一种工作面煤柱留设方法与流程

文档序号:25544100发布日期:2021-06-18 20:43
一种工作面煤柱留设方法与流程

本申请涉及煤矿支护技术领域,尤其涉及一种工作面煤柱留设方法。



背景技术:

目前,随着采高的增大,生产、辅助运输等设备趋于大型化、特大型化,回采巷道断面随之增大。为保持巷道稳定,工作面间隔离煤柱普遍留设宽度较大并采用锚杆进行支护,在靠近采空区的巷帮需补打锚索加强支护。但是,在煤柱压酥后,煤柱的稳定性较差,锚索的锚固力大幅降低,加固效果差,巷道变形严重,因此会经常发生锚索脱锁,危及矿工的人身安全。

因此,需发明一种能够提高煤柱稳定性的浅埋煤层特大采高工作面煤柱留设方法。



技术实现要素:

本申请的目的在于克服现有技术的不足,提供一种工作面煤柱留设方法,能够提高煤柱稳定性,保证作业人员安全。

本申请的技术方案提供一种工作面煤柱留设方法,包括以下步骤:

安装锚杆加固煤柱煤帮表层,并在所述煤柱上安装加固结构;

在上工作面的运输巷和下工作面的回风巷同时掘进时,向亚关键层间隔钻取多个井下压裂钻孔并进行井下压裂作业,向主关键层间隔钻取多个地面压裂钻孔并进行地面压裂作业。

优选地,自地面垂直向下打钻孔至煤层,并对各岩层取芯并测试力学性能判断所述亚关键层和所述主关键层的位置。

优选地,根据工作面采高,选取距煤层的距离与煤层厚度的比值在4~6范围内的岩层作为亚关键层。

优选地,所述加固结构包括恒阻大变形对拉锚索和限位钢带,在所述煤柱上钻取锚索钻孔安装所述恒阻大变形对拉锚索,所述限位钢带紧贴所述煤柱表面并被所述恒阻大变形对拉锚索压紧。

优选地,所述恒阻大变形对拉锚索包括钢绞线、第一锁具、第一恒阻器、第一托板、第二托板、第二恒阻器和第二锁具,所述钢绞线依次贯穿所述第一锁具、所述第一恒阻器、所述第一托板、所述限位钢带、所述煤柱、所述第二托板、所述第二恒阻器和所述第二锁具,所述钢绞线对所述第一锁具和所述第二锁具施加预紧力将所述第一恒阻器、所述第一托板、所述限位钢带、所述第二托板和所述第二恒阻器紧压在所述煤柱上。

优选地,所述限位钢带包括第一w型钢带和第二w型钢带,所述第一w型钢带和所述第二w型钢带交错布置,还包括加固网,所述加固网覆盖在所述煤柱表面。

优选地,在假设所述煤柱变形前后横截面积保持不变的条件下,每根所述钢绞线需施加的预紧力f可由下式给出:

式中:f为每根钢绞线施加的预紧力(n);h为煤柱高度(m);e为煤柱弹性模量(mpa);f为压裂后煤柱承受的载荷(n);n为煤帮上每排钢绞线的数量;l为煤柱宽度(m);k为安全系数,取1.1~1.3。

优选地,所述井下压裂钻孔与水平方向之间的夹角为78°~82°。所述地面压裂钻孔与水平方向之间的夹角为82°~86°。

优选地,所述地面压裂钻孔和所述井下压裂钻孔设置在所述煤柱与待开采的煤层相邻一侧的上方;

开采所述煤层并形成采空区的同时,对所述地面压裂钻孔和所述井下压裂钻孔进行压裂作业。

优选地,所述井下压裂钻孔与所述地面压裂钻孔交错布置。

采用上述技术方案后,具有如下有益效果:本发明通过在煤柱上安装加固结构实现对煤柱的加固,且在巷道掘进的过程中对亚关键层进行压裂作业,使得压裂后的亚关键层随工作面推进而垮落,减轻因亚关键层因掘进的回转运动造成煤柱动载破坏;还对主关键层进行压裂作业,可以有助于将大部分载荷有效转移至采空区,减小煤柱所需承担的静态载荷,从而可以有效保障煤柱的稳定,保证作业人员安全。

