一种针对连续多层坚硬顶板煤层的高低位断顶卸压方法
阅读说明：本技术 一种针对连续多层坚硬顶板煤层的高低位断顶卸压方法 (High-low top-breaking pressure relief method for continuous multi-layer hard roof coal seam ) 是由 董近兴 郭晓胜 吕卫东 宋士康 司雷 张涛 任康江 刘鹏 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于煤炭开采技术领域,具体公开了一种针对连续多层坚硬顶板煤层的高低位断顶卸压方法,包括利用关键层理论,计算出具有可压裂性的多个预地面压裂岩层,确定断顶层位；根据断顶层位和钻机施工能力设计钻孔倾角、孔深,分别从回风顺槽和运输顺槽向断顶层位钻孔；合理组织顶板爆破孔施工,保证断顶工程超前工作面不少于采动影响范围,降低施工期间的冲击威胁；合理选择装药爆破时机,同组扇形孔同时起爆；通过微震法或钻屑法对施工范围开展效果检验。本发明在一定程度上解决了多层坚硬顶板关键层的冲击地压煤层安全开采的问题,具有一定的创新性和推广应用价值,同时具有显著的社会效益。(The invention belongs to the technical field of coal mining, and particularly discloses a high-low top breaking pressure relief method for a continuous multilayer hard roof coal seam, which comprises the steps of calculating a plurality of pre-ground fractured rock layers with the capability of fracturing by utilizing a key layer theory, and determining a top breaking layer position; designing a drill hole inclination angle and a hole depth according to the broken top layer position and the construction capacity of the drilling machine, and drilling holes from the return air gateway and the transportation gateway to the broken top layer position respectively; the roof blast hole construction is reasonably organized, the advance working face of the broken roof engineering is not less than the mining influence range, and the impact threat during the construction period is reduced; the charging blasting time is reasonably selected, and the same group of fan-shaped holes are detonated simultaneously; and carrying out effect inspection on the construction range by a micro-seismic method or a drilling cutting method. The invention solves the problem of safe exploitation of rock burst coal seams of key layers of a plurality of layers of hard top plates to a certain extent, has certain innovativeness and popularization and application values, and has remarkable social benefits.)
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，特别涉及一种针对连续多层坚硬顶板煤层的高低位断顶卸压方法。
背景技术
近年来，随着我国煤矿开采深度的逐年增加，很多矿区冲击矿压问题越来越严重，造成这一问题的很大一部分因素是采空区顶板过于坚硬难以垮落。坚硬顶板在煤矿开采过程中如果不能及时的卸压处理，极其的容易形成大面积悬顶，这种悬顶一旦出现断裂，会瞬间导致巷道破坏，严重威胁着煤矿安全。
但是，由于坚硬顶板距离煤层远、厚度大，处理难度极大，投入成本高，目前采用的卸压措施，如顶板爆破和水力压裂，施工场所都是位于煤矿井下的巷道及硐室内，只能对小范围内的低位顶板岩层进行局部预裂，对于高位厚层坚硬顶板，上述方法还难以实现大范围处理，这是造成冲击地压事故频繁发生的重要原因之一。
因此，提供一种针对连续多层坚硬顶板煤层的高低位断顶卸压方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种针对连续多层坚硬顶板煤层的高低位断顶卸压方法。
本发明提供了一种针对连续多层坚硬顶板煤层的高低位断顶卸压方法，包括以下步骤：
步骤1：利用关键层理论，计算出具有可压裂性的多个预地面压裂岩层，确定断顶层位；
