大傾角煤層開采沖擊地壓定向防治方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明所屬煤礦安全領(lǐng)域，具體涉及到用于大傾角煤層開采沖擊地壓定向防治方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 研宄表明，大傾角煤層開采覆巖破斷模式與近水平煤層不同，頂板初次破斷為 "V-Y"型斷裂模式，周期破斷為"四邊形"型斷裂模式。導致了大傾角煤層沖擊地壓發(fā)生性 質(zhì)具有空間非對稱特征，即上部頂板斷裂易發(fā)生誘發(fā)型沖擊地壓，下部頂板穩(wěn)定易發(fā)生能 量聚集型沖擊地壓。隨著開采深度和強度日益增加，大傾角煤層沖擊地壓防治已成為我國 煤礦生產(chǎn)中亟待解決的重要課題。
[0003] 鑒于此，必須要根據(jù)大傾角煤層沖擊地壓發(fā)生的非對稱特征，提出具有針對性的 定向防治方法，才能有效降低沖擊地壓的發(fā)生頻率，保障礦山的生產(chǎn)安全。
[0004] 按照改善頂板應力環(huán)境、切斷應力傳遞路徑、降低頂板強度、減小懸頂面積、釋放 頂板內(nèi)聚集大量的彈性能的解危思路，定向防治方法需要利用以下幾種卸壓手段：
[0005] 超前頂板深孔爆破是針對聚集大量彈性能的懸頂進行爆破弱化，使得懸頂面積減 小，在工作面超前范圍的頂板內(nèi)形成連續(xù)的破碎帶，切斷應力傳遞路徑，達到削弱頂板來壓 的強度，釋放懸頂彈性能目的；
[0006] 大直徑鉆孔卸壓是在高應力集中區(qū)域利用多個110mm以上鉆孔形成破裂卸壓區(qū)， 使得應力峰值減小并向煤體深部轉(zhuǎn)移，釋放近場區(qū)域彈性能，最終達到解除沖擊危險的目 的；
[0007] 高壓注水通過改變煤體的物理機械特性，實現(xiàn)軟化煤體物理力學性質(zhì)，以達到降 低煤體儲存能量的能力，減緩礦壓顯現(xiàn)的目的；
[0008] 煤體卸壓爆破是采用爆破的方法針對沖擊危險區(qū)域內(nèi)的煤體進行卸壓，減緩應力 集中程度，針對大傾角煤層回采后產(chǎn)生堅硬懸頂?shù)奈恢眉氨菩秹汉笮纬傻臎_擊地壓危險 區(qū)域，提出了沖擊地壓定向防治方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種大傾角煤層開采沖擊地壓定向防治方法，既能夠有效 解決大傾角煤層工作面頂板沿傾斜方向非對稱斷裂問題，又能夠避免頂板深孔爆破后形成 高應力集中導致次生災害的風險，及時對沖擊危險區(qū)域進行定向防治。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0011] 一種大傾角煤層開采沖擊地壓定向防治方法，所述沖擊地壓定向防治方法分為三 個步驟：
[0012] 步驟1):頂板能量釋放；
[0013] 步驟2):次生能量消耗；
[0014] 步驟3):二次解危。
[0015] 進一步的，所述步驟1)在工作面前方易發(fā)生沖擊地壓的區(qū)域布置炮孔，所述步驟 1)具體包括：
[0016] 步驟11):確定定向爆破孔位置、排布方式、傾角及長度；
[0017] 步驟12):確定定向爆破孔炮孔間距、排距；
[0018] 步驟13):確定裝藥結(jié)構(gòu)與裝藥量；
[0019] 步驟14):確定封孔長度。
[0020] 進一步的，所述步驟11)具體如下：
[0021] 首先確定頂板內(nèi)需要進行頂板能量釋放的關(guān)鍵層位，利用公式（1)求出大傾角煤 層目標巖層撓度方程w(x，y):
[0025] 式中D--堅硬頂板彎曲剛度，D = E2h23/12(l_y22);
[0026] E2--堅硬頂板彈性模量；
[0027] y !--上覆巖層平均容重；
[0028] y2--堅硬頂板容重；
[0029] y 2--堅硬頂板泊松比；
[0030] h2--堅硬頂板厚度；
[0031] a--工作面走向推進長度，m ;
[0032] b--工作面傾向推進長度，m ;
[0033] Ls--砰石充填區(qū)長度，m ;
[0034] c 待定系數(shù)，c = b/2-Ls，m ;
[0035] |3 頂板巖層傾角，（° );
[0036] P0一一工作面下端頭處上覆巖層荷載，MPa;
[0037] Py0--工作面y = 0處上覆巖層荷載，MPa ;
[0038] q一一長度為Ls的矸石填充載荷，MPa;
[0039] G--堅硬頂板的重力，G = y 2h2, MPa ;
[0040] F:--堅硬頂板的水平構(gòu)造力，F(xiàn)i=人i y 2h2 (入丨取1. 6)，MPa ;
[0041] F2--堅硬頂板的水平構(gòu)造力，F(xiàn)2=人2 y 2h2 (入2取1. 1)，MPa ;
