CN111411962A - 一种煤矿冲击地压治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种煤矿无煤柱开采治理冲击地压方法，尤其适用于煤矿工程技术领域。在工作面回采过程中沿回采巷道非回采一侧浇筑混凝土，自切眼开始随着回采一直施工至停采线，形成一道砼墙，待采空区矿压稳定后，自切眼开始在未采区沿砼墙掘进下一工作面回采巷道，砼墙做为巷道一帮，即沿空掘巷。以此沿空掘巷做为下工作面其中一条回采巷道，另外掘一条回采巷道和切眼，形成综采工作面。其步骤简单，使用效果好，既能实现无煤柱开采彻底治理冲击地压，又能提升资源回收率，还能处理一部分矸石，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉一种煤矿冲击地压治理方法，尤其适用于存在综采工作面受二次采动影响巷道易发生冲击地压的矿井使用的煤矿冲击地压治理方法，属于煤矿工程技术领域。
背景技术
随着深部煤炭资源的逐步开发，冲击地压灾害日益加剧，已成为严重制约煤矿安全高效开采的主要灾害形式，也成为采矿学界广泛关注并开展研究工作的热点，但目前仍然是世界性难题，迫切需要找到一种切实有效的治理办法。
当前在鄂尔多斯区域西部新开深埋矿井如石拉乌素、门克庆、红庆河、葫芦素等煤矿冲击地压灾害无一例外地发生在受二次采动影响巷道超前综采工作面120m以内的范围，主要表现为巷道两帮、顶板、底板急遽鼓出，支护破坏，断面缩小严重，部分不能进人，甚至导致工作面通风不畅。
长期以来，世界各国学者都试图从原理上解释煤矿冲击地压为什么发生，先后提出了一系列重要的理论来解释其发生机理，主要有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、三准则理论和变形系统失稳理论等。这些从不同角度研究了冲击地压发生的条件和机理，但各个理论都有其自身的特点和局限性。国内专家在充分借鉴、吸收的基础上，在1985年由原抚顺矿务局和阜新矿业学院组成的冲击地压研究组认为冲击地压过程是一个煤岩发生破裂的力学过程，是煤岩局部区域承受极限载荷，变形局部化，原有微裂隙贯通为宏观大裂隙，是大裂隙扩展失稳的结果。齐庆新等进一步提出“三因素”机理模型，即内在因素(煤岩的冲击倾向性)、力源因素(高度的应力集中或高变形能的储存与外部的动态扰动)和结构因素(具有软弱结构面和易于引起突变滑动的层状界面) 是导致冲击地压发生的最主要因素。防治技术主要可分为3类，第1类为区域防范方法(包括优化开拓布置、解放层开采、无煤柱开采、煤层注水等)；第2类为主动解危法(包括深孔爆破、卸载爆破、水力压裂、大孔卸压等)；第3类方法为加强支护法，依据巷道围岩“强弱强”结构，采用主动、被动支护相结合，刚性、柔性支护相搭配的方式，即增大支护强度或改善支护方式提高围岩抗冲击能力。
鄂尔多斯地区自2016年巴彦高勒煤矿率先对回采工作面采用“切顶卸压”主动解危法治理冲击地压起，周边石拉乌素、门克庆、红庆河等煤矿都在效仿。到目前各矿首采盘区都已回采2～3个工作面，除了首采工作面外，接续工作面无不仍存在较严重的冲击地压隐患。
遗憾的是，本地区使用该方法无一解决问题的实例，却至今仍然是标准答案。现实迫使我们必须对“切顶卸压”治理方法从根本上进行深刻反思并重新评估。
冲击地压“切顶卸压”治理方法的理论基础在于①将应力转移至深部，消减临近巷道区域的应力集中；②形成自巷道壁至深部强-弱-强的围岩受力结构，从而有利于防冲；③改变巷道围岩力学性质，使其变软，从而降低其冲击倾向性；④在巷道两帮形成卸压空间，有利于吸收地压能量。
