5m时，钻孔深度不小于20m；

其中，大直径泄压钻孔的间距、大直径泄压钻孔的直径满足如下关系：

其中，

d为大直径泄压钻孔的间距，单位为m；

d为大直径泄压钻孔的直径，单位为m；

k为卸压钻孔增溢系数，为单个卸压钻孔实际排粉质量m′与计算排粉质量m之比，其中，

m＝ρπd²/4，

ρ为煤层密度，单位为kg/m³；

h为煤层厚度，单位为m；

δε为煤层安全增变量，在弱、中等、强冲击危险区分别取0.6‰、1.0‰、1.5‰。

sb3、煤层厚度小于3.5m时，大直径泄压钻孔布置为单排；煤层厚度大于3.5m时，大直径泄压钻孔采用双排对眼布置或双排三花眼布置。

步骤123、在受重复采动影响巷道围岩的走向上，控制工作面回采推进度，控制工作面超前应力集中程度，控制各工作面的时空位置，避免采动应力影响范围叠加；工作面回采推进度设定为每天推进度不大于6m；工作面超前应力集中系数不大于1.5σ0，σ0为初始应力；同一个采区的两个掘进工作面空间距离不小于150m，同一采区回采工作面与掘进工作面空间距离不少于350m，同一采区两个回采工作面空间距离不小于500m；

步骤13、支护应力防控

步骤131、采用锚杆锚索测力计测试受重复采动影响巷道围岩的锚杆和锚索，调节锚杆和锚索的抗拉强度和抗剪切强度，使锚杆和锚索的抗拉强度和抗剪切强度均大于300mpa，以阻止巷道围岩松动圈向深部发育；

步骤132、“锚杆、锚索主动支护”、“单体支柱被动支护”和“u型钢及液压支架被动支护”组合

锚杆、锚索主动支护，初期预紧力要达到锚杆、锚索的屈服力的40-60％，确保初期支护强度；

单体支柱被动支护以及u型钢及液压支架被动支护，初期的支护阻力要达到额定工作阻力的60％-80％，确保初期支护强度和巷道围岩完整性，避免巷道围岩松动圈向深部发育；

通过pasat-m便携式微震监测系统监测受重复采动影响巷道已经发生的最大顶板震动能量，最大顶板震动能量释放102j时，采用锚杆、锚索主动支护，最大顶板震动能量释放103j至104j时，同时采用锚杆、锚索主动支护和单体支被动支护，最大顶板震动能量释放105j时，同时采用锚杆、锚索主动支护和u型钢及液压支架被动支护；

步骤14、断底爆破防控

在巷道帮部与巷道底板的交界处，向巷道底板深处开设钻孔并装药爆破，破坏巷道底板的完整性，阻断巷道底板积聚弹性能量和连续传递应力；

向巷道底板深处钻孔深度达到老底厚硬岩层厚度的3/4位置处，使钻孔内装药段贯穿整个老底厚硬岩层，钻孔朝向巷道围岩煤柱下方倾斜，钻孔与巷道底板的夹角呈30°至65°，钻孔直径一般大于50mm，单孔装药量根据老底厚硬岩层厚度而定，一般不超过20kg，优先选用矿用三级乳化炸药，封孔长度不小于钻孔深度的1/3，采用水泥砂浆或专用封孔药卷封堵爆孔；

步骤二、结构优化

步骤21、低位厚硬岩层层位和高位厚硬岩层层位划分

利用pasat-m便携式微震监测系统对采场上覆岩层的破断信息进行监测，确定随工作面推进而影响巷道围岩稳定性上覆岩层的空间位置，划分出低位厚硬岩层层位和高位厚硬岩层层位；

步骤22、高低位厚硬岩层干预

在受重复采动影响巷道同一断面内向顶板上方及侧向采空区方向布置若干个扇形观测孔，每个观测孔与巷道竖直方向之间的夹角角度范围在30°至70°，每个观测孔的孔径不小于50mm，观测孔深度要超过高位厚硬岩层所在位置；

