一种适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法

1.本发明属于围岩稳定控制技术领域，尤其涉及一种适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法。


背景技术：

2.我国煤矿约92％为地下开采，为提高煤炭资源采出率，目前多采用窄煤柱沿空掘巷技术。窄煤柱沿空掘巷指沿上一相邻工作面已垮落采空区边缘通过留设小煤柱的方式掘出新巷作为下一工作面回采巷道的掘进方式。为了缓解矿井采掘接替紧张的局面，上一区段工作面在回采前或回采期间，未超前对下一区段工作面回采巷道掘进进行顶板切顶卸压或区段煤柱治理，且下一区段工作面回采巷道已掘进结束。在该工程背景下，上、下区段之间的区段煤柱面临上一区段工作面回采期间侧向支承压力影响、本区段巷道掘进影响、本区段工作面回采期间超前支承压力及侧向支承压力影响，将导致窄煤柱应力环境较差，易发生顶板冒顶、帮部移进量大、底鼓量大等问题，造成巷道围岩稳定控制难度增大，给采煤工作面安全高效生产带来严重威胁。
3.目前回采巷道主要采用的支护方案有锚网喷支护、锚网喷注支护等方案。刚度有余但变形量小的锚杆/锚索在面临巷道围岩大变形时，不能保证在支护过程中也协同产生较大的伸长变形，存在拉断现象，丧失其支护能力的问题；混凝土喷层也存在易开裂脱落问题。传统的支护方式在面临应力环境较差，围岩变形量较大的沿空巷道时，很难达到预期支护效果。同时，靠上区段侧的巷帮，易受上区段工作面采空区老空水影响，造成区段煤柱围岩力学性质劣化明显，窄煤柱强度变低，在工作面采动影响下易造成窄煤柱局部失稳。
4.现有技术中，对沿空掘进巷道围岩稳定控制多采用单一或多重支护的控制方法。当使用单一围岩稳定控制方法时，很难保证地质环境和应力环境较为复杂的沿空巷道围岩的稳定性，使得沿空巷道在回采期间因强矿压显现问题造成多次翻修问题，制约安全高效开采；当盲目使用多重围岩稳定控制方法时，由于工序复杂和使用支护材料较多，造成支护效率低下、资源浪费等问题。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，主要针对沿上一区段采空区边缘已掘进下一区段回采巷道，且上一区段回采前或回采期间未超前采取顶板切顶卸压或区段煤柱治理，以解决上述现有技术中存在的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，包括：
7.获取窄煤柱沿空掘巷覆岩结构特征，优化设计覆岩预裂爆破关键参数，包括钻孔仰角、方位角、炮孔间距、预裂爆破控制高度、预裂爆破实施时间、预裂爆破层位等，基于覆岩预裂爆破参数对窄煤柱沿空掘巷巷道覆岩进行预裂爆破，实现窄煤柱覆岩切顶卸压，实现应力调控；
8.基于窄煤柱沿空掘巷巷道覆岩预裂爆破切顶卸压实施效果，对窄煤柱进行注浆加固，改善窄煤柱力学性能，提高煤柱承载能力；
9.基于所述窄煤柱沿空掘巷巷道覆岩预裂爆破切顶卸压实施效果和所述窄煤柱注浆加固效果，对沿空巷道关键部位进行动态补强支护。
10.优选地，得到覆岩预裂爆破参数的过程包括：
11.获取上区段、本区段采煤工作面基本参数、采煤工作面地质资料、回采巷道支护资料等，分析窄煤柱沿空掘巷巷道地质条件、覆岩参数、巷道围岩地应力分布等，明确覆岩结构特征，根据覆岩结构特征设计预裂爆破钻孔关键参数，基于所述钻孔关键参数优化设计覆岩预裂爆破参数。
12.优选地，所述钻孔关键参数包括：孔口位置、钻孔长度、钻孔角度、钻孔间距，所述孔口位置沿巷道走向方向保持在一条直线上，所述钻孔长度根据孔口位置、覆岩预裂爆破层位和钻孔角度确定，所述钻孔角度不超过预设角度值。
13.优选地，对窄煤柱沿空掘巷进行预裂爆破的过程包括：
14.基于设计的覆岩预裂爆破参数，通过正向装药方式对预裂爆破钻孔进行装药，采用串联爆破网路方式对窄煤柱沿空掘巷进行预裂爆破，实现窄煤柱切顶卸压。
15.优选地，进行沿空掘巷巷道覆岩预裂爆破之前还包括：
