用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法.pdf

本发明公开了一种用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，属于采煤安全生产工艺技术领域。能有效保证在倾斜煤层坚硬顶板条件下实施机械化开采的安全性，并大幅降低此类条件下采煤风险的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法。所述的治理方法包括以下步骤，工作面开采煤层切眼处顶板的拉槽弱化爆破；分别通过回风巷和运输巷顺槽，按一定步距对工作面开采煤层的顶板进行超前弱化爆破；利用工作面的回风巷尾巷上隅角处对顶板进行爆破处理，依此类推，按上述的步距根据采煤进度，重复上述相应步骤直到弱化和冒落完成整个工作面采煤层的顶板，这样便完成了一个大倾角煤层顶板灾害的治理工作。

1.  一种用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：包括以下步骤，
a对工作面开采煤层切眼处(1)的顶板(2)进行浅孔拉槽爆破，弱化切眼处的顶板(2)；
b分别通过回风巷(3)和运输巷(4)顺槽，按一定步距对工作面煤层顶板进行超前深孔弱化爆破，以超前弱化工作面的顶板(2)，并跟进进行开采；
c利用工作面的回风巷(3)尾巷上隅角处对顶板(2)进行爆破处理，冒落所述工作面采空区上隅角尾巷的顶板(2)回填工作面采空区的上隅角三角区；
依此类推，按上述的步距根据采煤推进度，重复上述步骤b和步骤c的工作，直到弱化和冒落完成整个工作面开采煤层的顶板(2)，这样便完成了一个大倾角煤层顶板灾害的治理工作。

2.  根据权利要求1所述的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：步骤a中，在对工作面开采煤层切眼处的顶板(2)进行拉槽爆破时，采用沿煤层倾斜方向延伸的单排拉槽炮孔进行弱化爆破；步骤b中，对工作面开采煤层顶板进行超前弱化爆破时，在运输巷(4)内顺槽按上述步距采用倾斜向上，伸入所述工作面开采煤层顶板的双层双排弱化炮孔爆破，在回风巷(3)内顺槽按上述步距采用倾斜向下，沿所述回风巷横截面伸入所述工作面开采煤层顶板的单排弱化炮孔爆破。

3.  根据权利要求2所述的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：在拉槽爆破中，相邻两个拉槽炮孔之间的孔距与单一个炮孔爆破后的压碎区半径与裂隙区直径之和相适应，
其中，所述的压碎区半径Rc=(0.2ρscp2σc)(ρsD2/8)/σ0rb4,]]>
式中：R_c——为粉碎区半径(m)；
ρ_s——岩石密度(kg/m³)；
c_p——岩石纵波速度(m/s)；
r_b——炮孔半径(m)；
D——炸药爆速(m/s)；
σ₀——多向应力条件下岩石强度(Pa)；
所述的裂隙区半径Rp=[18ρsD2(rcrb)σt]12rb,]]>
式中：R_p——为破裂区半径(m)；
p_j——作用于炮孔壁的准静压力(Pa)；
σ_t——岩石的抗拉强度(Pa)；
r_b——为炮孔半径(m)；
r_c——为装药半径(m)；
D——炸药爆速(m/s)；
ρ_s——岩石密度(kg/m³)；
并且每一个炮孔的深度在2-3m之间。

4.  根据权利要求2所述的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：步骤b的超前弱化爆破中，在运输巷(4)内顺槽按所述步距采用双层双排弱化炮孔爆破时，所述的双层双排弱化炮孔组(5)内的各炮孔(6)的孔距和排距均为0.5m，其中最上一层炮孔(6)距运输巷(4)顶壁的距离不超过0.6m；在回风巷(3)内顺槽按所述步距，采用沿所述回风巷横截面方向布置的单排弱化炮孔组(7)包括的爆孔(6)至少3个，在每一单排弱化炮孔组(7)中，相邻两个爆孔(6)之间的孔距不小于0.4m，其中最上面一个炮孔(6)距回风巷顶壁(3)的距离不超过0.5m。