这一理论存在先天性不足。煤系地层本身就是层状结构，其成分及其力学性质极不均匀。岩体是经历漫长地质历史而形成的，赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中，长期经受复杂的地质建造和改造两大作用，产生了各种不同类型和规模的结构面，如断层、节理、层理、片理、裂隙等。受这些结构面交切，形成了一种独特的割裂结构[15]。岩体受压能力远远大于受拉能力，一般达10倍。深部岩体在采动影响之前处于三向应力状态，其内部则表现为压应力(至今未实测得拉应力)。岩体破坏的前提条件是先形成空间，以便于受压转化为受拉或剪[16]。
正是这一属性、结构及其力学特征，决定了“切顶卸压”难以取得实质效果。因为：①岩体本身就有很多软弱结构面，再多一些裂隙也不会改变其受力状况，以葫芦素煤矿2-1煤层为例，沿层理方向每10cm肉眼观测得6～8条垂向裂隙，大多为方解石脉充填。②不管是爆破还是水力致裂而出现的裂缝都不影响压应力的传导，所谓消减应力集中其实达不到。③鉴于不能产生足够的“自由度”，致使孔致裂影响半径非常小，一般不超过2m，强-弱-强的缓冲结构其实也要大打折扣。④治理后煤层及围岩仍然更多表现为脆性，而不是变软。⑤两帮钻孔卸压对变形和地压能量的吸收也只是少部分的，当遇到较强冲击时完全是螳螂挡臂。
深部采煤矿山压力会“寻找”最薄弱点释放。工作面采用全部跨落法管理顶板能够成功的关键在于使矿山压力尽早，尽量多的释放在采空区，尽量少的释放在工作面之前。但是，巷道在实施切顶卸压后，由于围岩完整性受到破坏，造成了支撑能力下降，反而容易“招来”强矿压显现，大量实践也证明了这一点。最明显的如葫芦素煤矿21102工作面末采，距停采线110m时，压力超前显现压坏一半左右的主回撤通道预支水泥柱(直径0.8m，间距2.0m，近150根)。巧合的是，该巷道提前实施了切顶卸压工程，而在周边矿井未实施的工作面却从未发生。
综上所述，针对现有技术无法真正治理深埋煤矿冲击地压的缺陷，特别需要一种治理技术，以解决现有技术的不足。
发明内容
针对现有技术存在的不足，不能有效治理煤矿冲击地压，本发明提出一种柔模护帮沿空掘巷无煤柱开采治理煤矿冲击地压的方法，设计新颖，既能实现无煤柱开采彻底治理冲击地压，又能提升资源回收率，还能处理一大部分矸石。
为了实现上述目的，本发明的1.一种煤矿冲击地压治理方法，其步骤如下：
a、在本工作面开采过程中沿回采巷道非回采一侧，即隅角区充填浇筑混凝土，自切眼开始随着回采一直施工至停采进行充填筑帮，从而形成一道砼墙；
b、待工作面采空区矿压稳定后，自本工作面的切眼开始在未采区煤层沿砼墙掘进下一工作面回采巷道形成沿空掘巷，砼墙为巷道一帮；
c、以本沿空掘巷做为工作面其中一条回采巷道，另外掘一条回采巷道和切眼，形成综采工作面；
d、在回采此工作面时，另外步骤a到步骤c实现无煤柱开采治理冲击地压。
具体施工步骤如下：
a1.在工作面回采巷道掘进时,沿非回采一侧顶板施工一排恒阻力锚索以减少受采动影响，确保顶板完整；
a2.在本工作面回采时沿巷道顶板中部布置一排爆破孔，并在孔中装药，在本工作面回采支架前起爆，使爆破切顶在工作面后发生，在巷道顶板中部形成一道贯通整个巷道的切顶线，以保证巷道行人侧顶板完整，同时减少下沉量；
a3.沿该巷道非回采一侧顶板上利用顶网每隔10m绑扎一根横向注浆管，一端指向巷帮，另一端指向采空区，