16.基于所述预裂爆破钻孔，将注浆管、返浆管植入钻孔至设计位置，采用“一堵一注”或“两堵一注”封孔方式，配合水泥浆实现封孔、注浆。
17.优选地，对窄煤柱注浆加固改性之前还包括：
18.基于钻孔窥视仪等监测设备，对窄煤柱不同位置进行窥视，得到煤柱裂隙发育情况，基于裂隙分布特征，确定窄煤柱注浆加固范围及加固时机。
19.优选地，对窄煤柱沿空掘巷煤柱进行注浆加固的过程：
20.通过注浆造孔、封孔和注浆的注浆工序，采用逐孔反复注浆方式，对窄煤柱沿空掘巷煤柱进行循环注浆加固；
21.其中，在窄煤柱需要注浆加固位置施工注浆钻孔，连接注浆实管、封孔器、注浆花管等装置，开启注浆泵，单孔注浆结束后，移至下一注浆孔注浆。
22.优选地，对沿空掘进巷道关键部位进行动态补强支护的过程包括：
23.基于窄煤柱沿空掘巷巷道覆岩预裂爆破切顶卸压实施效果和窄煤柱注浆加固改性效果，采用锚注一体式柔性锚杆、中空注浆锚杆、液压支柱、点柱等对沿空掘进巷道肩窝、底角、顶板等关键部位进行动态补强支护。
24.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
25.本发明的一种适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，覆岩预裂爆破切顶卸压、窄煤柱注浆加固改性和关键部位动态补强支护是一种系统性巷道围岩稳定控制方法，首先通过预裂爆破切顶卸压方式，切断超前/侧向支承压力传播路径，改善窄煤柱受力环境，使得沿空掘巷巷道围岩处于卸载区；其次根据覆岩预裂爆破切顶卸压实施效果，对窄煤柱实施注浆加固改性，改善窄煤柱力学性能，提高了煤柱自身承载能力；再次，根据覆岩预裂爆破切顶卸压实施效果和窄煤柱注浆加固改性效果，通过对沿空掘进巷道关键部位进行动态补强支护，巩固切顶卸压和注浆加固改性的施工效果，进一步强化巷道的稳定性。
26.预裂爆破切顶卸压、窄煤柱注浆加固改性和动态补强支护在施工过程中首先对前
一施工效果进行评估之后再判断是否进行下一步操作，其有益效果在于可以逐步的对沿空掘进巷道进行控制，属于层层递进的关系，能够更加灵活地对沿空掘进巷道围岩进行控制。
附图说明
27.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明实施例的围岩稳定控制方法流程图；
29.图2为本发明实施例的某工作面倾向剖面炮孔布置图；
30.图3为本发明实施例的不同高度窄煤柱注浆孔布置示意图；
31.图4为本发明实施例的窄煤柱侧注浆加固示意图；
32.图5为本发明实施例的巷道动态补强支护设计剖面示意图；
33.图6为本发明实施例的巷道锚注一体式柔性锚杆动态补强支护设计断面示意图。
具体实施方式
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
35.需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
36.实施例一
37.如图1所示，本实施例中提供一种适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，包括以下步骤：
38.获取窄煤柱沿空掘巷覆岩结构特征，优化设计覆岩预裂爆破关键参数，包括钻孔仰角、方位角、炮孔间距、预裂爆破控制高度、预裂爆破实施时间、预裂爆破层位等，基于覆岩预裂爆破参数对窄煤柱沿空掘巷巷道覆岩进行预裂爆破，实现窄煤柱覆岩切顶卸压，实现应力调控；
39.基于窄煤柱沿空掘巷巷道覆岩预裂爆破切顶卸压实施效果，对窄煤柱进行注浆加固，改善窄煤柱力学性能，提高煤柱承载能力；
40.基于所述窄煤柱沿空掘巷巷道覆岩预裂爆破切顶卸压实施效果和所述窄煤柱注浆加固效果，对沿空巷道关键部位进行动态补强支护。
41.覆岩预裂爆破切顶卸压、窄煤柱注浆加固改性和动态补强支护的方法；具体方法如下：
