一种大倾角开采工作面的上隅角处理方法与流程

本发明涉及一种大倾角开采工作面的上隅角处理方法，特别适于煤层倾角大于30°、煤层自然发火期短、具有厚硬坚硬顶板的综放工作面上隅角综合防治，属于煤矿安全生产技术领域。

背景技术：

上隅角区域由于通风不好，温度湿度较高，容易积聚采空区和采面交汇释放的瓦斯，导致瓦斯浓度较高，是煤炭开采工作面防治瓦斯的重点区域。

大倾角或急倾斜煤层是一种较为复杂和特殊的煤层赋存形式，其开采工艺和方法与水平和倾斜煤层存在极大差别，工作面区段煤柱的受力破坏特征、留设方法与近水平和中倾斜煤层开采不同，煤柱破断失稳后会向工作面采空区下部滑落充填，对上覆岩层完全失去承载能力，急倾斜工作面采空区冒落矸石滑移，上隅角与采空区形成大面积三角形空间，随着工作面的不断推进，该三角形空间会越来越大，造成三种灾害：首先是容易导致上隅角位置处采空区瓦斯异常涌入工作面导致隅角瓦斯超限；其次，上隅角附近由于巨大三角形未冒落空间，在通风作用下，产生涡流，存在采空区遗煤自燃事故发生可能性；此外，由于巨大的三角形冒落空间持续增加，存在顶板大面积垮落破坏端头支架的事故发生可能。目前对该位置处的灾害处理还不成系统，还不能满足大倾角工作面安全生产要求。

中国专利申请CN103306725A公开了一种采煤工作面用柔性气囊及采用该气囊封堵隅角的方法，具有方法如下：首先在工作面的上下隅角处间隔设置单体支柱，各单体支柱固定在巷道顶板、底板之间，单体支柱位于同一平行于工作面的平面内，在单体支柱的远离工作面的一侧设置采煤工作面用柔性气囊，将柔性气囊固定于单体支柱上，使其充气，若干个充满的采煤工作面用柔性气囊充满上下隅角空间。

但是，由于急倾斜工作面的特殊结构，工作面上隅角位置空间较普通倾斜或者缓倾斜工作面要大的多，而且深入采空区内部，形成较大的悬顶空间，上隅角与采空区连成一片，采空区由于未冒落压实，存在巨大的漏风空间，采空区内遗煤具有自然发火危险，且采空区上隅角位置涡流作用容易导致瓦斯涌出异常。由于这部分空间大部分位于采空区内部，且随着工作面开采不断扩大，该专利所提出的方法，不仅施工起来费时费力，而且气囊回收困难，仅起到封堵气体的作用，却不能对采空区位置处进行有效的阻燃、预裂等处理。

此外，上述技术方案的柔性气囊固定于单体支柱上，其拆装操作麻烦，并且需要操作人员长时间在蹲守在单体支柱旁边作业。即，需要留人长时间值守在采空区内，存在较大的人身安全隐患。

综上所述，上述技术方案无法适用于大倾角/急倾斜工作面的上隅角位置的处理。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种施工速度快、施工难度小、劳动强度低、安全有效的上隅角处理方法，通过该处理方法可以实现大倾角工作面上隅角位置处防火、防瓦斯、防顶板事故，从而保证工作面的安全生产。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种大倾角开采工作面的上隅角处理方法，其特征在于，每隔一段时间完成一次施工，每次施工过程均在工作面的来压间隙完成；具体施工步骤如下：

第一步，在端头支架的后方架设两排单体支柱，构成临时支护，并在上顺槽与采空区临接位置处沿平行于上顺槽巷道的方向设置若干分段隔离墙，每段隔离墙体呈等间距布置；

上述每个隔离墙的长度为3～4m、厚度为0.5～1m、高度为其所在位置处的上顺槽巷道高度的1/3；相邻两个隔离墙之间的间距为1～1.5m；

第二步，将若干数量的柔性气囊分别安装在每段隔离墙体旁、靠近上顺槽一侧，每个柔性气囊的宽度均分别大于所对应的隔离墙的长度；柔性气囊的下端通过挂钩挂在隔离墙墙体腰部位置处，柔性气囊的上端为自由端；

