利用頂板裂隙水原位弱化主控煤巖層控制災害的方法
【專利摘要】一種利用頂板裂隙水原位弱化主控煤巖層控制災害的方法，所述方法是在含有頂板裂隙水的條件下，利用物探法對頂板裂隙水的空間分布及其特征做詳細的探測，分析研究裂隙水的含量及運移情況，鉆探驗證并取樣進行室內常規巖石力學實驗測取相關系數；后分別在運輸平巷和回風平巷兩巷的頂板打兩排放水鉆孔，在每個鉆孔中沿著不同的角度布置兩個扇形鉆孔；然后在所有鉆孔中利用開槽鉆頭每隔一定的距離開設一個“V“型環槽，最后通過注水封孔器對所有鉆孔進行分段水壓致裂。該方法施工簡單，避免了傳統爆破施工中各種復雜措施和工藝，具有廣泛的實用性和較高的推廣意義。
【專利說明】
利用頂板裂隙水原位弱化主控煤巖層控制災害的方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種基于煤層頂板含有裂隙水條件下，厚煤層煤巖體災害防治的方 法，具體為一種利用頂板裂隙水原位弱化厚煤層煤巖防治災害的方法。 技術背景
[0002] 隨著煤炭工業的快速發展，淺埋深條件下的工作面已經逐漸萎縮，煤層開采逐漸 向深部開采趨勢發展。隨著采深的增加，在采場的上覆巖層經常會遇到一些或大或小的裂 隙孔隙含水巖層，運些裂隙孔隙水會在頂板的下沉形成的離層帶空間不斷的聚集，當頂板 的破壞程度加大或斷裂時，富集的裂隙水會瞬時潰入工作面，造成突水事故。與此同時對于 深部堅硬頂板厚煤層開采而言，頂板問題和頂板巖層上方的裂隙水問題一樣，也是一個非 常棘手的問題。在堅硬頂板煤層開采中，堅硬頂板懸而不跨的現象頻繁，一旦頂板跨落工作 面強礦壓并且伴有很強的沖擊性，甚至引起暴風。與此同時，放頂煤開采由于堅硬頂板造成 放煤率低、工作面支架阻力大等一系列嚴重問題。
[0003] 經過煤礦工業的快速發展，兩種問題得到了一定的解決，取得了一定的成果。在順 槽布置密集放水鉆孔，再W廢水形式排出地表。李德忠在論文《工作面頂板砂巖裂隙水綜合 防治技術》中通過對裂隙水的特征進行分析，提出治理裂隙水的措施，即在回采期間采取鉆 孔導流疏放裂隙水的方法。可是運種方式直接破壞水系的循環規律，極大的浪費水資源;專 利申請號為201310119329.5公開了一種堅硬頂板定向承壓爆破控制的方法，通過利用炸藥 自身釋放的能量和傳爆介質對圍巖的控制弱化。呂德仁在論文《煤礦頂板弱化處理及穩定 性研究與應用》中通過W材料計算和試驗為基礎，對于爆破處理始終存在爆破效果不理想、 粉塵大、有害氣體大最為中要的是在高瓦斯井不適用等缺陷。
[0004] 針對W上情況，需要設計一種經濟安全使得兩種問題同時解決的技術是十分必要 的。
【發明內容】
為了解決上述技術背景中存在的問題，本發明提供一種更為有效的方法，具體為一種 利用頂板裂隙水原位弱化主控煤巖層控制災害的方法。
[0005] 本發明的具體技術方案如下。
[0006] -種利用頂板裂隙水原位弱化主控煤巖層控制災害的方法，所述方法是在含有頂 板裂隙水的條件下，按下列步驟進行的： (1) 應用物探方法探測頂板巖層裂隙水的空間分布和結構特征，結合地質采礦資料分 析裂隙水的含量及運移情況，并對裂隙水儲量進行估計;鉆探驗證取樣進行室內常規巖石 力學實驗，測定煤巖體單軸抗拉強度、孔隙率、含水率和滲透系數； (2) 根據煤體和頂板巖體的力學特性，分別測定在水中浸泡不同時間后煤體和頂板巖 體的強度變化。