利用钻孔窥视仪探测重复采动影响巷道区段煤柱采空区侧上覆岩层高低位厚硬岩层的真实破断位置；

对上覆岩层高低位厚硬岩层施加定向水压致裂或顶板预裂爆破，使高位厚硬岩层的破断位置靠近采空区侧或靠近区段煤柱临空侧(低位厚硬岩层在上一工作面的采空区侧就已经破断了)，增加低位厚硬岩层下部岩体的冒落性，使直接顶冒落，冒落后岩层的累积碎胀高度接近顶板岩层，降低低位厚硬岩层的破断块度，破断的岩石外径小于100mm；

步骤22中，定向水压致裂工艺包括如下步骤：

sc1、向高位厚硬岩层进行钻孔，形成的致裂钻孔深度超过高位厚硬岩层的中部位置；

致裂钻孔的倾角与下述的爆破钻孔倾角设定方法一致，致裂钻孔的直径一般在50至100mm，致裂钻孔直径大于封孔器外径小于封孔器最大膨胀直径2mm以上；相邻致裂钻孔间距不宜大于平均致裂半径的0.8倍，为6m至8m；

sc2、当致裂钻孔达到终孔位置后，利用钻孔窥视仪对致裂钻孔探测，探测致裂钻孔内壁未出现裂纹，否则重复sc1；

sc3、利用切割刀具在致裂钻孔的底部切割定向预裂缝；

sc4、将高压管路与封孔器连接，封孔器的末端伸至定向预裂缝的位置，高压管路的末端连接加压设备，启动加压设备对致裂钻孔注入高压水，注入高压水压致裂所需最小注水压力满足如下条件：

p1＝1.3(σ1+rt)，

其中，

p1为高压水压致裂所需最小注水压力估算值；

σ1为致裂点最大主应力；

rt为致裂点顶板岩层抗拉强度；

sc5、待致裂钻孔内高压水压力出现明显下降、流量急剧上升时，可判断顶板被致裂停止加压；或者，在顶板开设检测孔，裂纹扩展至检测孔后可判断顶板被致裂停止加压。

步骤22中，顶板预裂爆破工艺按如下条件设置：

在工作面顶板采动应力影响范围之外选定爆破位置进行钻孔，爆破钻孔深度达到高位厚硬岩层内部的2/3位置处；爆破钻孔的直径在42mm至100mm；爆破钻孔的间距为5m至10m；单孔装药量根据爆破岩层层位、厚度、强度等综合确定，一般不超过100kg；爆破钻孔内采用不耦合方式装药，封孔长度不小于爆孔深度的1/3，不小于5m；爆破钻孔倾角满足如下条件：

其中，

φ为爆破钻孔倾角，单位为°；

h为爆破钻孔开孔位置与终孔位置的高差，单位为m；

ls为爆破钻孔开孔位置与终孔位置的水平距离，单位为m。

步骤23、区段煤柱优化

调整区段煤柱宽度，区段煤柱宽度设定在15m至30m，采用小煤柱或煤柱巷道布置方式，小煤柱宽度不大于6m，避免采动巷道采空区侧向高低位厚硬岩层回转挤压煤柱而造成巷道围岩应力集中。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种受重复采动影响巷道冲击地压力构协同防控方法有了清楚的认识。本发明设计合理，实现方便，成本较低，从“应力防控”和“结构优化”两方面入手协同作用，通过调整巷道围岩应力环境，发挥巷道围岩、主动支护及被动支护的优势，增加上覆厚硬顶板破断所释放弹性能量的传递损耗，切断采动巷道临空侧区段煤柱向巷道底板应力传递和能量释放的通道，人为干预采动巷道上覆厚硬岩层破断位态，控制采动巷道上覆厚硬岩层破断结构对围岩稳定性的影响范围，实现区段煤柱优化，结合围岩结构优化和应力控制措施的适用条件，以动态调整巷道防冲措施的时空组合方式，进而实现对受重复采动影响巷道的冲击地压防控，为受重复采动影响巷道冲击地压防控的施工提供科学指导。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。