小煤柱开采远场覆岩深度弱化转移采动应力方法技术

本发明专利技术公开了小煤柱开采远场覆岩深度弱化转移采动应力方法，属于煤矿巷道围岩控制技术领域，包括以下步骤：查明“应力拱”和“裂断拱”的特征参数以及“应力拱”范围内的关键层位置；确定沿空掘巷位置，将沿空掘巷整体布置于“裂断拱”内；在“应力拱”及“断裂拱”范围内覆岩适时动态布置空间立体交错式的水力压裂钻孔和深孔爆破钻孔；沿空掘巷远场覆岩“应力拱”与“断裂拱”范围内关键层“水力压裂

【技术实现步骤摘要】
小煤柱开采远场覆岩深度弱化转移采动应力方法


[0001]本专利技术涉及煤矿巷道围岩控制
，具体是小煤柱开采沿空掘巷远场覆岩深度弱化转移采动应力方法。

技术介绍

[0002]煤矿传统的工作面布置大多选用留设20～40m大煤柱护巷，由此导致了巨大的煤炭资源浪费，采用小煤柱开采技术可以大大提高煤炭资源回收率，是实现“精采、细采”的重要途径之一。但是，与常规工作面开采不同，小煤柱开采在回采期间将受到“双力源(I型力源+II型力源)”作用，其中：I型力源为上区段工作面覆岩侧向悬臂大结构关键块回转运动挤压作用力以及其传递来自上方“断裂拱”内的覆岩压力，其直接作用于沿空巷道小煤柱侧帮和顶板；II型力源为上区段工作面覆岩倾向“应力拱”与本工作面覆岩走向“应力拱”在本工作面的叠加，其作用于沿空巷道的实体煤帮。大量的工程实践证明，这种小煤柱开采远场覆岩结构运动引发的“I型+II型”强大力源通过中间岩层向沿空掘巷近表围岩传递超高的应力作用，导致围岩破坏不可避免和剧烈来压。为确保沿空掘巷在本工作面回采期间的正常使用，如何调控转移沿空掘巷围岩的强采动力源是一个关键问题。
[0003]目前，采矿工程中采用水力压裂(如中国专利CN202210801587.0、CN202010573165.3、CN201610522316.6等)或深孔爆破(如中国专利CN201210230376.2、CN202210704185.9)等人工弱化覆岩坚硬顶板技术是实现阻断采动应力路径和采动应力转移的有效技术途径之一。但是，相关研究表明水力压裂技术虽然能够在采场覆岩坚硬顶板中形成较大扩展长度简单裂隙体系，但无法形成高密度裂隙网络，且压裂后裂隙易再次闭合，因而在阻断应力传递路径和转移采动应力方面效果一般；而深孔爆破技术则可在坚硬顶板中能够产生密集裂隙网络，裂隙呈松散状态，不会出现再次闭合现象，但是爆破裂隙区范围较小，需要布置密集爆破孔才能达到理想采动应力转移效果。显然，现有的这两种常规弱化技术手段在采场覆岩顶板采动应力转移效果方面仍存在很大的提升空间，无法满足特厚煤层小煤柱开采沿空掘巷小煤柱开采远场覆岩“双力源”调控的需要，迫切需要专利技术更为高效、安全、经济的弱化方法来实现快速高效阻断采动应力传递路径和提升应力转移效果的目的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种小煤柱开采远场覆岩“水力压裂
‑
深孔爆破”复合深度弱化方法，充分融合了现有工作面覆岩坚硬顶板水力压裂与深孔爆破弱化技术的优点，能够显著增大覆岩顶板裂隙密度和裂隙范围，有效破坏覆岩坚硬顶板完整性和应力传递属性，增强顶板弱化程度和采动应力转移效果。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]小煤柱开采远场覆岩深度弱化转移采动应力方法，包括以下步骤：
[0007]S1、查明工作面覆岩“应力拱”和“裂断拱”的几何结构特征参数以及“应力拱”范围
内的关键层位置；
[0008]S2、确定沿空掘巷位置，将沿空掘巷整体布置于“裂断拱”内，小煤柱尺寸按照满足采空区水、火、瓦斯安全问题以及巷道煤柱稳定性与锚固可靠性的最低要求选择，且煤柱尺寸(W)与巷道断面宽度(B)之和应不超过“断裂拱”拱脚到煤壁距离D2，即W+B≤D2；
