一种褶皱构造区冲击地压与瓦斯超限协同控制方法
阅读说明：本技术 一种褶皱构造区冲击地压与瓦斯超限协同控制方法 (Rock burst and gas overrun cooperative control method for fold structural area ) 是由 邰阳 于斌 张文阳 匡铁军 杨敬轩 孟祥斌 杨昆 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：一种褶皱构造区冲击地压与瓦斯超限协同控制方法,包括如下步骤：测量褶皱构造区内岩层的水平应力和垂直应力；构建所述褶皱构造区的三维实体模型,反演所述褶皱构造区的应力分布规律；划分冲击地压危险区域；所述冲击地压危险区域分为上层冲击地压危险区和最底层冲击地压危险区；所述冲击地压危险区域内,利用钻井平台打垂直井,使得所述垂直井井底穿过所述最底层冲击地压危险区；将乳化炸药输送到所述垂直井井底；采用炮泥封孔,并引出导爆索；激发所述导爆索,完成爆破。本发明能够有效减少褶皱构造区的构造应力,避免工作面瓦斯超限,具有控制范围大,劳动强度低等优点。(A method for cooperatively controlling rock burst and gas overrun in a fold structure area comprises the following steps: measuring horizontal stress and vertical stress of the rock stratum in the fold structure area; constructing a three-dimensional solid model of the fold structure area, and inverting a stress distribution rule of the fold structure area; dividing a rock burst dangerous area; the rock burst dangerous area is divided into an upper rock burst dangerous area and a bottommost rock burst dangerous area; in the rock burst dangerous area, a vertical well is drilled by using a drilling platform, so that the bottom of the vertical well penetrates through the bottommost rock burst dangerous area; delivering an emulsion explosive to the bottom of the vertical well; sealing holes by using stemming, and leading out a detonating cord; and exciting the detonating cord to finish blasting. The invention can effectively reduce the structural stress of the fold structural area, avoids the gas overrun of the working surface, and has the advantages of large control range, low labor intensity and the like.)
技术领域
本发明涉及采煤技术领域，具体涉及一种褶皱构造区冲击地压与瓦斯超限协同控制方法。
背景技术
褶皱构造是煤矿最为常见的地质构造之一，是煤岩层在水平应力和垂直应力的挤压、扭转等作用下发生的一种弯曲变形。在褶皱构造区内坚硬顶板围岩应力一般远高于原岩应力，是煤矿发生冲击地压灾害的危险地区；高瓦斯矿井在我国西南地区、淮南地区普遍存在，其指的是相对瓦斯涌出量大于10m3/t或绝对瓦斯涌出量大于40m3/min的矿井，是瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出的高发区域。高瓦斯矿井褶皱构造区极易发生冲击地压，出现瓦斯超限问题。
针对褶皱构造区的冲击地压和瓦斯超限问题一般采用是顶板深孔爆破和钻孔瓦斯抽采联合治理方法。然而，顶板深孔爆破控制的冲击地压范围有限，井下钻孔、装药等工序劳动强度高；钻孔瓦斯抽采需要在工作面开采前完成，影响采区接替。因此，目前急需要一种控制范围广、劳动强度低，同时不影响采区工作面接替的褶皱构造区冲击地压与瓦斯超限协同控制方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种褶皱构造区冲击地压与瓦斯超限协同控制方法，有效减少褶皱构造区的构造应力，避免工作面瓦斯超限，增大控制范围，降低劳动强度，不影响采区工作面接替。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种褶皱构造区冲击地压与瓦斯超限协同控制方法，包括如下步骤：