5.  根据权利要求1～4中任一项所述的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：在运输巷(4)内相邻两组双层双排弱化炮孔组(5)沿运输巷(4)顺槽方向的步距，与在回风巷(3)内相邻两组单排弱化炮孔组(7)沿回风巷(3)顺槽方向的步距相适应，并且均不超过25m。

6.  根据权利要求5所述的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：构成每一组所述的双层双排弱化炮孔组(5)的四个炮孔(6)，在顶板(2)垂直面内的投影呈扇形的布置在相应位置的工作面开采煤层顶板内，并且所述的四个炮孔(6)沿所述顶板(2)向上倾斜伸入顶板(2)的最大深度不超过40m。

7.  根据权利要求5所述的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：构成每一组所述的单排弱化炮孔组(7)的三个炮孔(6)，在顶板(2)垂直面内的投影呈扇形的布置在相应位置的工作面开采煤层顶板内，并且所述的三个炮孔(6)沿所述顶板向下倾斜伸入顶板(2)的最大深度不超过20m。

8.  根据权利要求5所述的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：在拉槽 爆破中，一次起爆3个炮孔(6)，每次起爆的最大药量不超过250kg，起爆顺序为先从运输巷(4)槽端起爆，一直起爆到回风巷(3)槽端；在弱化超前爆破中，按步距和掘进进度分组顺序起爆，其中，运输巷(4)顺槽4个炮孔(6)在全部装好药后，先起爆对角线上的两个炮孔(6)，再起爆另一条对角线上的两个炮孔(6)，回风巷(3)顺槽的3个炮孔一次起爆。

9.  根据权利要求5所述的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：步骤b中，超前弱化爆破的超前距离距工作面开采区不低于40m。

10.  根据权利要求1所述的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，其特征在于：在步骤c中，对工作面采空区上隅角尾巷顶板进行冒落爆破时，采用仰角炮孔组(8)和水平角炮孔组(9)分别进行冒落爆破，所述的仰角炮孔组(8)和所述的水平角炮孔组(9)位于所述回风巷顶板的同一横截面内；所述的仰角炮孔组(8)由两个炮孔(6)构成，所述的两个炮孔(6)沿所述回风巷(3)横截面呈扇形的布置所述的回风巷顶板内，其整体布置位置靠近所述工作面采空区上隅角处；所述的水平角炮孔组(9)由四个炮孔(6)构成，所述四个炮孔(6)的中心线呈锥台的布置在所述工作面采空区上隅角尾巷顶板内，其整体布置位置为所述锥台的尾部靠近所述回风巷(3)的顶板。