附图说明

参见附图,本申请的公开内容将变得更易理解。应当理解:这些附图仅仅用于说明的目的,而并非意在对本申请的保护范围构成限制。图中:

图1是本发明在一个实施例中的方法流程图;

图2是本发明在一个实施例中上下工作面位置示意图;

图3是图2的中a-a处剖视图;

图4是本发明在一个实施例中恒阻大变形对拉锚索安装在煤柱上的示意图;

图5是图4的右视图;

图6是本发明在一个实施例中工作面采空后的示意图。

附图标记对照表:

上工作面1、下工作面2、运输巷3、回风巷4、煤柱5、采空区6、主关键层7、亚关键层8、地面压裂钻孔9、井下压裂钻孔10、煤层11、第一锁具121、第二锁具122、第一恒阻器131、第二恒阻器132、第一托板141、第二托板142、第一w型钢带15、第二w型钢带16、钢绞线17、锚杆18、螺栓19、托盘20、加固网21、地面22、锚索钻孔23、锚杆钻孔24、树脂锚固剂25。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本申请的具体实施方式。

容易理解,根据本申请的技术方案,在不变更本申请实质精神下,本领域的一般技术人员可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此,以下具体实施方式以及附图仅是对本申请的技术方案的示例性说明,而不应当视为本申请的全部或视为对申请技术方案的限定或限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的,它们是相对的概念,因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以,也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以视具体情况理解上述属于在本申请中的具体含义。

在本发明的一实施例中,公开了一种工作面煤柱留设方法,包括以下步骤:

安装锚杆18加固煤柱5煤帮表层,并在煤柱5上安装加固结构;

在上工作面1的运输巷3和下工作面2的回风巷4同时掘进时,向亚关键层8间隔钻取多个井下压裂钻孔10并进行井下压裂作业,向主关键层7间隔钻取多个地面压裂钻孔9并进行地面压裂作业。

其中,主关键层7位于亚关键层8的上方,亚关键层位于煤柱6上方,在煤柱5煤帮表面安装锚杆18可以用于限制煤柱5在掘进初期时的变形,并通过在煤柱5上安装加固结构,从而提高煤柱5的稳定性,在掘进的同时对主关键层7和亚关键层8进行压裂作业,亚关键层8的压裂有助于破坏采空区6侧煤柱5上方的悬顶结构,压裂后的亚关键层8随工作面推进而垮落,能够减轻因亚关键层8在掘进过程中回转运动造成的煤柱5动载破坏,从而提高煤柱5的稳定性;另外,由于主关键层7控制着其上至地面22所有岩层的运动,压裂主关键层7有助于将大部分的载荷有效转移至采空区6,减小煤柱5所需承受的静态载荷。本方法通过对煤柱5安装加固结构提高煤柱5自身强度,且通过在掘进时压裂主关键层7和亚关键层8,减轻煤柱5的载荷,从而能够提高煤柱5的稳定性,提高作业安全。

在本发明的一些实施例中,自地面22垂直向下打钻孔至煤层11,并对各岩层取芯并测试力学性能判断亚关键层8和主关键层7的位置。具体地,通过钻探取芯并根据各岩层的厚度、容重、弹性模量、抗拉强度等指标判定主关键层7和亚关键层8的位置。

在本发明的一些实施例中,根据工作面采高,选取距煤层11的距离与煤层11厚度的比值在4~6范围内的岩层作为亚关键层8。

在本发明的一些实施例中,加固结构包括恒阻大变形对拉锚索和限位钢带,在煤柱5上钻取锚索钻孔23安装恒阻大变形对拉锚索,限位钢带紧贴煤柱5表面并被恒阻大变形对拉锚索压紧。当围岩发生缓慢或瞬间大变形破坏时,恒阻大变形对拉锚索可以吸收岩体变形能,使围岩中的能量得到释放。在恒阻大变形对拉锚索发生结构变形阶段,仍然能够保持恒定的工作阻力和稳定的变形量,从而实现巷道围岩的稳定,大大降低冒顶、塌方、片帮、底臌等安全隐患。另外,通过限位钢带能够增大恒阻大变形对拉锚索的整体加固性能。

