近距上煤层工作面开切眼顶板控制方法与流程

1.本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种近距上煤层工作面开切眼顶板控制方法。


背景技术：

2.顶板事故乃煤矿安全高发事故不容小视，导致煤矿采场或巷道顶板冒漏事故的原因多种多样，但由煤层开挖引起强烈采动应力作用为其重要产生原因。近距煤层因其赋存的特殊性，上煤层开采对下煤层顶板扰动破坏加剧了下煤层顶板的不稳定性，特别对于较薄层间距近距煤层，下煤层开采过程更易诱发顶板冒漏等安全事故。大量近距煤层开采矿区发现，下煤层工作面由实体煤区推进到上煤层采空区位置附近，下煤层工作面采场和巷道均显现出强烈的矿压显现趋势，工作面液压支架被压死、支架前方端头顶板漏顶、采煤机被掩埋，两巷围岩大变形破坏严重难维护，甚至顶板冒落等严重影响工作面回采的顶板事故时有发生。
3.近距离下煤层开采工作面切眼因其断面跨度大、顶板不易管理等原因往往外错布置于上煤层工作面开切眼实体煤下方，如此布置方式下煤层由开切眼推进必然面临由上煤层实体煤区过渡到采空区的开采过程，由实体煤区推进到采空区过渡区域，下煤层采场和两巷均会显现出强烈的矿压显现特征，严重甚至会导致工作面液压支架压架停产、回采巷道顶板剧烈变形垮落冒顶等安全事故，严重影响并危害着下煤层工作面的安全生产。