a4.在底板低洼处铺设横向排水管，排水管两端沟通巷帮和采空区，用以对采空区排水；
a5.在工作面回采前，沿该巷道非回采一侧的支架上贴帮挂好柔模，同时确保不影响工作面设备移动，
a6.在工作面前方巷道设置移动注浆站，利用注浆管向柔模输入调配好的混凝土浆液直至冠灌满接顶，等待混凝土浆液凝固从而形成与回采巷道接顶的柔模混凝土墙，柔模混凝土墙将沿空掘巷时形成与采空区之间隔离并提供顶板支护；
a7.随工作面推进移动支架，并在支架移动后重复步骤五和步骤六浇筑柔模混凝土，构成支护混凝土墙，直至充满；
a8.：待本工作面采空区矿压稳定后，自切眼开始在实体煤沿砼墙掘进下一工作面回采巷道，将砼墙做为巷道一帮；
s9.沿空掘巷时，在砼墙顶部掏出容纳横向注浆管的孔洞，利用移动灌浆车和横向注浆管向采空区灌浆，进一步加固砼墙，并抑制有害气体涌出，一方面揭露注浆管后立即灌注水泥料浆，另一方面应使采空区的最小气压点远离作业区。
当隅角施工区无积水的情况下步骤如下：
b1.在临近下一工作面的回采巷道，工作面前沿非回采侧即行人侧顶板预设2根注浆钢管；注浆钢管用铁丝直接绑在顶板支护钢筋网上，两根并排交替布置；
b2.在该巷道超前工作面区域设置移动混凝土输送泵，通过管道与第一步顶板预设管路相连；
b3.混凝土输送泵制浆并向采空区隅角区域输送浇筑混凝土，形成砼墙。
所述的排恒阻力锚索垂直打入顶板，距非回采一侧边缘1.5m，其他支护形式不变。
所述爆破孔间距12-15m，仰角25°，投影到平面平行于巷道，自工作面前100-500m打眼，孔直径75mm，孔深30-35m，爆破药量40Kg/孔，起爆时间支架顶梁前2-5m。
所述混凝土浆液的制浆骨料采用粉碎后的矸石，粒径5～10mm，混凝土浆液由水泥、骨料、砂、速凝剂、水配合而成，质量配合比为0.141:0.45:0.312:0.001:0.096。
所述每段柔模撑开长度10m，宽度1.0m，向工作面外侧上部留有注浆口，柔模之间不留空隙.
在柔模混凝土墙施工完成后需要在刚浇筑后沿顶再封堵一遍，以保证柔模混凝土墙的接顶密封效果，同时保证第二步中爆破切顶与第六步中灌注柔模时间间隔超过1小时。
所述后期掘进下一工作面回采巷道时，每掘进10m揭露注浆管后，即向采空区灌注混凝土，注浆管为DN108钢管，长度1.4m，后期为形成下一工作面，沿空掘巷时向本工作面采空区注浆，用以加固巷帮，并且抑制有害气体涌出。
步骤s6中还可以在本工作面前沿非回采侧即行人侧顶板利用设置在顶网上2根指向采空区的注浆钢管对采空区进行注浆，所述注浆钢管包括两根等长的花管和无缝钢管构成，花管和无缝钢管长度与采空区垮落相符，布置时一根注浆钢管的花管布置在采空区上方，无缝钢管设置在工作面上方，另一根注浆钢管的花管布置在工作面上方，两根形成交替，从而保证沿巷道任何一点都可以出浆，并保证每次与移动注浆泵只连接一根注浆钢管。
所述注浆钢管采用DN219，每根花管长度为10米，普通无缝钢管为10米，花管与普通无缝钢管之间采用丝扣连接，与下一根留空隙0.5m。
若遇工作面下坡时混凝土浆液容易回流入工作面的情况，需要在隅角区第一台液压支架与巷帮之间垛沙袋阻挡，同时在端头架掩护梁尾部焊接软性挡板耷拉到底板来阻挡混凝土浆液回流；充填筑帮不进行支护，顶板和另一帮利用全长锚固锚网索支护，并使用马丽散加固材料，深度6米以内。
有益效果：
本发明利用锚杆和注浆管即可有效治理无煤柱开采后的冲击地压，保证了煤矿的安全开采，同时实现无煤柱开采提升资源回收率，还能处理部分矸石使矸石不上井。以5000米推进长度、5.0m 采煤厚，仅测算本地区一个工作面，即可提高经济效益2.0亿。其步骤简单，实施成本低，具有广泛的实用性。