启动气泵对柔性气囊充气，直至柔性气囊的上端与顶板相接触，每个设置的柔性气囊左右之间相互接触，并保持气封；

上述柔性气囊的中央位置处设置有一个用于注浆钢管插入/拔出用的注浆圆形孔，当柔性气囊充气膨胀后，该注浆圆形孔的孔壁与注浆钢管紧密接触，形成气密封；

上述柔性气囊的底部设置有一安全阀，柔性气囊的额定工作压力为2MPa；

第三步，将井下注浆钢管插入注浆孔，压注注浆液进入采空区空间，注浆液在重力作用下向采空区下侧进一步扩展；

注浆结束后，撤出注浆钢管；

第四步，沿倾向于采空区方向，在靠近隔离墙的那排单体支柱和隔离墙之间的顶板上钻三个预裂孔，使预裂孔终孔位于采空区侧厚硬顶板处，并填炸药、爆破，进行顶板预裂；

上述预裂孔的钻孔深度L和预裂孔中心轴线与煤层平面的夹角中的那个锐角α之间关系，按如下公式计算得出：

上式(1)和上式(2)中：

h为预裂顶板距煤层底板之间的垂直距离；

c为采空区内冒落矸石边缘至与预裂孔口之间的距离；

然后，打开该隔离墙位置处的柔性气囊上的气门嘴，进行泄压放气，再依次拆除该柔性气囊、靠近隔离墙的那排单体支柱和远离隔离墙的那排单体支柱；

上述三个预裂孔等间距布置，总长度等于上顺槽宽度的四分之三，中间孔与端头支架的水平距离等于上顺槽宽度，三个预裂孔的中心点位于同一直线上；

第五步，随着工作面不断向前推进，采空区顶板自然垮落，即完成该处的上隅角处理；

第六步，依次重复上述第一步至第五步，直至工作面开采完毕。

优选为，上述大倾角开采工作面指的是倾角为30°～45°的倾斜开采工作面或急倾斜开采工作面。

进一步优选，上述柔性气囊的四周设置有褶皱状裙边。

进一步优选，上述气囊的内部所充气体为氮气。

上述技术方案直接带来的技术效果是，施工速度快、施工难度小、劳动强度低；通过该处理方法可以有效消除大倾角工作面上隅角位置处防火、防瓦斯等灾害事故的发生，从而有效地保证工作面的安全生产。详细说明如下：

上述技术方案中，柔性气囊宽度大于隔离墙长度，柔性气囊的四周设置有褶皱状裙边，充气后的气囊与气囊之间形成气密封。这样，对于任何凹凸不平的顶板、底板，均可形成安全有效的密封“面”，以防止因为上隅角位置处的不平整、不规整所导致的工作面内的漏风大量涌出至采空区内现象的发生。即，利用柔性气囊将工作面上隅角位置处采空区与隅角位置有效地“密封”隔离开来，避免了工作面内的漏风大量涌出至采空区内。

由于柔性气囊上设置有注浆孔，可以柔性气囊的严格密封下，随时对采空区进行注浆充填，这进一步降低了采空区内因为自燃而导致的火灾事故的发生。

上述技术方案中，隔离墙采用分段间隔式设计，且高度仅为顶板与底板之间高度的1/3，采空区顶板垮落后，足以顺利地将隔离墙推倒。这样，较好地解决了现有技术存在的顶板垮落后，采空区的压实程度不高，易于导致二次漏风的问题的出现。

并且，通过上隅角位置处顶板的迅速垮落，垮落的矸石冲击下方的隔离墙，将隔离墙推倒，形成较为密实的充填。这样，可以有效避免采空区遗煤自燃、瓦斯异常涌出及瓦斯爆炸等事故的发生。

此外，柔性气囊通过挂钩固定在隔离墙体的腰部，便于安装和快速拆除，并且，柔性气囊在单体液压支柱拆除之前被拆除(此时，顶板尚无垮落的风险)，便于快速、安全施工。

上述技术方案针对上顺槽位置处容易出现大面积空顶的问题，在单体液压支柱对顶板进行有效支撑/支护的条件下，进行顶板预裂处理，使上隅角位置处顶板迅速垮落，降低了大面积顶板垮落发生事故的可能性。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有施工简便、快捷、成本低、劳动强度低、安全性好等有益效果。

附图说明

图1为本发明的工作面所在巷道的结构示意图；

图2为本发明的工作面所在巷道沿A-A方向的剖面结构示意图。

图3为本发明的柔性气囊的结构示意图。

附图标记说明：1、隔离墙；2、裙边；3、端头支架；4、单体支柱；5、注浆钢管；6、上顺槽；7、液压支架；8、采空区；9、柔性气囊；10、注浆孔；11、上顺槽顶板；12、上顺槽底板；14、气门嘴；15、安全阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