[0042] C:--待定系數(shù)，Ci= P Q+y 九-卩丨，MPa ;
[0043] C2--待定系數(shù)，C2= P yQ+ y 2h2-Fi，MPa ;
[0044] C3--待定系數(shù)，C2= P Q+ y 九+Fp MPa ;
[0047] 式中o ^ o 3 最大、最小主應力；
[0048] 〇 x、〇 y--x、y 方向正應力；
[0049] txy--xy方向正應力；
[0050] Ez--z方向彈性模量；
[0051] y--煤層泊松比；
[0052] 將w(x，y)代入到公式（2)、（3)中，求得目標巖層y-z平面內(nèi)的最大主應力等值線 圖，根據(jù)應力等值線圖確定大傾角煤層堅硬頂板的關(guān)鍵層位：上部垮落區(qū)、中部斷裂區(qū)、下 部懸頂區(qū)的長度li、1 2、13，根據(jù)上部垮落區(qū)長度h、中部斷裂區(qū)長度12、下部懸頂區(qū)的長度 1 3和工作平面寬度計算出對應區(qū)域在y-z平面內(nèi)的面積，再利用公式（4)和（5)求出爆破 孔破碎區(qū)半徑&和裂隙區(qū)半徑R 2:
[0055] 式中：&--破碎區(qū)半徑；
[0056] R2--裂隙區(qū)半徑；
[0057] 〇 cd--巖體動態(tài)抗壓強度，MPa ;
[0058] 〇 th--巖體動態(tài)抗拉強度，MPa ;
[0059] r--藥卷半徑，m ;
[0060] rb--炮孔半徑，m ;
[0061] y d 巖石動泊松比，取0? 8 y ;
[0062] ni一一炸藥爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞炮孔壁時的壓力增大系數(shù)，取n = 10 ;
[0063] Dj--煤體炸藥爆速，m/s ;
[0064] p0--炸藥的密度，kg/m3;
[0065] le--裝藥軸向系數(shù)，取le= 1 ;
[0066] K--不耦合系數(shù)，取1. 5~2 ;
[0067] B--系數(shù)，
[0068] 根據(jù)裂隙區(qū)半徑R2計算出單個爆破孔裂隙區(qū)在y_z平面內(nèi)的覆蓋面積，使裂隙區(qū) 面積至少覆蓋上部垮落區(qū)、下部懸頂區(qū)頂板面積的1/2,確定上部垮落區(qū)、下部懸頂區(qū)定向 爆破孔的個數(shù)，炮孔傾角以覆蓋爆破區(qū)域為準，爆破深度最小達到目標層厚度的2/3以上， 通過回風順槽設(shè)置上部垮落區(qū)的定向爆破孔，通過運輸順槽設(shè)置下部懸頂區(qū)的定向爆破 孔；中部斷裂區(qū)設(shè)置一個老頂定向爆破孔，使該孔爆破區(qū)域覆蓋應力最大區(qū)域，爆破深度至 少達到目標層厚度的1/2以上，通過運輸順槽設(shè)置中部斷裂區(qū)的老頂定向爆破孔。
[0069] 進一步的，所述步驟12)具體如下：根據(jù)爆破孔破碎區(qū)半徑&和裂隙區(qū)半徑1?2確 定兩相鄰炮孔孔間距大于1. ，排距小于等于1. 86R2。
[0070] 進一步的，所述步驟13)具體如下：采用連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)串聯(lián)，孔外并 聯(lián)，裝藥量體積采用公式（6)計算：
[0072] 式中：ai--爆力系數(shù)，取1. 0~1. 3 ;
[0073] qi--炸藥單耗，根據(jù)松動爆破工程類比，砂巖取0?3~0?45kg/m3;
[0074] g--炮眼堵塞系數(shù)，硬厚砂巖取1~1. 5 ;
[0075] lb--炮孔長度，m ;
[0076] W--最小抵抗線，視裝藥量大小確定取2~6m ;
[0077] K--不耦合系數(shù)，取1. 5~2 ;
[0078] r--藥卷半徑，m ;
[0079] nc一一炮眼深度對單位體積炸藥消耗量的影響系數(shù)，取1. 0~1. 3。
[0080] 進一步的，所述步驟14)具體如下：封孔長度為孔深的25-30%。
[0081] 進一步的，所述步驟2)包括：高壓及靜壓注水和大直徑鉆孔卸壓。
[0082] 進一步的，所述高壓及靜壓注水具體如下：頂板能量釋放步驟后，向運輸順槽煤幫 內(nèi)注水，保證回采工作面超前60m范圍內(nèi)均完成煤層注水，注水孔長度20~25m，每隔10m 布置一組注水孔，鉆孔直徑45mm，動壓注水壓力位15~18MPa，封孔深度不小于6m，每次注 水時間不小于30小時，煤壁或煤幫水有滲水現(xiàn)象停止注水。
[0083] 進一步的，所述大直徑鉆孔卸壓具體如下：向兩道煤幫側(cè)實施大直徑鉆孔卸壓，回 采工作面超前60m范圍內(nèi)均完成大直徑鉆孔卸壓，孔徑保證大于110mm，鉆孔仰角5