附图说明
图1为多工作面开采后采空区多跨叠加拱模型及受力示意图；
图2为本发明煤矿冲击地压治理方法的柔模护帮沿空掘巷位置示意图
图3为本发明煤矿冲击地压治理方法的充填筑帮沿空掘巷位置示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的煤矿冲击地压治理方法，步骤如下：
a、在本工作面开采过程中沿回采巷道非回采一侧，即隅角区充填浇筑混凝土，自切眼开始随着回采一直施工至停采进行充填筑帮，从而形成一道砼墙；
b、待工作面采空区矿压稳定后，自本工作面的切眼开始在未采区煤层沿砼墙掘进下一工作面回采巷道形成沿空掘巷，砼墙为巷道一帮；
c、以本沿空掘巷做为工作面其中一条回采巷道，另外掘一条回采巷道和切眼，形成综采工作面；
d、在回采此工作面时，另外步骤a到步骤c实现无煤柱开采治理冲击地压，下一工作面回采时则在紧邻第3工作面一侧回采巷道充填筑帮形成砼墙，沿空掘巷形成下下工作面，工作面间不留任何煤柱，从而实现无煤柱开采治理冲击地压。
如图2所示，当隅角施工区有积水的情况下具体施工步骤如下：
a1.在工作面回采巷道掘进时,沿非回采一侧顶板施工一排恒阻力锚索以减少受采动影响，确保顶板完整；所述的排恒阻力锚索垂直打入顶板，距非回采一侧边缘1.5m，其他支护形式不变；
a2.在本工作面回采时沿巷道顶板中部布置一排爆破孔，并在孔中装药，在本工作面回采支架前起爆，使爆破切顶在工作面后发生，在巷道顶板中部形成一道贯通整个巷道的切顶线，以保证巷道行人侧顶板完整，同时减少下沉量；所述爆破孔间距12-15m，仰角25°，投影到平面平行于巷道，自工作面前100-500m打眼，孔直径75mm，孔深30-35m，爆破药量40Kg/孔，起爆时间支架顶梁前 2-5m；
a3.沿该巷道非回采一侧顶板上利用顶网每隔10m绑扎一根横向注浆管，一端指向巷帮，另一端指向采空区，
a4.在底板低洼处铺设横向排水管，排水管两端沟通巷帮和采空区，用以对采空区排水；
a5.在工作面回采前，沿该巷道非回采一侧的支架上贴帮挂好柔模，同时确保不影响工作面设备移动，所述每段柔模撑开长度10m，宽度1.0m，向工作面外侧上部留有注浆口，柔模之间不留空隙；在柔模混凝土墙施工完成后需要在刚浇筑后沿顶再封堵一遍，以保证柔模混凝土墙的接顶密封效果，同时保证第二步中爆破切顶与第六步中灌注柔模时间间隔超过1小时；
a6.在工作面前方巷道设置移动注浆站，利用注浆管向柔模输入调配好的混凝土浆液直至冠灌满接顶，等待混凝土浆液凝固从而形成与回采巷道接顶的柔模混凝土墙，柔模混凝土墙将沿空掘巷时形成与采空区之间隔离并提供顶板支护；所述后期掘进下一工作面回采巷道时，每掘进10m揭露注浆管后，即向采空区灌注混凝土，注浆管为DN108钢管，长度1.4m，后期为形成下一工作面，沿空掘巷时向本工作面采空区注浆，用以加固巷帮，并且抑制有害气体涌出；
a7.随工作面推进移动支架，并在支架移动后重复步骤五和步骤六浇筑柔模混凝土，构成支护混凝土墙，直至充满；
a8.：待本工作面采空区矿压稳定后，自切眼开始在实体煤沿砼墙掘进下一工作面回采巷道，将砼墙做为巷道一帮；
a9.沿空掘巷时，在砼墙顶部掏出容纳横向注浆管的孔洞，利用移动灌浆车和横向注浆管向采空区灌浆，进一步加固砼墙，并抑制有害气体涌出，一方面揭露注浆管后立即灌注水泥料浆，另一方面应使采空区的最小气压点远离作业区。