a、测量褶皱构造区内岩层的水平应力和垂直应力；
b、构建所述褶皱构造区的三维实体模型，反演所述褶皱构造区的应力分布规律；
c、划分冲击地压危险区域；所述冲击地压危险区域分为上层冲击地压危险区和最底层冲击地压危险区；
d、所述冲击地压危险区域内，利用钻井平台打垂直井，使得所述垂直井井底穿过所述最底层冲击地压危险区；
e、将乳化炸药输送到所述垂直井井底；
f、采用炮泥封孔，并引出导爆索；
g、激发所述导爆索，完成爆破；
h、重复步骤e～g，依次对所述上层冲击地压危险区各顶板进行所述乳化炸药的输送、封孔和引爆。
优选的，在步骤h之后，还包括步骤：
i、沿着水平方向移动一定距离，利用所述钻井平台打垂直井，使得所述垂直井井底穿过所述最底层冲击地压危险区，重复步骤e～h对所述冲击地压危险区域进行所述乳化炸药的输送、封孔和引爆；
j、反复执行步骤i，直到垂直钻井距离所述冲击地压危险区域右侧边界处；
k、沿着垂直方向移动一定距离，重复步骤i～j，在所述垂直方向完成所述冲击地压危险区域钻井、所述乳化炸药的输送、封孔和引爆；
l、当工作面与所述垂直井在所述水平方向一定距离时，采用所述垂直井抽排瓦斯。
优选的，步骤i中沿着水平方向移动一定距离前，设定垂直井初次位置，所述垂直井初次位置距所述左侧边界水平距离为P1，距所述前侧边界垂直距离为Q1，步骤i所述垂直井在所述水平方向移动距离为S1、步骤k所述垂直方向移动距离为S2，其间存在如下关系：S1＝(0.80～0.90)P1、S2＝(0.80～0.90)Q1。
优选的，所述垂直井抽排瓦斯时所述工作面与所述垂直井水平方向距离为S3，所述S3与所述煤层厚度h相关，当0<h≤4.5m，S3＝50～60m；4.5m<h≤8.8m，S3＝60～80m；h>8.8m时，S3＝80～100m。
优选的，将所述煤层顶板厚度大于H且Mises应力大于σ的区域划分为所述冲击地压危险区域，所述煤层顶板厚度阈值H为10m，而Mises应力阈值σ与顶板单轴抗压强度σ0存在如下关系：σ＝0.4σ0。
优选的，所述乳化炸药爆速为v，所述爆速v在3500～5000m/s。
优选的，所述垂直井初次位置距所述左侧边界水平距离P1和所述前侧边界垂直距离Q1均与所述乳化炸药爆速v、基本顶的普氏系数f相关，当3500≤v≤4000时，当4000<v≤5000时，式中L0＝1m/s。
优选的，所述垂直井的直径为D1，所述直径为D1的垂直井与基本顶单轴抗压强度σc、基本顶水平应力σx相关，当0<σc≤50MPa，且0<σx<7.5MPa时，D1＝200mm；当0<σc≤50MPa，且σx≥7.5MPa时，D1＝275mm；当σc≥50MPa，且0<σx≤6MPa时，D1＝300mm；当σc≥50MPa，且σx>6MPa时，D1＝320mm。
优选的，将所述爆速为v的乳化炸药输送到所述垂直井井底，当所述乳化炸药输送的累计高度超过所述冲击地压区域最底层厚度的1/m时，停止输送；其中m与顶板的普氏系数f相关，当0<f<6时，m＝6；当6≤f<9，m＝5；f≥9时，m＝4。
优选的，所述炮泥封孔长度为L，L与所述乳化炸药的累计输送长度L1存在如下关系：L≥0.35L1。
本发明提供的一种褶皱构造区冲击地压与瓦斯超限协同控制方法，与现有技术相比具有以下优点：
本发明通过在水平方向、垂直方向一定范围内，利用钻井平台打直径为D1的垂直井，使得垂直井井底穿过冲击地压危险区域最底层，对冲击地压危险区域进行乳化炸药输送、封孔和引爆；爆破褶皱构造区内冲击地压危险区域，形成破碎带吸收开采过程中顶板释放的能量，既能够保证对冲击地压区域达到卸压效果，也能保证爆破产生的冲击振动对工作面扰动在可接受范围。在有效减少褶皱构造区的构造应力、避免工作面瓦斯超限的同时，具有控制范围大；劳动强度低；不影响采区工作面接替等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为褶皱构造区立体剖面图；
图2为褶皱构造区主视图；
图3为褶皱构造区俯视图。
图中：1-褶皱构造区，2-煤层，3-冲击地压危险区域，4-左侧边界，5-前侧边界，6-钻井平台，7-垂直井，8-乳化炸药，9-炮泥，10-导爆索，11-水平方向，12-垂直方向，13-工作面，14-基本顶，15-K3岩层，16-K4岩层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步说明：
实施例1
如图1-3所示，一种褶皱构造区冲击地压与瓦斯超限协同控制方法，包括如下步骤：
a、采用水压致裂法测量褶皱构造区1内岩层的水平应力和垂直应力；为褶皱区域构造应力反演提供数据支撑；