用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法
技术领域
本发明涉及一种治理方法，尤其是涉及一种用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，属于采煤安全生产工艺技术领域。
背景技术
代表煤层坚硬光滑顶底板类型的某工作面概况为:工作面开采煤层定义为1#煤层，走向长度大约562m，平均倾向长度94m左右，煤层平均倾角为40°左右，煤层平均采高为3.0m左右；采空后的煤层顶底板特点为坚硬光滑，人员站立及行走都十分困难，尤其是煤层顶板坚硬而完整。此工作面顶底板情况：工作面无伪顶与直接顶，基本顶为灰色巨厚层状粗砂岩～含砾粗砂岩，厚度平均为13.7m左右；直接底为灰色中厚层状粉砂岩，局部含细粒砂岩，厚度平匀为5.0m左右。此顶板在工作面回采推进时不会直接随重力塌落，往往要延伸较远通常达到几十米甚至百多米的距离后才会整体塌落，这对工作面开采及人员、设备造成极大的安全风险，也是出现冒顶事故的最重要、最直接的原因。坚硬难垮落顶板工作面与常规工作面相比，有如下几点安全隐患：一是矿压显现距离，二是产生暴风，三是顶板切冒，四是瓦斯大量涌出乃至发生瓦斯爆炸。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能有效保证在倾斜煤层坚硬顶板条件下实施机械化开采的安全性，并大幅降低此类条件下采煤风险的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法，包括以下步骤，
a对工作面开采煤层切眼处的顶板进行浅孔拉槽爆破，弱化切眼处的顶板；
b分别通过回风巷和运输巷顺槽，按一定步距对工作面煤层顶板进行超前深孔弱化爆破，以超前弱化工作面的顶板，并跟进进行开采；
c利用工作面的回风巷尾巷上隅角处对顶板进行爆破处理，冒落所述工作面采空区上隅角尾巷的顶板回填工作面采空区的上隅角三角区；
依此类推，按上述的步距根据采煤推进度，重复上述步骤b和步骤c的工作，直到弱化和冒落完成整个工作面开采煤层的顶板，这样便完成了一个大倾角煤层顶板灾害的治理工作。
本发明的有益效果是：在工作面开采前先对开采煤层切眼处的顶板进行浅孔拉槽爆破，从源头破坏顶板的完整性，然后再对工作面的顶板进行超前弱化爆破，工作面随后进行跟进开采，这样，当煤层被开采形成采空区后，由于顶板事先已被弱化，随着采煤推进进度顶板 自然垮落，避免形成大面积采空区悬顶，从而降低工作面开采危险系数，保证了在倾斜煤层坚硬顶板条件下实施机械化开采的安全性，并大幅降低类似条件下开采的风险性。
进一步的是，步骤a中，在对工作面开采煤层切眼处的顶板进行拉槽爆破时，采用沿煤层倾斜方向延伸的单排拉槽炮孔进行弱化爆破；步骤b中，对工作面开采煤层顶板进行超前弱化爆破时，在运输巷内顺槽按上述步距采用倾斜向上，伸入所述工作面开采煤层顶板的双层双排弱化炮孔爆破，在回风巷内顺槽按上述步距采用倾斜向下，沿所述回风巷横截面伸入所述工作面开采煤层顶板的单排弱化炮孔爆破。
上述方案的优选方式是，在拉槽爆破中，相邻两个拉槽炮孔之间的孔距与单一个炮孔爆破后的压碎区半径与裂隙区直径之和相适应，
其中，所述的压碎区半径Rc=(0.2ρscp2σc)4(ρsD2/8)/σ0rb,]]>
式中：R_c——为粉碎区半径(m)；
ρ_s——岩石密度kg/m³；
c_p——岩石纵波速度(m/s)；
r_b——炮孔半径(m)；
D——炸药爆速(m/s)；
σ₀——多向应力条件下岩石强度(Pa)；
所述的裂隙区半径Rp=[18ρsD2(rcrb)σt]12rb,]]>
式中：R_p——为破裂区半径(m)；
p_j——作用于炮孔壁的准静压力(Pa)；