42.本实施例中，以某矿a煤层的a工作面上顺槽掘进为工程背景，a煤层厚度1.8m，a上顺槽沿b工作面采空区掘进，a工作面与b工作面之间留设8m煤柱。a工作面上顺槽掘进及a工作面回采期间，受b工作面侧向支承压力影响，造成a工作面与b工作面之间的窄煤柱应力集中，矿压显现明显，a工作面上顺槽围岩变形大，威胁工作面安全生产。为实现a工作面上顺槽围岩稳定控制，首先提出在a工作面上顺槽实施覆岩预裂爆破切顶卸压。
43.(1)覆岩预裂爆破实施时间：覆岩预裂爆破实施需在a工作面上顺槽掘进结束后，a工作面尚未回采之前完成施工或在a工作面回采期间施工，在a工作面回采期间施工时，基于超前支承压力和覆岩预裂爆破施工特点，覆岩预裂爆破施工距a工作面煤壁的距离d≥l+
s，式中：l为a工作面支承压力影响范围，s为覆岩预裂爆破施工期间a工作面推进距离。
44.(2)覆岩预裂爆破层位：预裂爆破最低有效高度h
min
＝m/k
p-1，式中：m为a工作面开采高度，k
p
为岩石破碎后体积膨胀系数，取1.2～1.3。
45.覆岩预裂爆破层位根据a工作面开采厚度、顶板岩性等参数，采用关键层理论、数值模拟等研究方法综合分析确定。覆岩预裂爆破有效层位一般需要把a工作面覆岩中的硬岩层切断，具体预裂爆破最大高度根据覆岩中的硬岩层层位、钻孔施工难度等因素合理确定。
46.(3)覆岩预裂爆破切顶角度：覆岩预裂爆破切顶方向选择偏向b工作面采空区一侧，钻孔与竖直方向夹角为10～15
°
，与a工作面上顺槽巷道轴向方向的夹角75～90
°
。
47.(4)钻孔孔口位置：覆岩预裂爆破钻孔开孔选择在a工作面上顺槽肩窝位置或距离a工作面上顺槽巷帮0.5～1m顶板位置。
48.(5)钻孔长度：根据覆岩预裂爆破钻孔孔口位置、覆岩预裂爆破层位和钻孔角度，通过三角函数关系，确定钻孔长度。
49.(6)钻孔间距：根据选用的炸药规格(可选用φ63mm或φ75mm的煤矿瓦斯抽采水胶药柱)，同时依据煤矿瓦斯抽采水胶药柱深孔预裂爆破致裂数值模拟结果、a工作面周期来压步距等参数确定钻孔间距，钻孔间距设计为6～8m。
50.(7)钻孔直径：根据选用的炸药规格确定，钻孔直径选择75～113mm。
51.覆岩预裂爆破施工，封孔长度取炮孔长度的25％～40％。在本实施例中，选用的炸药规格为φ63mm的煤矿瓦斯抽采水胶药柱，覆岩预裂爆破层位控制在距a煤层顶板法距22m，具体参数如表1所列，钻孔布置示意图如图2所示。
52.表1
[0053][0054]
基于设计的覆岩预裂爆破参数，在a工作面上顺槽实施，开孔位置选择距离a工作面上顺槽巷帮0.5m，所有钻孔开孔位置沿a工作面上顺槽走向方向保持一条直线，采用正向装药方式对预裂爆破钻孔进行装药，采用“一堵一注”封孔方式，配合单液水泥浆(水灰比＝0.6～0.7:1)实现封孔、注浆，待单液水泥浆凝固24～48h后，采用串联爆破网络方式进行预裂爆破，一次性预裂爆破钻孔数量≤8个。
[0055]
在本技术实例中，在a工作面上顺槽顶板靠近b工作面采空区方向进行覆岩预裂爆破切顶施工，覆岩预裂爆破后，降低了b工作面采空区顶板与a工作面上顺槽之间的约束程度，顶板岩层间应力传递减弱，优化窄煤柱应力环境。
[0056]
为提高窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制效果，根据窄煤柱沿空掘巷覆岩预裂爆破切顶卸压实施效果，对窄煤柱进行注浆加固改性。
[0057]
为提高巷道围岩强度，防止窄煤柱煤帮表面渗、漏浆，在窄煤柱注浆加固改性之前，对煤帮及顶板位置进行喷浆。喷浆厚度不小于50mm，以不漏浆为准，强度不低于c20，喷浆范围大于注浆范围，防止浆液从注浆段前方渗漏。
[0058]
选择水泥浆、无机复合注浆材料、化学材料或其他适用的注浆材料中的任意一种或几种组合，注浆孔深4m，孔间距2m。不同厚度煤柱在布置注浆孔时采取不同的布置方式，如图3所示。如图3(a)所示，a煤层厚度1.8m，注浆孔采取单排眼布置，钻孔φ42mm，注浆孔在煤层中部布置，距煤层顶板、底板的距离0.9m。注浆孔内采用注浆花管和注浆实管(里段为注浆花管，外段为注浆实管)，中间采用300mm长矿用封孔器固定连接；采用注浆封孔器进行定位封孔，封孔位置距孔口1m。