在本发明的一些实施例中,恒阻大变形对拉锚索包括钢绞线17、第一锁具121、第一恒阻器131、第一托板141、第二托板142、第二恒阻器132和第二锁具122,钢绞线17依次贯穿第一锁具121、第一恒阻器131、第一托板141、限位钢带、煤柱5、第二托板142、第二恒阻器132和第二锁具122,钢绞线17对第一锁具121和第二锁具122施加预紧力将第一恒阻器131、第一托板141、限位钢带、第二托板142和第二恒阻器132紧压在煤柱5上。其中,第一锁具121和第二锁具122设置在钢绞线17的两端用于限制第一恒阻器131、第一托板141、第二托板142和第二恒阻器132的位置,当煤柱5发生变形时,煤柱5推动第一恒阻器131和第二恒阻器132,第一恒阻器131和第二恒阻器132沿钢绞线17发生滑移,从而吸收煤柱5变形的形变能,避免了由于煤柱5变形而发生钢绞线17断裂、失效,从而保持了煤柱5的稳定性。

在本发明的一些实施例中,限位钢带包括第一w型钢带15和第二w型钢带16,第一w型钢带15和第二w型钢带16交错布置,还包括加固网21,加固网21覆盖在煤柱5的煤帮表面。多个第一w型钢带15平行且间隔设置,多个第二w型钢带16设置在第一w型钢带15的下方,且多个第二w型钢带16平行且间隔设置,第一w型钢带15和第二w型钢带16交错布置的方式能够增大与煤柱5的接触面积,且能够充分地发挥恒阻大变形对拉锚索的整体加固性能。另外,加固网21设置在第二w型钢带16的下方并被第二w型钢带16压紧在煤柱5表面,同样能提高恒阻大变形对拉锚索的加固性能。

在本发明的一些实施例中,在假设煤柱5变形前后横截面积保持不变的条件下,每根钢绞线17需施加的预紧力f可由下式给出:

式中:f为每根钢绞线17施加的预紧力(n);h为煤柱5高度(m);e为煤柱5弹性模量(mpa);f为压裂后煤柱5承受的载荷(n);n为煤帮上每排钢绞线17的数量;l为煤柱5宽度(m);k为安全系数,取1.1~1.3。

在本发明的一些实施例中,井下压裂钻孔10与水平方向之间的夹角为78°~82°。完成井下压裂钻孔10钻取后,向井下压裂钻孔10注入高压水进行压裂作业,使得亚关键层8压裂并能够随工作面推进而垮落,减轻煤柱5的动载破坏。

在本发明的一些实施例中,地面压裂钻孔9与水平方向之间的夹角为82°~86°。完成地面压裂钻孔9钻取后,向地面压裂钻孔9注入高压水进行压裂作业,使得主关键层7压裂从而将载荷有效转移至采空区6,减小煤柱5所承担的静态载荷。

在本发明的一些实施例中,地面压裂钻孔9和井下压裂钻孔10设置在煤柱5与待开采的煤层11相邻一侧的上方,开采煤层11并形成采空区6的同时,对地面压裂钻孔9和井下压裂钻孔10进行压裂作业。煤层11开采后,在进行压裂作业的时候,能够最大限度地将采空区6上方形成的悬顶结构进行破坏,减轻煤柱5的载荷,从而达到良好的卸压效果。

在本发明的一些实施例中,井下压裂钻孔10与地面压裂钻孔9交错布置。这样能够以利于将主关键层7承担的岩层载荷有效转移至采空区6。

实施例1:

本实施例公开一种工作面煤柱留设方法,如图1和2所示,其包括以下步骤:

s101:安装锚杆18加固煤柱5煤帮表层,并在煤柱5上安装加固结构;

s102:在上工作面1的运输巷3和下工作面2的回风巷4同时掘进时,向亚关键层8间隔钻取多个井下压裂钻孔10并进行井下压裂作业,向主关键层7间隔钻取多个地面压裂钻孔9并进行地面压裂作业。

其中,主关键层7位于亚关键层8的上方,亚关键层位于煤柱6上方,主关键层7作为地面压裂目标层,亚关键层8作为井下压裂目标层,其中,如图3所示,自地面22垂直向下打钻孔至煤层11,对各岩层取芯并测试其力学性能,依据各岩层的厚度、容重、弹性模量、抗拉强度等指标判定位于煤层11上覆的主关键层7和亚关键层8的位置,根据工作面采高,选取距煤层11的距离与煤层11厚度的比值在4~6范围内的岩层作为亚关键层8。亚关键层8的压裂能够有助于破坏采空区6侧煤柱5上方的悬顶结构,压裂后的亚关键层8随工作面推进而垮落,减轻因亚关键层8在工作面推进过程中的回转运动造成的煤柱5动载破坏。主关键层7控制着主关键层7上至地面22所有岩层的运动,压裂主关键层7有助于将大部分载荷有效转移至采空区6,减小煤柱5所需承担的静态载荷。

在步骤s101中,如图4和5所示,首先现在煤柱5的煤帮表面覆盖加固网21,并在煤柱5的煤帮表面钻取锚杆钻孔24并往锚杆钻孔24内装入树脂锚固剂25,再将锚杆18装入至锚杆钻孔24内,并在锚杆18的端部装入托盘20,最后安装螺栓19将锚杆18固定,通过安装锚杆18可以加固煤柱5帮表层从而限制煤柱5的初期变形。

在安装好锚杆18进行初步的加固后进行安装加固结构,具体地,加固结构包括恒阻大变形对拉锚索、第二w型钢带16和第一w型钢带15,恒阻大变形对拉锚索包括钢绞线17、第一锁具121、第一恒阻器131、第一托板141、第二托板142、第二恒阻器132和第二锁具122。其中,在安装恒阻大变形对拉锚索时,首先先在煤柱5上钻取锚索钻孔23,锚索钻孔23沿煤柱5的宽度方向贯穿煤柱5,然后在煤柱5的煤帮表面挂设第一w型钢带15和第二w型钢带16,将钢绞线17依次穿过第一锁具121、第一恒阻器131、第一托板141、第一w型钢带15、第二w型钢带16、加固网21、煤柱5、加固网21、第二w型钢带16、第一w型钢带15、第二托板142、第二恒阻器132、第二锁具122,第一锁具121和第二锁具122设置在钢绞丝的两端,通过第一锁具121和第二锁具122固定第一托板141、第二托板142、第一w型钢带15、第二w型钢带16和加固网21,并对钢绞丝施加预紧力,使得各部件能够紧压在煤柱5上。

如图4所示,在假设煤柱5变形前后b面的横截面积保持不变的条件下,每根钢绞线17需施加的预紧力f可由下式给出:

式中:f为每根钢绞线17施加的预紧力(n);h为煤柱5高度(m);e为煤柱5弹性模量(mpa);f为压裂后煤柱5承受的载荷(n);n为煤帮上每排钢绞线17的数量;l为煤柱5宽度(m);k为安全系数,取1.1~1.3。

在本实施例中,如图5所示,第一w型钢带15和第二w型钢带16交错布置,具体地,多个第一w型钢带15平行且间隔设置,多个第二w型钢带16设置在第一w型钢带15的下方,且多个第二w型钢带16平行且间隔设置,第一w型钢带15和第二w型钢带16交错布置的方式能够增大与煤柱5的接触面积,且能够充分地发挥恒阻大变形对拉锚索的整体加固性能。具体地,第一w型钢带15和第二w型钢带16相互垂直,且锚杆18设置在第一w型钢带15和第二w型钢带16包围形成的区域内,锚杆18与第一w型钢带15及第二w型钢带16不重合设置。