以新疆某矿典型的急倾斜工作面为例，举例说明。

该工作面的基本情况如下：

工作面倾角45°，倾向长114～136m，煤层厚度：一般在2.23m～4.79m之间，平均厚度4.2m，变异系数45％；

煤的硬度(上部硬，下部软，中间有300～400mm的泥岩夹矸)，上部f＝2～2.5，下部f≈1。工作面上方20m位置处存在坚硬的砂岩，且厚度较大，f值为4；

工作面开采过程中，上隅角顺槽位置处顶板长时间不垮落，上顺槽与采空区连成一片，形成大面积三角形空间，隅角位置处瓦斯浓度长时间维持在0.5～1％，偶有CO气体检测出，最大可达到20ppm，表明工作面具有瓦斯及煤自燃危险，威胁矿井安全生产；

上顺槽为梯形巷道，断面尺寸如下：掘进宽3.8m，高帮4.5m，矮帮1.8m，掘进断面积为11.97m²。工作面的初次来压步距为约为50m，周期来压步工作面上下部分不均匀，上顺槽位置处来压步距为21m左右。

为保证工作面的安全生产，应用本发明所提出的方法，对该大倾角开采工作面的上隅角处理方法，采取每隔一段时间完成一次施工，每次施工过程均在工作面的来压间隙完成，具体操作步骤为：

如图1至3所示，第一步，在端头支架的后方架设两排单体支柱4，构成临时支护，并在上顺槽6与采空区8临接位置处沿平行于上顺槽巷道的方向设置若干分段隔离墙1，每段隔离墙体呈等间距布置；

上述每个隔离墙1的长度为3m、厚度为0.8m、高度为其所在位置处的上顺槽巷道高度的1/3；相邻两个隔离墙之间的间距为1～1.5m；

第二步，将若干数量的柔性气囊9分别安装在每段隔离墙1旁、靠近上顺槽6一侧，每个柔性气囊9的宽度均分别大于所对应的隔离墙1的长度；柔性气囊9的下端通过挂钩挂在隔离墙1墙体腰部位置处，柔性气囊9的上端为自由端；

启动气泵对柔性气囊9充气，直至柔性气囊9的上端与上顺槽顶板11相接触，每个设置的柔性气囊9左右之间相互接触，并保持气封；

上述柔性气囊9的中央位置处设置有一个用于注浆钢管5插入/拔出用的注浆孔10，当柔性气囊9充气膨胀后，该注浆孔10的孔壁与注浆钢管5紧密接触，形成气密封；

上述柔性气囊9的底部设置有一安全阀15，柔性气囊9的额定工作压力为2MPa；

第三步，将井下注浆钢管5插入注浆孔10，压注注浆液进入采空区8空间，注浆液在重力作用下向采空区下侧进一步扩展；

注浆结束后，撤出注浆钢管5；

第四步，沿倾向于采空区8方向，在靠近隔离墙1的那排单体支柱和隔离墙之间的顶板上钻三个预裂孔，使预裂孔终孔位于采空区侧厚硬顶板处，并填炸药、爆破，进行顶板预裂；采空区内矸石由于重力作用向采空区下部滑移，现场测设，得到采空区内冒落矸石边缘至与预裂孔口之间的距离c＝10m，预裂顶板距煤层底板之间的垂直距离h＝20m。

根据如下公式，计算出预裂孔中心轴线与煤层平面的夹角中的那个锐角α和预裂孔钻孔深度L；

然后，打开该隔离墙1位置处的柔性气囊9上的气门嘴14，进行泄压放气，再依次拆除该柔性气囊9、靠近隔离墙的那排单体支柱和远离隔离墙的那排单体支柱；

上述三个预裂孔等间距布置，总长度等于上顺槽宽度的四分之三，中间孔与端头支架的水平距离等于上顺槽宽度，三个预裂孔的中心点位于同一直线上；

第五步，随着工作面不断向前推进，采空区8顶板自然垮落，即完成该处的上隅角处理；

第六步，依次重复上述第一步至第五步，直至工作面开采完毕；

上述大倾角开采工作面指的是倾角为30°～45°的倾斜开采工作面或急倾斜开采工作面。

上述柔性气囊9的四周设置有褶皱状裙边2。

上述柔性气囊9的内部所充气体为氮气。

在整个开采过程中，上隅角顶板廓落效果较好，CH₄和CO气体浓度分别下降到0.5％、3ppm。

表明：本发明的大倾角开采工作面的上隅角处理方法，能够一次性实现封堵、阻燃、防止瓦斯超限、大面积顶板垮落等，具有良好的安全性与实用性。