[0007] (3)在運輸平巷和回風平巷靠近工作面側的頂板，分別沿著巷道軸線各鉆一排向 上垂直鉆孔，每排定義為一組，回風平巷定義為一組，運輸平巷為二組，兩組分別交替設置， 根據上覆煤巖層地質條件，每組鉆孔間距為5-15m，每個鉆孔中，分別平行采煤工作面的方 向，再打兩條傾斜鉆孔，鉆孔的深度為煤層采厚的3-5倍； (4)超前回采工作面60m，在兩巷道頂板的所有鉆孔中，利用開槽鉆頭每隔一定的距離 開設一個"V "型環槽，直至完成整個鉆孔. 巧)將注水封孔器與高壓注水管路相連接，管路的另一端與高壓注水累連接，將注水封 水器置于第一個鉆孔的兩端，然后開啟高壓注水累通過封孔器進行分段注水預裂，注水的 致裂時間為300s，注水壓力為45-50MPa，第一個進行致裂完成后，對第二個進行致裂，W此 類推直至完成全部鉆孔，在致裂的過程中要對注水壓力進行實時監測； (6) 對水壓致裂后的鉆孔實施二次封孔作業，保證上覆巖層裂隙水逐漸滲透至所需要 軟化的主控煤巖層； (7) 根據采空區廢水軟化后煤體和頂板巖體的單軸抗拉強度及其工作面采煤機及其液 壓支架的性能確定工作面的推進速度； 在上述技術方案中，所述方法是在水原位弱化主控煤巖層時，進行排水或者是不排水； 所述"V"型環槽是處于兩個封水器的中間位置。
[0008] 上述技術方案的實施，其直接帶來的和不然產生的有益效果是：一種利用頂板裂 隙水原位弱化主控煤巖并主動防治災害的方法，利用煤礦廣泛采用的放水鉆孔與系統，降 低了工作面粉塵，弱化了堅硬煤巖懸頂長度，控制斷裂和來壓步距，使得關鍵煤巖層由大斷 距冒落的整體結構變為小斷距臺階下沉的塊體結構，同時避免了形成厚硬薄基巖瞬間大面 積沖擊載荷，避免了切頂等支架異常壓力顯現，在工作面推過后，廢水流向采空區，原位保 護并利用了水資源且可防治采空區煤層自燃，而且利用水壓致裂的方式能避免傳統爆破施 工中各種潛在的威脅，保證了煤礦正常快速推進過程中人員與設備的安全。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發明某礦綜采工作面鉆孔方案布置整體平面示意圖。
[0010] 圖2是本發明某礦綜采工作面C-C截面鉆孔布置平面圖。
[0011] 圖3是本發明某礦綜采工作面D-D截面鉆孔俯視圖。
[0012] 圖中：圖中：1、上覆采空區；2、回風順槽；3、煤層；4、底板；5、運輸順槽；6、上覆巖 層;7、鉆孔。 具體實施方案
[0013] W下結合【附圖說明】對本發明的具體實施方案進行進一步的詳細說明，必須指出， 此處所描述的具體實例僅僅用W解釋本發明，并不用于限項本發明。
[0014] 實施一種利用頂板裂隙水原位弱化主控煤巖層控制災害的方法，所述方法的具體 步驟如下。
[0015] 某煤礦目前正在開采的煤層為4號煤層，其平均煤層厚度為12.47m，其中所含的夾 桿層相對比較簡單，為泥巖或者炭質泥巖。煤層的頂板屬于砂巖。并且富含裂隙水。針對運 種情況下，進行本發明的方案。
[0016] 步驟一，應用物探的方法探測頂板巖層裂隙水的空間分布和結構特征，測得4號煤 層上方有砂巖裂隙含水層，為工作面和礦井直接充水的含水層;按照國際巖石力學試驗規 程進行室內力學特性測試，分別測得煤體的和巖體的單軸抗壓強度為2.36Mpa和26.4Mpa; 含水率分別為2.31%和1.8%;滲透系數為7.2 X l〇-3cm/s和5.6 X l〇-3cm/s。
[0017] 對巖層裂隙水用富水系數法進行估計； 無限邊界含水層的定降深變流量模型為：
式中r表示為工作面引用半徑;S表示頂板水位降深;Sw-定降深值，老頂來時，壓導水 裂隙帶將含水層貫通;式中G(A)-定降深流量函數。
[0018] 通過計算涌水量為IOm3A，小于安全標準，可進行下一步工作。
[0019] 步驟二，根據煤體和頂板巖體的力學特性，分別對不同時間浸泡后的煤體和頂板 巖體的進行單軸抗壓強度測試。其擬合的強度關系曲線分別為：