技术实现要素：

4.本发明提供一种近距上煤层工作面开切眼顶板控制方法，用以解决现有技术中因上煤层开切眼位置覆岩空间结构的存在导致下煤层开采到上煤层采空区区域附近，引起下煤层采场和巷道遭受上煤层覆岩再次失稳破坏产生强烈矿压作用导致的安全风险，实现近距煤层安全高效开采。
5.本发明提供一种近距上煤层工作面开切眼顶板控制方法，包括如下步骤：
6.在上煤层和下煤层分别设置开切眼，下煤层的开切眼位于上煤层开切眼相对于开挖方向的另一侧；
7.在上煤层开采前，对上煤层开切眼位置上方的顶板进行切断，改变顶板的覆岩结构，以使上煤层开采推过其开切眼位置后顶板自动垮落到采空区。
8.根据本发明的一个实施例，所述对上煤层开切眼位置上方的顶板进行切断的步骤包括：根据上煤层开切眼位置在顶板确定切顶线，根据切顶线对上煤层开切眼位置上方的覆岩层顶板进行切断。
9.根据本发明的一个实施例，所述对上煤层开切眼位置上方的顶板进行切断的步骤为通过水力压裂切顶步骤对上煤层开切眼位置上方的顶板进行切顶处理。
10.根据本发明的一个实施例，所述水力压裂切顶步骤包括：
11.对上煤层开切眼位置上方的顶板进行钻孔，对钻孔进行水力压裂，以使顶板的覆
岩结构沿开切眼布置方向断裂。
12.根据本发明的一个实施例，所述钻孔竖直设置。
13.根据本发明的一个实施例，所述钻孔沿开切眼布置方向间隔排列，相邻所述钻孔间距为4-8米。
14.根据本发明的一个实施例，所述钻孔深度为30-50米。
15.根据本发明的一个实施例，所述对上煤层开切眼位置上方的顶板进行切断的步骤为对上煤层开切眼位置上方的顶板进行水力压裂切顶处理。
16.根据本发明的一个实施例，所述切顶线沿上煤层开切眼布置方向竖直设置，所述切顶线与开切眼位置间距小于3米。
17.根据本发明的一个实施例，在开切眼布置方向上，所述切断长度大于下煤层开切眼长度。
18.本发明提供的近距上煤层工作面开切眼顶板控制方法，在上煤层和下煤层分别设置开切眼，下煤层的开切眼位于上煤层开切眼相对于开挖方向的另一侧；在上煤层开采前，通过对上煤层开切眼位置上方的顶板进行切断，改变顶板的覆岩结构，待上煤层开采推过开切眼后达到顶板初次垮落步距后覆岩会自动垮落到采空区，不再形成以上煤层切眼煤柱帮为支撑面的覆岩承载结构，这样一来下煤层开采推进到上煤层采空区区域附近，由于提前切断破坏了上煤层覆岩结构而不再将过量载荷传递到下煤层顶板，进而避免了下煤层围岩遭受强烈动载作用而引起的强烈矿压，消除了回采工作面采场和两巷强烈动载压力，保证了下煤层的开采安全，实现近距煤层安全高效开采。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明提供的近距上煤层工作面开切眼顶板控制方法的步骤流程图；
21.图2是本发明提供的近距上下煤层开切眼布置示意图；
22.图3是未切顶近距上煤层采后切眼覆岩结构及应力分布图；
23.图4是切顶后近距上煤层开采后切眼覆岩结构及应力分布图。
24.附图标记：
25.1、切顶钻孔；2、上煤层开切眼；3、下煤层开切眼；4、采空区；a/d、原岩应力区；b、应力增高区；c、应力降低区。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。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。
27.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。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。
28.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
29.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
31.如图3所示，近距上煤层回采工作面倾斜长度范围形成以实体煤帮为支撑轴的空间结构，下煤层开采到上煤层开切眼附近位置引起该结构再次失稳运动将载荷传递到下煤层围岩引起采场和巷道强烈矿压显现。为此，上煤层开切眼位置覆岩空间结构的存在为造成下煤层开采采场和巷道矿压显现剧烈的根源所在。
32.在近距煤层开采过程中，在上煤层和下煤层分别设置开切眼，下煤层的开切眼位于上煤层开切眼相对于开挖方向的另一侧；也即，下煤层开切眼位于上煤层开切眼的后方，下煤层由开切眼推进会由上煤层实体煤区过渡到采空区，由实体煤区推进到采空区过渡区域。
33.如图1和图2所示，为了防止下煤层开采到上煤层开切眼附近位置引起下煤层采场和巷道围岩强烈矿压显现，本实施例中，在上煤层开采前，对上煤层开切眼2位置上方的顶板进行切顶钻孔1达到切断，改变顶板的覆岩结构，以使上煤层开采推过其开切眼位置后顶板自动垮落到采空区4。