如图3所示，当隅角施工区无积水的情况下步骤如下：
b1.在临近下一工作面的回采巷道，工作面前沿非回采侧即行人侧顶板的顶网上预设2根指向采空区的注浆钢管；注浆钢管用铁丝直接绑在顶板支护钢筋网上，两根并排交替布置；
b2.在该巷道超前工作面区域设置移动混凝土输送泵，通过管道与第一步顶板预设管路相连；
b3.混凝土输送泵制浆并向采空区隅角区域输送浇筑混凝土，形成砼墙。
所述混凝土浆液的制浆骨料采用粉碎后的矸石，粒径5～10mm，混凝土浆液由水泥、骨料、砂、速凝剂、水配合而成，质量配合比为0.141:0.45:0.312:0.001:0.096。
所述注浆钢管包括两根等长的花管和无缝钢管构成，花管和无缝钢管长度与采空区垮落相符，布置时一根注浆钢管的花管布置在采空区上方，无缝钢管设置在工作面上方，另一根注浆钢管的花管布置在工作面上方，两根形成交替，从而保证沿巷道任何一点都可以出浆，并保证每次与移动注浆泵只连接一根注浆钢管；所述注浆钢管采用DN219，每根花管长度为10米，普通无缝钢管为10 米，花管与普通无缝钢管之间采用丝扣连接，与下一根留空隙0.5m。
若遇工作面下坡时混凝土浆液容易回流入工作面的情况，需要在隅角区第一台液压支架与巷帮之间垛沙袋阻挡，同时在端头架掩护梁尾部焊接软性挡板耷拉到底板来阻挡混凝土浆液回流；充填筑帮不进行支护，顶板和另一帮利用全长锚固锚网索支护，并使用马丽散加固材料，深度6米以内。
如图1所示，深采矿井盘区内第一个工作面回采后，形成的“拱”较低，待第2个工作面回采后，会活化原第一个工作面的“三带”，使冒落带和裂隙带进一步向上发育，2个工作面的受力拱会重叠、扩展，形成一个更大、更高的拱。一个盘区多个工作面顺序开采后，沿工作面方向取剖面，会是一个“多跨叠加拱”，上覆岩层压力一部分由下伏冒落带、裂隙带承受，另一部分由煤柱及未采区支撑。
Claims (10)
1.一种煤矿冲击地压治理方法，其特征在于步骤如下：
a、在本工作面开采过程中沿回采巷道非回采一侧，即隅角区充填浇筑混凝土，自切眼开始随着回采一直施工至停采进行充填筑帮，从而形成一道砼墙；
b、待工作面采空区矿压稳定后，自本工作面的切眼开始在未采区煤层沿砼墙掘进下一工作面回采巷道形成沿空掘巷，砼墙为巷道一帮；
c、以本沿空掘巷做为工作面其中一条回采巷道，另外掘一条回采巷道和切眼，形成综采工作面；
d、在回采此工作面时，另外步骤a到步骤c实现无煤柱开采治理冲击地压。
2.根据权利权利要求1所述的煤矿冲击地压治理方法，其特征在于当隅角施工区有积水的情况下具体施工步骤如下：
a1.在工作面回采巷道掘进时,沿非回采一侧顶板施工一排恒阻力锚索以减少受采动影响，确保顶板完整；
a2.在本工作面回采时沿巷道顶板中部布置一排爆破孔，并在孔中装药，在本工作面回采支架前起爆，使爆破切顶在工作面后发生，在巷道顶板中部形成一道贯通整个巷道的切顶线，以保证巷道行人侧顶板完整，同时减少下沉量；
a3.沿该巷道非回采一侧顶板上利用顶网每隔10m绑扎一根横向注浆管，一端指向巷帮，另一端指向采空区，
a4.在底板低洼处铺设横向排水管，排水管两端沟通巷帮和采空区，用以对采空区排水；
a5.在工作面回采前，沿该巷道非回采一侧的支架上贴帮挂好柔模，同时确保不影响工作面设备移动，
a6.在工作面前方巷道设置移动注浆站，利用注浆管向柔模输入调配好的混凝土浆液直至冠灌满接顶，等待混凝土浆液凝固从而形成与回采巷道接顶的柔模混凝土墙，柔模混凝土墙将沿空掘巷时形成与采空区之间隔离并提供顶板支护；