步驟=，在運輸平巷和凹風平巷的超前工作面靠近工作面的頂板，分別沿著巷道軸線 各鉆一排向上垂直鉆孔。每排定義為一組，回風平巷定義為一組，運輸平巷為二組，兩組分 別交替設置。每組鉆孔間距為12m。每個鉆孔中，分別平行采煤工作面的方向，再打兩條傾斜 鉆孔。鉆孔的深度為27m，并穿透貫通頂板含裂隙水的巖層3層。
[0020] 步驟四，超前回采工作面60m左右，在兩巷道頂板的所有鉆孔中，利用開槽鉆頭每 隔5m開設一個"V "型環槽，直至完成整個鉆孔。
[0021] 步驟五，將注水封孔器與高壓注水管路相連接，管路的另一端與高壓注水累連接。 首先將注水封水器置于第一個鉆孔的兩端，然后開啟高壓注水累通過封孔器進行注水預 裂。注水的致裂時間為300s左右，在該時間段的說壓力的峰值為50MPa。第一個進行致裂完 成后，對第二個進行致裂，W此類推直至完成全部鉆孔。在致裂的過程中要對注水壓力進行 實時監測。
[0022] 步驟六，對水壓致裂后的鉆孔實施二次封孔作業，保證上覆巖層裂隙水逐漸滲透 至所需要軟化的主控煤巖層。
[0023] 步驟屯，根據采空區廢水軟化后煤體和頂板巖體的單軸抗拉強度及其工作面采煤 機及其液壓支架的性能確定工作面的推進速度600mm。
[0024] W上所述僅為本發明的較好的實例，并不限制本發明，凡在本發明的精神和原則 之內所作的任何修改和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種利用頂板裂隙水原位弱化主控煤巖層控制災害的方法，所述方法是在含有頂板 裂隙水的條件下，按下列步驟進行的： (1) 應用物探方法探測頂板巖層裂隙水的空間分布和結構特征，結合地質采礦資料分 析裂隙水的含量及運移情況，并對裂隙水儲量進行估計;鉆探驗證取樣進行室內常規巖石 力學實驗，測定煤巖體單軸抗拉強度、孔隙率、含水率和滲透系數； (2) 根據煤體和頂板巖體的力學特性，分別測定在水中浸泡不同時間后煤體和頂板巖 體的強度變化； (3) 在運輸平巷和回風平巷靠近工作面側的頂板，分別沿著巷道軸線各鉆一排向上垂 直鉆孔，每排定義為一組，回風平巷定義為一組，運輸平巷為二組，兩組分別交替設置，根據 上覆煤巖層地質條件，每組鉆孔間距為5-15m，每個鉆孔中，分別平行采煤工作面的方向，再 打兩條傾斜鉆孔，鉆孔的深度為煤層采厚的3-5倍； (4) 超前回采工作面60m，在兩巷道頂板的所有鉆孔中，利用開槽鉆頭每隔一定的距離 開設一個"V "型環槽，直至完成整個鉆孔； (5) 將注水封孔器與高壓注水管路相連接，管路的另一端與高壓注水栗連接，將注水封 水器置于第一個鉆孔的兩端，然后開啟高壓注水栗通過封孔器進行分段注水預裂，注水的 致裂時間為300s，注水壓力為45-50MPa，第一個進行致裂完成后，對第二個進行致裂，以此 類推直至完成全部鉆孔，在致裂的過程中要對注水壓力進行實時監測； (6) 對水壓致裂后的鉆孔實施二次封孔作業，保證上覆巖層裂隙水逐漸滲透至所需要 軟化的主控煤巖層； (7) 根據采空區廢水軟化后煤體和頂板巖體的單軸抗拉強度及其工作面采煤機及其液 壓支架的性能確定工作面的推進速度。2. 根據權利要求1所述的方法，所述方法是在水原位弱化主控煤巖層時，進行排水或者 是不排水。3. 根據權利要求1所述的方法，所述"V"型環槽是處于兩個封水器的中間位置。
【文檔編號】E21F5/00GK106014407SQ201610502830
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月30日
【發明人】楊永康, 張彥斌, 康天合, 季春旭, 郭澤峰, 張智敏
【申請人】太原理工大學