步骤2：根据断顶层位和钻机施工能力设计钻孔倾角、孔深，分别从回风顺槽和运输顺槽向断顶层位钻孔；
步骤3：合理组织顶板爆破孔施工，保证断顶工程超前工作面不少于采动影响范围，降低施工期间的冲击威胁；
步骤4：合理选择装药爆破时机，同组扇形孔同时起爆；
步骤5：通过微震法或钻屑法对施工范围开展效果检验。
进一步的方案为，根据所述多个预地面压裂岩层，利用岩层释放能量衰减特征计算出所述多个预地面压裂岩层传递至工作面煤层的剩余能量。
进一步的方案为，所述步骤2中，断顶层位包括粗粒砂岩层、中粒砂岩层、细粒砂岩层和泥岩层，所述粗粒砂岩层的层厚为20.08m，所述中粒砂岩层的层厚为13.03m，所述细粒砂岩层的层厚为10.79m，所述泥岩层的层厚为1.25m。
进一步的方案为，所述细粒砂岩层的倾角为40°，所述中粒砂岩层的倾角为50°，所述粗粒砂岩层的倾角为60°。
进一步的方案为，钻孔分别贯穿断顶层位。
进一步的方案为，诉述回风顺槽和运输顺槽分别按照所述倾角钻孔，钻孔数量为6个，形成扇形孔。
进一步的方案为，爆破深度的确定应符合深入应力集中区的原则，爆破范围应在应力集中区：根据压碎区和破裂区的宽度确定孔距使相邻两爆孔的破碎区贯通；每个钻孔的装药长度为钻孔深度的1/3-1/2。
进一步的方案为，爆破方式采用毫秒雷管分组爆破。
进一步的方案为，爆破时同组扇形孔同时起爆。
进一步的方案为，所述微震法用于准确计算震源的位置和能量，所述钻屑法通过煤粉量的测量确定巷道围岩的应力状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明在一定程度上解决了多层坚硬顶板关键层的冲击地压煤层安全开采的问题，具有一定的创新性和推广应用价值，同时具有显著的社会效益。
(2)采用高低位顶板预裂爆破孔方式处理坚硬顶板，能够有效增强断顶效果，控制工作面推采期间周期来压步距，实现安全生产。
附图说明
以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：
图1：本发明高低位断顶卸压方法的流程图；
图2：高低位断顶预裂爆破钻孔布置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种针对连续多层坚硬顶板煤层的高低位断顶卸压方法，包括以下步骤：
步骤1：利用关键层理论，计算出具有可压裂性的多个预地面压裂岩层，确定断顶层位；
步骤2：根据断顶层位和钻机施工能力设计钻孔倾角、孔深，分别从回风顺槽和运输顺槽向断顶层位钻孔；
步骤3：合理组织顶板爆破孔施工，保证断顶工程超前工作面不少于采动影响范围，降低施工期间的冲击威胁；
步骤4：合理选择装药爆破时机，同组扇形孔同时起爆；
步骤5：通过微震法或钻屑法对施工范围开展效果检验。
具体的，根据矿井地质资料计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的高度，对照典型钻孔柱状图在裂隙带高度范围内确定需要进行改性卸压的目标岩层，再根据所述多个预地面压裂岩层，利用岩层释放能量衰减特征计算出所述多个预地面压裂岩层传递至工作面煤层的剩余能量。
在本实施例中，煤矿所采煤层为4#煤，经由北京煤科院岩石力学实验室根据送检煤样测定的数据，依据国家标准GB/T 25217.2-2010《煤的冲击倾向分类及指数的测定方法》，判定4煤层属于Ⅲ类，为具有强冲击倾向性的煤层；顶、底板岩层均属于Ⅱ类，为弱冲击倾向性的顶、底板岩层。目前，矿井已开拓至三盘区，三盘区地质条件较一盘区、二盘区有较大变化，主要表现在煤层上方赋存有连续3层单层厚度大于10m的坚硬砂岩关键层，对关键层的断顶处理能有效减弱回采工作面及两顺槽应力集中程度，降低冲击危险性。
如图2所示，步骤2中，断顶层位包括粗粒砂岩层、中粒砂岩层、细粒砂岩层和泥岩层，所述粗粒砂岩层的层厚为20.08m，所述中粒砂岩层的层厚为13.03m，所述细粒砂岩层的层厚为10.79m，所述泥岩层的层厚为1.25m，所述细粒砂岩层的倾角为40°，所述中粒砂岩层的倾角为50°，所述粗粒砂岩层的倾角为60°，钻孔分别贯穿断顶层位。由图2可知，所述细粒砂岩层的钻孔长度为10.79/Sin40°，约为16.78m，中粒砂岩层的钻孔长度为13.3/Sin50°，约为17.36m，粗粒砂岩层的钻孔长度为20.08/Sin60°，约为23.18m。爆破长钻孔用来切断顶板高位超前支承压力的传播路径，爆破短钻孔用来切断顶板低位超前支承压力的传播路径，使得开采区域附近主体巷道免受回采动压显现的影响，改善巷道围岩应力环境，减弱巷道变形。
可选的，诉述回风顺槽和运输顺槽分别按照所述倾角钻孔，钻孔数量为6个，形成扇形孔，目的在于增强爆破效果。
可选的，爆破深度的确定应符合深入应力集中区的原则，爆破范围应在应力集中区：根据压碎区和破裂区的宽度确定孔距使相邻两爆孔的破碎区贯通；每个钻孔的装药长度为钻孔深度的1/3-1/2。装药量是关系爆破卸压效果的关键参数，不合理的装药量不仅不能达到卸压效果，反而还可能对巷道产生破坏，甚至诱发冲击地压，因此合理的装药量十分重要。层注水是通过高压向煤体注水，以改变煤体的物理性质及在煤岩体周围产生裂缝，起到降低煤体抗压强度和破坏原有结构以释放积累的能量，降低所受应力的目的，煤系地层岩层的单向抗压强度随着含水量的增加而降低。
可选的，爆破方式采用毫秒雷管分组爆破，爆破时同组扇形孔同时起爆，确保爆破效果。
在本实施例中，微震法可实时远距离、大范围监测整个矿井区域采掘活动引起的矿震，可准确计算震源的位置和能量。
钻屑法也叫煤粉钻孔法，是通过在煤层中打小直径(41-50mm)钻孔，根据排出的粉煤量及其变化规律及有关动力效应鉴别冲击危险的一种方法。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。