a7.随工作面推进移动支架，并在支架移动后重复步骤五和步骤六浇筑柔模混凝土，构成支护混凝土墙，直至充满；
a8.：待本工作面采空区矿压稳定后，自切眼开始在实体煤沿砼墙掘进下一工作面回采巷道，将砼墙做为巷道一帮；
a9.沿空掘巷时，在砼墙顶部掏出容纳横向注浆管的孔洞，利用移动灌浆车和横向注浆管向采空区灌浆，进一步加固砼墙，并抑制有害气体涌出，一方面揭露注浆管后立即灌注水泥料浆，另一方面应使采空区的最小气压点远离作业区。
3.根据权利权利要求1所述的煤矿冲击地压治理方法，其特征在于当隅角施工区无积水的情况下步骤如下：
b1.在临近下一工作面的回采巷道，工作面前沿非回采侧即行人侧顶板预设2根注浆钢管；注浆钢管用铁丝直接绑在顶板支护钢筋网上，两根并排交替布置；
b2.在该巷道超前工作面区域设置移动混凝土输送泵，通过管道与第一步顶板预设管路相连；
b3.混凝土输送泵制浆并向采空区隅角区域输送浇筑混凝土，形成砼墙。
4.根据权利要求2所述的煤矿冲击地压治理方法，其特征在于：所述的排恒阻力锚索垂直打入顶板，距非回采一侧边缘1.5m，其他支护形式不变。
5.根据权利要求2所述的煤矿冲击地压治理方法，其特征在于：所述爆破孔间距12-15m，仰角25°，投影到平面平行于巷道，自工作面前100-500m打眼，孔直径75mm，孔深30-35m，爆破药量40Kg/孔，起爆时间支架顶梁前2-5m；所述每段柔模撑开长度10m，宽度1.0m，向工作面外侧上部留有注浆口，柔模之间不留空隙；在柔模混凝土墙施工完成后需要在刚浇筑后沿顶再封堵一遍，以保证柔模混凝土墙的接顶密封效果，同时保证第二步中爆破切顶与第六步中灌注柔模时间间隔超过1小时。
6.根据权利要求1所述的煤矿冲击地压治理方法，其特征在于：所述混凝土浆液的制浆骨料采用粉碎后的矸石，粒径5~10mm，混凝土浆液由水泥、骨料、砂、速凝剂、水配合而成，质量配合比为0.141:0.45:0.312:0.001:0.096。
7.根据权利要求2所述的煤矿冲击地压治理方法，其特征在于：所述后期掘进下一工作面回采巷道时，每掘进10m揭露注浆管后，即向采空区灌注混凝土，注浆管为DN108钢管，长度1.4m，后期为形成下一工作面，沿空掘巷时向本工作面采空区注浆，用以加固巷帮，并且抑制有害气体涌出。
8.根据权利要求3所述的煤矿冲击地压治理方法，其特征在于：在本工作面前沿非回采侧即行人侧顶板利用设置在顶网上2根指向采空区的注浆钢管对采空区进行注浆，所述注浆钢管包括两根等长的花管和无缝钢管构成，花管和无缝钢管长度与采空区垮落相符，布置时一根注浆钢管的花管布置在采空区上方，无缝钢管设置在工作面上方，另一根注浆钢管的花管布置在工作面上方，两根形成交替，从而保证沿巷道任何一点都可以出浆，并保证每次与移动注浆泵只连接一根注浆钢管。
9.根据权利要求3所述的煤矿冲击地压治理方法，其特征在于：所述注浆钢管采用DN219，每根花管长度为10米，普通无缝钢管为10米，花管与普通无缝钢管之间采用丝扣连接，与下一根留空隙0.5m。
10.根据权利要求3所述的煤矿冲击地压治理方法，其特征在于：若遇工作面下坡时混凝土浆液容易回流入工作面的情况，需要在隅角区第一台液压支架与巷帮之间垛沙袋阻挡，同时在端头架掩护梁尾部焊接软性挡板耷拉到底板来阻挡混凝土浆液回流；充填筑帮不进行支护，顶板和另一帮利用全长锚固锚网索支护，并使用马丽散加固材料，深度6米以内。
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