34.具体的，在上煤层开采前，在其开切眼面向实体煤柱侧，预先采用切顶方法将切眼上覆岩层顶板提前切断，待上煤层开采推过开切眼后达到顶板初次垮落步距后覆岩会自动垮落到采空区4，不再形成以上煤层切眼煤柱帮为支撑面的覆岩承载结构，这样一来下煤层开采推进到上煤层采空区区域附近，由于提前切断破坏了上煤层覆岩结构而不再将过量载荷传递到下煤层顶板，进而避免了下煤层围岩遭受强烈动载作用而引起的强烈矿压，消除
了回采工作面采场和两巷强烈动载压力，保证了下煤层的安全开采。
35.本实施例中，在对上煤层开切眼2位置上方的顶板进行切断的步骤中，根据上煤层开切眼位置在顶板确定切顶线，根据切顶线对上煤层开切眼位置上方的覆岩层顶板进行切断。
36.在一个实施例中，切顶线沿上煤层开切眼2布置方向竖直设置，切顶线可以设置在上煤层开切眼的正上方，也可以设置在上煤层开切眼2附近，优选的，切顶线与开切眼位置间距小于3米。
37.在一个实施例中，对上煤层开切眼2位置上方的顶板进行切断的方式采用水力压裂切顶技术。
38.水力压裂切顶技术包括切顶钻孔步骤和水力压裂步骤。
39.在切顶钻孔步骤中，对上煤层开切眼位置上方的顶板进行钻孔，钻孔以方便水力压裂设备伸入，从而进行水力压裂对覆岩结构顶板进行切断。
40.在一个实施例中，钻孔沿开切眼布置方向间隔排列，每个钻孔之间保持4-8米的间隔。一般开切眼的布置长度在300米左右，每4-8米的间隔进行钻孔，合理控制钻孔的布置位置，有利于整个开切眼上方的顶板整体垮塌。
41.在一个实施例中，钻孔深度可以设置为30-50米，该深度为水力压裂完成切顶线布置提供接触，提高切顶效率。
42.在一个实施例中，钻孔方向为竖直钻孔，便于顶板下落，当然，钻孔也可以按照一定角度倾斜，以布置倾斜的切顶线，能够保证被切断的顶板滑落至采空区即可。
43.钻孔步骤完成后，对钻孔进行水力压裂，将水力压裂设备伸入至钻孔内，通过水压对钻孔进行压裂，以使多个钻孔在其所在面上形成断面，从而将上煤层开切眼2上方的顶板切断，保证上煤层开采推过其开切眼位置后顶板自动垮落到采空区4，进而减少下煤层围岩遭受强烈动载作用而引起的强烈矿压，降低下煤层局部应力集中情况。
44.当然，本实施例的切断顶板方式不限于水力压裂切顶技术，也可以采用爆破技术，在切顶线位置布置爆破装置，通过爆破手段切断上煤层开切眼上方的顶板，保证上煤层开采推过其开切眼位置后顶板自动垮落到采空区。
45.如图2所示，在一个实施例中，在开切眼布置方向上，切顶钻孔1的切断长度大于下煤层开切眼3长度，保证切断线大于开挖线，以便于上煤层开切眼2上方的整个顶板完全垮塌，图中箭头表示开挖方向。
46.如图3和图4所示，采用本实施例切断步骤前后对比，图3中，上煤层开切眼顶板形成以实体煤帮为支撑面的岩梁结构，该结构在上煤层开采后处于平衡稳定状态，但是在上煤层开切眼2侧实体煤区产生分布不均匀的集中应力，为引发下煤层推采到该区域采场和巷道出现强烈矿压显现的本质原因。而下煤层工作面由开切眼位置推进到上煤层开切眼2位置附近，由于下煤层开挖必然破坏上煤层开切眼2形成的稳定平衡覆岩结构，造成该结构的再次失稳破坏运动，将过量载荷传递作用到下煤层采场和巷道围岩上引起顶板安全事故。
47.上煤层开采前提前采用水力压裂切顶技术将开切眼位置上覆岩层顶板沿工作面布置方向切断，则上煤层工作面开挖后开切眼位置形成的覆岩结构和应力分布见图4，上煤层推采后开切眼位置不再形成以实体煤帮为支撑轴的覆岩结构，而该结构则随着上煤层采
后自然垮落充填到采空区4，下煤层开采到上煤层切眼位置不存在过量载荷作用到下煤层采场和巷道围岩上，下煤层推进到上煤层采空区4也无法产生强烈动载作用到下煤层围岩上导致采场和巷道强矿压显现，而且上煤层开切眼2侧实体煤区域应力集中强度也显著降低，下煤层推采到该区域范围采场和巷道也不会受到强烈集中应力作用，消除和避免了下煤层开采采场和巷道遭受强烈采动动载作用引发的顶板安全事故。
48.由图3和图4中a、b、c、d区域的应力分布可知，对上煤层开切眼2上方的顶板进行切顶钻孔后，顶板垮塌，b区域的应力明显降低，保证了下煤层开挖的安全。
49.近距下煤层开切眼位置有两种选择方式，布置于上煤层采空区下和实体煤区下，显而易见布置于采空区下会导致部分煤炭资源丢失浪费。而布置于实体煤下，下煤层开采过程可能引发顶板安全事故。通过本发明实施例解决并避免了上述顶板安全事故，为近距下煤层开切眼位置布置于实体煤区提供了技术支撑，有助于实现近距煤层的安全高效开采。
50.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。