σ_t——岩石的抗拉强度(Pa)；
r_b——为炮孔半径(m)；
r_c——为装药半径(m)；
D——炸药爆速(m/s)；
ρ_s——岩石密度(kg/m³)；
并且每一个炮孔的深度在2-3m之间。
进一步的是，步骤b的超前弱化爆破中，在运输巷内顺槽按所述步距采用双层双排弱化炮孔爆破时，所述的双层双排弱化炮孔组内的各炮孔的孔距和排距均为0.5m，其中最上一层炮孔距运输巷顶壁的距离不超过0.6m；在回风巷内顺槽按所述步距，采用沿所述回风巷横截面方向布置的单排弱化炮孔组包括的爆孔至少3个，在每一单排弱化炮孔组中，相邻两个爆孔之间的孔距不小于0.4m，其中最上面一个炮孔距回风巷顶壁的距离不超过0.5m。
上述方案的优选方式是，在运输巷内相邻两组双层双排弱化炮孔组沿运输巷顺槽方向的步距，与在回风巷内相邻两组单排弱化炮孔组沿回风巷顺槽方向的步距相适应，并且均不超过25m。
进一步的是，构成每一组所述的双层双排弱化炮孔组的四个炮孔，在顶板垂直面内的投影呈扇形的布置在相应位置的工作面开采煤层顶板内，并且所述的四个炮孔沿所述顶板向上倾斜伸入顶板的最大深度不超过40m。
进一步的是，构成每一组所述的单排弱化炮孔组的三个炮孔，在顶板垂直面内的投影呈扇形的布置在相应位置的工作面开采煤层顶板内，并且所述的三个炮孔沿所述顶板向下倾斜伸入顶板的最大深度不超过20m。
进一步的是，在拉槽爆破中，一次起爆3个炮孔，每次起爆的最大药量不超过250kg，起爆顺序为先从运输巷槽端起爆，一直起爆到回风巷槽端；在弱化超前爆破中，按步距和掘进进度分组顺序起爆，其中，运输巷顺槽4个炮孔在全部装好药后，先起爆对角线上的两个炮孔，再起爆另一条对角线上的两个炮孔，回风巷顺槽的3个炮孔一次起爆。
进一步的是，步骤b中，超前弱化爆破的超前距离距工作面开采区不低于40m。
进一步的是，在步骤c中，对工作面采空区上隅角尾巷顶板进行冒落爆破时，采用仰角炮孔组和水平角炮孔组分别进行冒落爆破，所述的仰角炮孔组和所述的水平角炮孔组位于所述回风巷顶板的同一横截面内；所述的仰角炮孔组由两个炮孔构成，所述的两个炮孔沿所述回风巷横截面呈扇形的布置所述的回风巷顶板内，其整体布置位置靠近所述工作面采空区上隅角处；所述的水平角炮孔组由四个炮孔构成，所述四个炮孔的中心线呈锥台的布置在所述工作面采空区上隅角尾巷顶板内，其整体布置位置为所述锥台的尾部靠近所述回风巷的顶板。
附图说明
图1为本发明涉及到的拉槽区爆破孔的布置示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3本发明涉及到的工作面开采煤层顶板超前弱化爆破爆孔的布置示意图；
图4为图3的B-B剖视图；
图5为本发明涉及到的双层双排弱化炮孔组在运输巷内的平面布置示意图；
图6为本发明涉及到的单排弱化炮孔组在回风巷内的平面布置示意图；
图7为回风巷上隅角爆孔布置示意图。
图中标记为：工作面开采煤层切眼处1、顶板2、回风巷3、运输巷4、双层双排弱化炮孔组5、炮孔6、单排弱化炮孔组7、仰角炮孔组8、水平角炮孔组9。
具体实施方式
如图1～图7所示是本发明提供的一种能有效保证倾斜煤层坚硬顶板条件下实施机械化开采安全性，并大幅降低类似条件下采煤风险的用于大倾角煤层顶板灾害的治理方法。所述治理方法包括以下步骤，
a对工作面开采煤层切眼处1的顶板2进行浅孔拉槽爆破，弱化切眼处的顶板2；
b分别通过回风巷3和运输巷4顺槽，按一定步距对工作面煤层顶板进行超前深孔弱化爆破，以超前弱化工作面的顶板2，并跟进进行开采；
c利用工作面的回风巷3尾巷上隅角处对顶板2进行爆破处理，冒落所述工作面采空区上隅角尾巷的顶板2回填工作面采空区的上隅角三角区；