[0059]
采用逐孔反复注浆方式，为了便于施工，具体位置可根据现场管路情况适当调整。窄煤柱注浆加固改性工艺施工步骤为：在需注浆加固范围施工注浆孔，安装注浆花管、封孔器、注浆实管等装置，通过封孔器进行定位封孔，要求注浆花管末端距离注浆孔底距离0.5m，如图4所示。开启注浆泵封孔并注浆，注浆标准要求压力≮5mpa，稳压3～5min后停泵，单孔注浆结束。依次进行下一钻孔注浆。
[0060]
考虑到工作面回采超前影响范围，窄煤柱注浆加固改性施工在工作面回采期间需超前工作面煤壁≥120m施工。
[0061]
窄煤柱注浆加固改性技术在施工前需要确定的参数包括但不限于：
[0062]
(1)确定注浆加固治理范围；
[0063]
(2)注浆孔设计技术要求；
[0064]
(3)注浆工艺设计要求。
[0065]
注浆孔设计技术要求，包括但不限于：
[0066]
(1)当煤厚在1.5～2.5m时，注浆孔采取单排眼布置，当煤厚≥2.5m时，注浆孔不得少于两排，且上下排采取错茬布置方式；
[0067]
(2)注浆孔上、下排距离顶板和底板原则上≯1m，注浆孔间距≯3m。
[0068]
(3)注浆孔φ42mm，孔深为窄煤柱宽度的1/2。
[0069]
(4)注浆压力≮5mpa，并稳定3～5min的注浆标准。
[0070]
注浆工艺设计技术要求，包括但不限于：
[0071]
(1)注浆方式：逐孔反复注浆；
[0072]
(2)注浆材料：选择水泥浆、无机复合注浆材料、化学材料或其他适用的注浆材料中的任意一种或几种组合；
[0073]
(3)封孔方式：孔内采用注浆花管和注浆实管(里段为注浆花管，外段为注浆实管)，中间采用300mm矿用封孔器固定连接，采用注浆封孔器进行定位封孔，封孔位置距离孔口≮2m，注浆花管末端距离注浆孔孔底0.5m。
[0074]
注浆加固改性施工工艺包括：注浆钻孔、连接注浆实管、封孔器、注浆花管等装置，开泵、封孔、注浆、停泵等几道工序。
[0075]
本发明中的注浆孔长度、半径、封孔长度和注浆压力是利用现场窄煤柱注浆加固现场工业性试验、数值模拟等研究方法，分析浆液扩散情况，合理的确定出注浆技术及工艺参数。
[0076]
本发明主要用于煤厚≥1.5m的沿空窄煤柱。注浆位置优选裂隙发育区域，围岩应力趋于平衡的位置，且应尽早进行注浆加固。使用钻孔窥视仪等监测设备，对窄煤柱不同位置进行窥视，得到煤柱裂隙发育情况，基于观测的裂隙分布特征，确定窄煤柱注浆加固范围及加固时机。
[0077]
基于a工作面上顺槽覆岩预裂爆破切顶卸压和窄煤柱注浆加固改性对沿空掘巷巷道围岩稳定控制效果，对a工作面上顺槽肩窝、底角、顶板容易发生失稳破坏的关键部位进行补强支护。参考图5，给出了一种针对a工作面上顺槽肩窝变形的补强支护方式。参考图6，在原支护基础上，对肩窝部位采取锚注一体式柔性锚杆加强支护，柔性锚杆规格φ21.8
×
6300mm，配合使用止浆塞，将注浆泵的注浆管与止浆塞的注浆弯管连接，开动注浆泵完成柔性锚杆杆体范围内全长锚注。
[0078]
a工作面上顺槽实施覆岩预裂爆破切顶卸压措施后，窄煤柱应力环境优化，实现卸压作用；在此基础上，进行沿空窄煤柱注浆加固改性，起到增强窄煤柱围岩承载性能作用；在a工作面上顺槽沿空巷道内关键部位采取动态补强后，a工作面上顺槽肩窝部位的变形得到控制，巷道围岩变形量减少，围岩的稳定性进一步加强。