[0009]S3、沿空掘巷贯通后，在巷道内向顶板上方“应力拱”及“断裂拱”范围内覆岩适时动态布置空间立体交错式的水力压裂钻孔和深孔爆破钻孔；
[0010]S4、沿空掘巷远场覆岩“应力拱”与“断裂拱”范围内关键层“水力压裂
‑
深孔爆破”复合深度弱化施工，分为两个阶段实施，施工应在工作面距离施工钻孔不小于150m前完成；
[0011]S5、进行沿空掘巷围岩采动应力转移效果实时监测，根据监测结果动态调整“水力压裂
‑
深孔爆破”复合深度弱化施工参数。
[0012]作为本专利技术进一步的方案：所述S1包括以下步骤：
[0013]S101、三维精细化数值模拟：基于工作面的基础工程信息数据，利用离散元软件3DEC建立工作面回采三维精细化数值模型；数值模型块体单元尺寸不超过0.5m，块体的初始力学参数以及节理力学参数根据实验室测试结果选取；数值模型计算平衡之后，提取工作面顶板周期垮落步距S
m
，并将该值与现场实测的周期垮落步距S0进行对比；若0.9S0<S
m
<1.1S0，表明数值模拟结果能够较好地吻合现场实测结果；若S
m
>1.1S0，降低模型块体以及节理力学参数后重新计算；若S
m
<0.8S0，提高模型块体以及节理力学参数后重新计算；直至数值模拟顶板周期垮落步距S
m
满足0.9S0<S
m
<1.1S0；
[0014]S102、识别“应力拱”和“裂断拱”空间几何结构形态：根据三维数值模拟结果，在模型中均匀设置一系列水平测线，水平测线间距、排距均不超过1m；提取每条水平测线上的垂直应力以及节理面相对位移数据，根据数值确定垂直应力峰值位置以及节理面相对零位移点，将所有测线上的垂直应力峰值位置相连即可得到“应力拱”几何结构形态，将所有测线上的节理面相对零位移点相连即可得到“断裂拱”几何结构形态；据此，计算“应力拱”和“裂断拱”的拱脚距煤壁距离D1、D2以及拱高度H1、H2；
[0015]S103、确定“应力拱”高度范围内(H1)关键层层位：根据工作面煤岩地层钻孔资料，利用关键层理论判定计算“应力拱”高度范围内覆岩关键层位置，自下而上依次为K1、K2…
K
n
。
[0016]作为本专利技术进一步的方案：所述S101步骤中，所述基于工作面的基础工程信息数据包括煤岩地层结构、煤岩样强度力学性质、地应力环境。
[0017]作为本专利技术进一步的方案：所述S3包括以下步骤：
[0018]S301、分阶段适时动态施工钻孔：自工作面切眼开始到停采线结束，将沿空掘巷划分为n个连续区段，每个区段长度L满足150m≤L≤300m；在工作面回采过程中，逐段进行巷道顶板钻孔施工，其中：第1段巷道钻孔应在工作面正式回采前15～30d内完成；第i段(2<i<n)巷道钻孔施工应在工作面距第i
‑
1段巷道结束位置不小于150m时完成；
[0019]S302、施工小煤柱侧顶板水力压裂钻孔ZK1：钻孔开孔位置位于巷道顶板，距小煤柱侧帮<0.3m；终孔位置位于“断裂拱”内最上面一层关键层K
i
顶部；钻孔与巷道轴线夹角β1取β1＝70～90
°
，钻孔仰角α1＝atan(H2/(S2+W))，S2为上区段工作面的半宽度；钻孔排距P1取7m～15m；
[0020]S303、施工实体煤侧顶板水力压裂钻孔ZK2：钻孔开孔位置位于巷道顶板，距实体
煤侧帮&am本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.小煤柱开采远场覆岩深度弱化转移采动应力方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、查明工作面覆岩“应力拱”和“裂断拱”的几何结构特征参数以及“应力拱”范围内的关键层位置；S2、确定沿空掘巷位置，将沿空掘巷整体布置于“裂断拱”内，小煤柱尺寸按照满足采空区水、火、瓦斯安全问题以及巷道煤柱稳定性与锚固可靠性的最低要求选择，且煤柱尺寸(W)与巷道断面宽度(B)之和应不超过“断裂拱”拱脚到煤壁距离D2，即W+B≤D2；S3、沿空掘巷贯通后，在巷道内向顶板上方“应力拱”及“断裂拱”范围内覆岩适时动态布置空间立体交错式的水力压裂钻孔和深孔爆破钻孔；S4、沿空掘巷远场覆岩“应力拱”与“断裂拱”范围内关键层“水力压裂