另外,加固网21设置在第二w型钢带16的下方并被第二w型钢带16压紧在煤柱5的煤帮表面,同样能提高恒阻大变形对拉锚索的加固性能。当围岩发生缓慢或瞬间大变形破坏时,恒阻大变形对拉锚索可以吸收岩体变形能,使围岩中的能量得到释放。在恒阻大变形对拉锚索发生结构变形阶段,仍然能够保持恒定的工作阻力和稳定的变形量,从而实现巷道围岩的稳定,大大降低冒顶、塌方、片帮、底臌等安全隐患。当煤柱5发生变形时,煤柱5推动第一恒阻器131和第二恒阻器132,第一恒阻器131和第二恒阻器132沿钢绞线17发生滑移,从而吸收煤柱5变形的形变能,避免了由于煤柱5变形而发生钢绞线17断裂、失效,从而保持了煤柱5的稳定性。

在步骤s102中,如图6所示,在上工作面1的运输巷3和下工作面2的回风巷4掘进的同时,在上工作面1的运输巷3每隔30m向亚关键层8钻取井下压裂钻孔10,考虑到井下巷道作业空间限制和亚关键层8裂缝位置应位于煤层11的上方,井下压裂钻孔10与水平方向的夹角取78~82°,钻孔形成后随即进行高压注水压裂作业。平行煤柱5的方向每隔30m由地面22向主关键层7打地面压裂钻孔9,地面压裂钻孔9位于煤层11上方,钻孔与水平方向的夹角取82~86°,钻孔形成后随即进行高压注水压裂作业,地面压裂钻孔9的终端与井下压裂钻孔10的终端呈外错布置,以利于将主关键层7承担的岩层载荷有效转移至采空区6。

在本实施例中,地面压裂钻孔9和井下压裂钻孔10设置在煤柱5与待开采的煤层11相邻一侧的上方,开采煤层11并形成采空区6的同时,对地面压裂钻孔9和井下压裂钻孔10进行压裂作业。在进行压裂作业的时候,能够最大限度地将采空区6上方形成的悬顶结构进行破坏,减轻煤柱5的载荷,从而达到良好的卸压效果。如图3图示的y表示从内至外的方向,多个地面压裂钻孔9和多个井下压裂钻孔10沿y方向间隔设置,从而保证能够尽可能多地在将悬顶结构进行破坏。

在煤柱5煤帮表面安装锚杆18可以用于限制煤柱5在掘进初期时的变形,并通过在煤柱5上安装加固结构,从而提高煤柱5的稳定性,在掘进的同时对主关键层7和亚关键层8进行压裂作业,亚关键层8的压裂有助于破坏采空区6侧煤柱5上方的悬顶结构,压裂后的亚关键层8随工作面推进而垮落,能够减轻因亚关键层8在掘进过程中回转运动造成的煤柱5动载破坏,从而提高煤柱5的稳定性;由于主关键层7控制着其上至地面22所有岩层的运动,压裂主关键层7有助于将大部分的载荷有效转移至采空区6,减小煤柱5所需承受的静态载荷。如图6所示,当煤柱5右侧的实体煤区域挖空后形成采空区6,由于通过对亚关键层8和主关键层7进行压裂作业,亚关键层8和主关键层7垮落,主关键层7的至少部分垮落至采空区6,从而破坏采空区6侧煤柱5上方的悬顶结构。本方法通过对煤柱5安装加固结构提高煤柱5自身强度,且通过在掘进时压裂主关键层7和亚关键层8,减轻煤柱5的载荷,从而能够提高煤柱5的稳定性,提高作业安全。

以上所述的仅是本申请的原理和较佳的实施例。应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在本申请原理的基础上,还可以做出若干其它变型,也应视为本申请的保护范围。

再多了解一些
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