依此类推，按上述的步距根据采煤推进度，重复上述步骤b和步骤c的工作，直到弱化和冒落完成整个工作面开采煤层的顶板2，这样便完成了一个大倾角煤层顶板灾害的治理工作。在工作面开采前先对开采煤层切眼处的顶板进行浅孔拉槽爆破，从源头破坏顶板的完整性，然后再对工作面的顶板进行超前弱化爆破，工作面随后进行跟进开采，这样，当煤层被开采形成采空区后，由于顶板事先已被弱化，随着采煤推进进度顶板自然垮落，避免形成大面积采空区悬顶，从而降低工作面开采危险系数，保证了在倾斜煤层坚硬顶板条件下实施机械化开采的安全性，并大幅降低类似条件下开采的风险性。
上述实方式中，为了提高工作面开采煤层切眼处1拉槽爆破的弱化效果，以及工作面开采煤层顶板超前弱化爆破的弱化效果，步骤a中，在对工作面开采煤层切眼处的顶板2进行拉槽爆破时，采用沿煤层倾斜方向延伸的单排拉槽炮孔进行弱化爆破；步骤b中，对工作面开采煤层顶板进行超前弱化爆破时，在运输巷4内顺槽按上述步距采用倾斜向上，伸入所述工作面开采煤层顶板的双层双排弱化炮孔爆破，在回风巷3内顺槽按上述步距采用倾斜向下，沿所述回风巷横截面伸入所述工作面开采煤层顶板的单排弱化炮孔爆破。同时，在拉槽爆破中，相邻两个拉槽炮孔之间的孔距与单一个炮孔爆破后的压碎区半径与裂隙区直径之和相适应；并且每一个炮孔的深度在2-3m之间。
其中，所述的压碎区半径Rc=(0.2ρscp2σc)4(ρsD2/8)/σ0rb,]]>
式中：R_c——为粉碎区半径(m)；
ρ_s——岩石密度kg/m³；
c_p——岩石纵波速度(m/s)；
r_b——炮孔半径(m)；
D——炸药爆速(m/s)；
σ₀——多向应力条件下岩石强度(Pa)；
所述的裂隙区半径Rp=[18ρsD2(rcrb)σt]12rb,]]>
式中：R_p——为破裂区半径(m)；
p_j——作用于炮孔壁的准静压力(Pa)；
σ_t——岩石的抗拉强度(Pa)；
r_b——为炮孔半径(m)；
r_c——为装药半径(m)；
D——炸药爆速(m/s)；
ρ_s——岩石密度(kg/m³)。
如图3～图6所示，根据工作面开采煤层的顶板的具体情况，为了减小在顶板2中钻设的炮孔6的数量，进而减小破爆用炸药用量以及爆破工作量，同时，又不至于降低工作面开采煤层顶板超前弱化爆破的弱化效果，步骤b的超前弱化爆破中，在运输巷4内顺槽按所述步距采用双层双排弱化炮孔爆破时，所述的双层双排弱化炮孔组5内的各炮孔6的孔距和排距均为0.5m，其中最上一层炮孔6距运输巷4顶壁的距离不超过0.6m；在回风巷3内顺槽按所述步距，采用沿所述回风巷横截面方向布置的单排弱化炮孔组7包括的爆孔6至少3个，在每一单排弱化炮孔组7中，相邻两个爆孔6之间的孔距不小于0.4m，其中最上面一个炮孔6距回风巷顶壁3的距离不超过0.5m；而且优选为在运输巷4内相邻两组双层双排弱化炮孔组5沿运输巷4顺槽方向的步距，与在回风巷3内相邻两组单排弱化炮孔组7沿回风巷3顺槽方向的步距相适应，并且均不超过25m；相应的构成每一组所述的双层双排弱化炮孔组5的四个炮孔6，在顶板2垂直面内的投影呈扇形的布置在相应位置的工作面开采煤层顶板内， 并且所述的四个炮孔6沿所述顶板2向上倾斜伸入顶板2的最大深度不超过40m；以及构成每一组所述的单排弱化炮孔组7的三个炮孔6，在顶板2垂直面内的投影呈扇形的布置在相应位置的工作面开采煤层顶板内，并且所述的三个炮孔6沿所述顶板向下倾斜伸入顶板2的最大深度不超过20m。
进一步的，为了最大限度的提高弱化爆破的弱化效果，同时又不影响煤层开采区的开采工作，根据掘进开采进度进行超前弱化爆破时的每一组双层双排弱化炮孔组5、第一组单排弱化炮孔组7以切眼处的拉槽爆破的起爆顺序如下，在拉槽爆破中，一次起爆3个炮孔6，每次起爆的最大药量不超过250kg，起爆顺序为先从运输巷4槽端起爆，一直起爆到回风巷3槽端；在弱化超前爆破中，按步距和掘进进度分组顺序起爆，其中，运输巷4顺槽4个炮孔6在全部装好药后，先起爆对角线上的两个炮孔6，再起爆另一条对角线上的两个炮孔6，回风巷3顺槽的3个炮孔一次起爆；并且超前弱化爆破的超前距离距工作面开采区不低于40m。