b、采用Catia、SolidEdge或Rhino等建模软件构建所述褶皱构造区1的三维实体模型，并导入MARC或3DEC或者FLAC3D等数值计算软件内加载步骤a中测量的水平应力和垂直应力，利用地应力平衡程序平衡地应力，反演所述褶皱构造区1应力分布规律，为确定冲击矿压潜在区域提供可能，避免了不必要的压裂造成的成本高的问题；
c、划分冲击地压危险区域3；所述冲击地压危险区域3分为上层冲击地压危险区301和最底层冲击地压危险区302；将所述煤层2顶板厚度大于H且Mises应力大于σ的区域划分为所述冲击地压危险区域3，所述煤层2顶板厚度阈值H为10m，而Mises应力阈值σ与顶板单轴抗压强度σ0存在如下关系：σ＝0.4σ0。采用该标准确定褶皱区域的冲击地压潜在区域，实现冲击地压精准解危。
d、所述冲击地压危险区域3内，利用钻井平台6打垂直井7，使得所述垂直井7井底穿过所述最底层冲击地压危险区302；保证冲击地压解危范围能够覆盖到危险区域边界；所述垂直井7的直径为D1，所述直径为D1的垂直井7与基本顶单轴抗压强度σc、基本顶水平应力σx相关，当0<σc≤50MPa，且0<σx<7.5MPa时，D1＝200mm；当0<σc≤50MPa，且σx≥7.5MPa时，D1＝275mm；当σc≥50MPa，且0<σx≤6MPa时，D1＝300mm；当σc≥50MPa，且σx>6MPa时，D1＝320mm。
e、将乳化炸药8输送到所述垂直井7井底；所述乳化炸药8爆速为v，所述爆速v在3500～5000m/s。将所述爆速为v的乳化炸药8输送到所述垂直井7井底，当所述乳化炸药8输送的累计高度超过所述冲击地压区域3最底层厚度的1/m时，停止输送；其中m与顶板的普氏系数f相关，当0<f<6时，m＝6；当6≤f<9，m＝5；f≥9时，m＝4。既能够保证对冲击地压区域达到卸压效果，也能保证爆破产生的冲击振动对工作面扰动在可接受范围。
f、采用炮泥9封孔，并引出导爆索10；保证新的方法下的爆破不出现冲孔现象；所述炮泥9封孔长度为L，L与所述乳化炸药8的累计输送长度L1存在如下关系：L≥0.35L1。
g、激发所述导爆索10，完成爆破；
h、重复步骤e～g，依次对所述上层冲击地压危险区301各顶板进行所述乳化炸药8的输送、封孔和引爆。
作为一种优选实施例，在步骤h之后，还包括步骤：
i、沿着水平方向11移动一定距离，利用所述钻井平台6打垂直井，使得所述垂直井7井底穿过所述最底层冲击地压危险区302，重复步骤e～h对所述冲击地压危险区域3进行所述乳化炸药8的输送、封孔和引爆；保证爆破解危范围在所述水平方向11能够精准完全覆盖，同时降低爆破成本和工作面扰动。
j、反复执行步骤i，直到垂直钻井距离所述冲击地压危险区域3右侧边界处；保证爆破能够覆盖到冲击地压危险区域的右侧边界。
k、沿着垂直方向12移动一定距离，重复步骤i～j，在所述垂直方向12完成所述冲击地压危险区域3钻井、所述乳化炸药8的输送、封孔和引爆；保证爆破解危范围在所述垂直方向12能够精准完全覆盖，同时降低爆破成本和工作面扰动。
l、当工作面13与所述垂直井7在所述水平方向11一定距离时，采用所述垂直井7抽排瓦斯。所述垂直井7抽排瓦斯时所述工作面13与所述垂直井水平方向11距离为S3，所述S3与所述煤层2厚度h相关，当0<h≤4.5m，S3＝50～60m；4.5m<h≤8.8m，S3＝60～80m；h>8.8m时，S3＝80～100m。保证瓦斯能够及时和最大限度的抽排，确保工作面的安全回采。
步骤i中沿着水平方向11移动一定距离前，设定垂直井初次位置，所述垂直井初次位置距所述左侧边界4水平距离为P1，距所述前侧边界5垂直距离为Q1，步骤i所述垂直井7在所述水平方向11移动距离为S1、步骤k所述垂直方向12移动距离为S2，其间存在如下关系：S1＝(0.80～0.90)P1、S2＝(0.80～0.90)Q1。
所述垂直井7初次位置距所述左侧边界4水平距离P1和所述前侧边界5垂直距离Q1均与所述乳化炸药8爆速v、基本顶的普氏系数f相关，当3500≤v≤4000时，当4000<v≤5000时，式中L0＝1m/s。
实施例2
以晋能控股集团某采区为例，该矿采区内存在褶皱构造区，形成高构造应力区域，可能出现冲击地压灾害和工作面瓦斯超限问题，该采区的具体地质条件如下：煤层上存在3层厚度超过10m的坚硬顶板，分别为12m厚的基本顶14、21m厚度的K3岩层15和17m厚的K4岩层16；基本顶单轴抗压强度为60MPa，普氏系数f＝6，测试得出水平应力为10.3MPa；K3岩层15单轴抗压强度为75MPa，普氏系数f＝7.5，测试得出水平应力为10.5MPa；K4岩层16单轴抗压强度为70MPa，普氏系数f＝7，测试得出水平应力为10.8MPa；煤层2的开采厚度10m。采用的乳化炸药8爆速为4800m/s。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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