[0079]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取窄煤柱沿空掘巷的覆岩结构特征，基于覆岩结构特征的钻孔关键参数，优化设计覆岩预裂爆破参数，基于覆岩预裂爆破参数对窄煤柱沿空掘巷巷道覆岩进行预裂爆破，实现窄煤柱覆岩切顶卸压，实现应力调控，得到切顶卸压施工效果；基于所述切顶卸压实施效果，对沿空掘巷的窄煤柱进行注浆加固，得到窄煤柱注浆加固效果；基于所述切顶卸压施工效果和所述窄煤柱注浆加固效果，对巷道关键部位进行动态补强支护。2.根据权利要求1所述的适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，其特征在于，优化设计覆岩预裂爆破参数的过程包括：根据沿空掘巷巷道上下区段工作面基本参数、地质资料和回采巷道支护资料，对窄煤柱沿空掘巷巷道地质条件、覆岩参数、巷道围岩地应力分布进行分析，明确结构特征，根据覆岩结构特征设计预裂爆破钻孔关键参数，基于所述钻孔关键参数优化设计覆岩预裂爆破参数。3.根据权利要求2所述的适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，其特征在于，所述钻孔关键参数包括：孔口位置、钻孔长度、钻孔角度、钻孔直径、钻孔间距，所述孔口位置沿巷道走向方向保持在一条直线上，所述钻孔长度根据孔口位置、覆岩预裂爆破层位和钻孔角度确定，所述钻孔角度不超过预设角度值。4.根据权利要求1所述的适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，其特征在于，对窄煤柱沿空掘巷巷道覆岩进行预裂爆破的过程包括：基于设计的覆岩预裂爆破参数，通过正向装药方式对预裂爆破钻孔进行装药，采用串联爆破网路方式对窄煤柱沿空掘巷进行预裂爆破，得到切顶卸压施工效果。5.根据权利要求3所述的适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，其特征在于，得到切顶卸压施工效果之前还包括：基于所述预裂爆破钻孔，将注浆管、返浆管植入钻孔至设计位置，采用“一堵一注”或“两堵一注”封孔方式，配合水泥浆实现封孔、注浆。6.根据权利要求1所述的适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，其特征在于，对沿空掘巷的窄煤柱进行注浆加固之前包括：基于钻孔窥视仪等监测设备，对窄煤柱不同位置进行窥视，得到煤柱裂隙发育情况，基于裂隙分布特征，确定窄煤柱注浆加固范围及加固时机。7.根据权利要求1所述的适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，其特征在于，对沿空掘巷的窄煤柱进行注浆加固的过程：通过注浆造孔、封孔和注浆的注浆工序，采用逐孔反复注浆方式，对窄煤柱沿空掘巷煤柱进行循环注浆加固；其中，在窄煤柱需要注浆加固位置施工注浆钻孔，连接注浆实管、封孔器和注浆花管装置，开启注浆泵，单孔注浆结束后，移至下一注浆孔注浆。8.根据权利要求1所述的适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，其特征在于，对沿空巷道的关键部位进行动态补强支护的过程包括：基于所述切顶卸压施工效果和窄煤柱注浆加固效果，采用锚注一体式柔性锚杆对沿空
掘巷的关键部位进行动态补强支护，其中所述关键部位为沿空巷道易变形部位。

技术总结
本发明公开了一种适用于窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制方法，本发明属于围岩稳定控制领域，包括：获取窄煤柱沿空掘巷覆岩结构特征，优化设计覆岩预裂爆破关键参数；基于覆岩预裂爆破关键参数，得到预裂爆破切顶卸压施工效果；基于所述切顶卸压施工效果，对沿空掘巷的窄煤柱进行注浆加固，得到窄煤柱注浆加固效果；基于所述切顶卸压施工效果和所述窄煤柱注浆加固效果，对沿空掘巷巷道的关键部位进行动态补强支护。本发明能够优化窄煤柱的应力环境，有效增强窄煤柱的整体强度和承载能力，通过动态补强支护可以进一步抑制巷道的变形和破坏，大大地减少了支护费用。大地减少了支护费用。大地减少了支护费用。


技术研发人员：程详 刘雨生 赵光明 袁本庆 顾清恒 周江 李英明 孟祥瑞 杨硕
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/5