‑
深孔爆破”复合深度弱化施工，分为两个阶段实施，施工应在工作面距离施工钻孔不小于150m前完成；S5、进行沿空掘巷围岩采动应力转移效果实时监测，根据监测结果动态调整“水力压裂
‑
深孔爆破”复合深度弱化施工参数。2.据权利要求1所述的小煤柱开采远场覆岩深度弱化转移采动应力方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：S101、三维精细化数值模拟：基于工作面的基础工程信息数据，利用离散元软件3DEC建立工作面回采三维精细化数值模型；数值模型块体单元尺寸不超过0.5m，块体的初始力学参数以及节理力学参数根据实验室测试结果选取；数值模型计算平衡之后，提取工作面顶板周期垮落步距S
m
，并将该值与现场实测的周期垮落步距S0进行对比；若0.9S0<S
m
<1.1S0，表明数值模拟结果能够较好地吻合现场实测结果；若S
m
>1.1S0，降低模型块体以及节理力学参数后重新计算；若S
m
<0.8S0，提高模型块体以及节理力学参数后重新计算；直至数值模拟顶板周期垮落步距S
m
满足0.9S0<S
m
<1.1S0；S102、识别“应力拱”和“裂断拱”空间几何结构形态：根据三维数值模拟结果，在模型中均匀设置一系列水平测线，水平测线间距、排距均不超过1m；提取每条水平测线上的垂直应力以及节理面相对位移数据，根据数值确定垂直应力峰值位置以及节理面相对零位移点，将所有测线上的垂直应力峰值位置相连即可得到“应力拱”几何结构形态，将所有测线上的节理面相对零位移点相连即可得到“断裂拱”几何结构形态；据此，计算“应力拱”和“裂断拱”的拱脚距煤壁距离D1、D2以及拱高度H1、H2；S103、确定“应力拱”高度范围内(H1)关键层层位：根据工作面煤岩地层钻孔资料，利用关键层理论判定计算“应力拱”高度范围内覆岩关键层位置，自下而上依次为K1、K2…
K
n
。3.根据权利要求2所述的小煤柱开采远场覆岩深度弱化转移采动应力方法，其特征在于，所述S101步骤中，所述基于工作面的基础工程信息数据包括煤岩地层结构、煤岩样强度力学性质、地应力环境。4.根据权利要求1所述的小煤柱开采远场覆岩深度弱化转移采动应力方法，其特征在于，所述S3包括以下步骤：S301、分阶段适时动态施工钻孔：自工作面切眼开始到停采线结束，将沿空掘巷划分为n个连续区段，每个区段长度L满足150m≤L≤300m；在工作面回采过程中，逐段进行巷道顶板钻孔施工，其中：第1段巷道钻孔应在工作面正式回采前15~30d内完成；第i段(2<i<n)巷道钻孔施工应在工作面距第i
‑
1段巷道结束位置不小于150m时完成；S302、施工小煤柱侧顶板水力压裂钻孔ZK1：钻孔开孔位置位于巷道顶板，距小煤柱侧
帮<0.3m；终孔位置位于“断裂拱”内最上面一层关键层K
i
顶部；钻孔与巷道轴线夹角β1取β1=70~90
°
，钻孔仰角α1=atan(H2/(S2+W))，S2为上区段工作面的半宽度；钻孔排距P1取7m~15m；S303、施工实体煤侧顶板水力压裂钻孔ZK2：钻孔开孔位置位于巷道顶板，距实体煤侧帮<0.3m；终孔位置位于“应力拱”内最上面一层关键层K
n
顶部；钻孔与巷道轴线夹角为β2，β2=20~40
°
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆银龙，陆凌峰，韩磊，焦浩，
申请(专利权)人：山煤国际能源集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：