再结合图7，为了消除回风巷3上隅角处采空区的遗留灾害，最大限度的提高该上隅角采空区的冒落效果，在步骤c中，对工作面采空区上隅角尾巷顶板进行冒落爆破时，采用仰角炮孔组8和水平角炮孔组9分别进行冒落爆破，所述的仰角炮孔组8和所述的水平角炮孔组9位于所述回风巷顶板的同一横截面内；所述的仰角炮孔组8由两个炮孔6构成，所述的两个炮孔6沿所述回风巷3横截面呈扇形的布置所述的回风巷顶板内，其整体布置位置靠近所述工作面采空区上隅角处；所述的水平角炮孔组9由四个炮孔6构成，所述四个炮孔6的中心线呈锥台的布置在所述工作面采空区上隅角尾巷顶板内，其整体布置位置为所述锥台的尾部靠近所述回风巷3的顶板。
综上所述，采用本申请所述的治理方法后，对某大倾角煤层开采过程中的最深炮孔长度为60多米的顶板的灾害治理效果采用2种手段进行了监测，第一种手段采用钻孔窥视仪观测爆破前后岩体的裂隙，从而分析爆破效果；第二种手段通过监测工作面支架工作阻力，从而分析来压步距、动载系数等间接分析爆破效果。通过分析顶板冒落前后支架没有明显的压力陡增现象，支架压力值28～29MPa与额定阻力值40.79MPa仍有较大的差距，安全阀从未开启过。可见，在经过坚硬顶板的爆破处理后，其矿压显现现象和传统的初次来压、周期来压有所不同，回采过程中矿山压力没有特别明显的增大现象。分析其主要是由于人工爆破改变了顶板结构，将直接顶及部分基本顶崩碎，使得顶板垮落步距长短不一，没有明显的规律性。
从经济效益角度看，采用本申请所述的灾害处理方法消耗的主要费用及帐目情况如下：
1钻孔费用
6011工作面坚硬顶板治理过程中，钻孔总长度累计为10938m，具体如下：
(1)回风巷钻孔数：225个，孔深：6412m
(2)运输巷钻孔数：108个，孔深：4283m
(3)切眼钻孔数：23个，孔深：243m
钻孔人工费小计：10938m×31元/m＝339078元＝33.9万元
2设备费用
在6011工作面坚硬顶板治理过程中，共投入3台钻机，其中两台使用，一台备用，钻机型号：ZY-650、ZL-500
钻机费用小计：66660元/台×3台＝199980元＝20万元
配件、材料费用：整个实施期间，投入材料、配件费用合计73.9万元，
3火工品费用
6011工作面治理坚硬顶板期间共消耗火工用品费用共计31.5万元，具体如下：
(1)导爆索：20735m
费用小计：20735m×5.68元/m＝117774.8元
(2)炸药：20004kg
费用小计：20004kg×9.782元/kg＝195679.128元
(3)电管：712发
费用小计：712发×2.26元/发＝1609.12元
4创造直接经济效益
6011工作面按走向550m、倾斜长度94m，工作面采出煤层2.8m，共采出煤炭Q为：
Q＝550×94×2.8×1.4＝202664_t
按每吨煤炭240元计算，创造价值4863.9万元；减去顶板治理费用200万元，净利润为4663.9万元。
从社会安全效益上看，主要有以下几点：
煤层坚硬顶板弱化治理后，项目的顺利开展对其它工作面乃至其它矿井类似条件下坚硬顶板的治理提供了借鉴作用，使人们对坚硬顶板的治理有了新的认识，该技术保障了该地区倾斜煤层坚硬顶板条件下机械化开采的安全性，相对传统的炮采而言提高了煤炭资源回收率，具有明显的技术优势。
通过对某工作面坚硬顶板治理过程的理论分析、数值模拟、以及现场工业性实践，认清了影响顶板垮落的各种因素，并分析了回采过程中矿压显现规律，为下一个工作面6012及其后的工作面开采提供了指导方法，使本矿区坚硬顶板下煤层开采提高到一个新的水平。