一种迎采动孤岛工作面巷道围岩卸压锚固协同控制方法与流程

1.本发明属于煤矿安全开采技术领域，具体属于一种迎采动孤岛工作面巷道围岩卸压锚固协同控制方法。


背景技术：

2.采深大、形状不规则、两侧甚至多侧采空(包括迎采动掘进)为典型的强矿压高危工作面，在原岩应力场、采空侧向应力场以及本工作面采动超前集中应力的综合作用下，煤(岩)体产生“剧烈”的动力破坏，极易发生应力集中，特别是在断层等自然构造区域、密集巷道、不规则共存与迎采动掘进区域的强矿压现象更加频繁。其中，迎采动掘进区域的强矿压治理问题是全国煤矿开采中的重大技术性难题。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种迎采动孤岛工作面巷道围岩卸压锚固协同控制方法，解决孤岛工作面巷道在原岩应力场、单向采动应力场、双向采动应力场、采空侧向应力场以及本工作面采动超前集中应力的综合作用下产生“剧烈”的动力破坏的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种迎采动孤岛工作面巷道围岩卸压锚固协同控制方法，具体步骤为：
5.s1确定迎采动阶段孤岛工作面巷道所处的区域，监测巷道围岩矿压显现规律，其中迎采动阶段包括单向采动影响阶段、双向采动影响阶段和采空区侧影响阶段；
6.s2根据围岩矿压显现规律对迎采动阶段孤岛工作面巷道进行支护，得到孤岛工作面系统；
7.s3在孤岛工作面回采前进行巷道围岩受力监测，确定孤岛工作面的高应力区；
8.s4对孤岛工作面高应力区顶板进行水力压裂卸压，水力压裂卸压后监测孤岛工作面巷道围岩的矿压，实现对孤岛工作面巷道围岩的协同控制。
9.进一步的，步骤s1中，临近工作面回采和孤岛工作面巷道掘进对煤柱支承应力影响范围的重叠区域为双向采动影响阶段，所述双向采动影响阶段的后方为单向采动影响阶段，所述双向采动影响阶段的前方为采空区侧影响阶段。
10.进一步的，步骤s1中，通过巷道迎采动掘进模拟，得到迎采动阶段孤岛工作面巷道围岩的受力和变形特征，根据受力和变形特征确定围岩矿压显现规律。
11.进一步的，步骤s2中，支护时，所述单向采动影响阶段采用锚网索支护，帮部加固采用高柔注浆锚索；所述双向采动影响阶段采用锚网索支护，帮部及顶板加固采用高柔注浆锚索；采空区侧影响阶段采用锚网索支护。
12.进一步的，步骤s3中，在孤岛工作面回采前利用锚杆测力计进行巷道围岩受力监测，利用激光测距仪进行巷道围岩变形监测。
13.进一步的，步骤s4中，进行水力压裂卸压时，在煤柱帮侧进行钻孔，所述钻孔的方
位角垂直于煤柱帮，钻孔的倾角为70
°
，钻孔间距为10m～20m，钻孔垂高为基本顶高度；钻孔水平长度和钻孔深度根据钻孔倾角和钻孔垂高确定。
14.进一步的，步骤s4中，进行水力压裂卸压时，在15～40mpa压力下单次压裂的时间为20～30min。
15.进一步的，步骤s4中，进行水力压裂卸压时，压裂次数根据顶板岩层的结构和岩层厚度确定；由钻孔底部向孔口压裂，压裂间隔为3m～6m，压裂最终位置为煤层顶板与煤层交界面附近。
16.进一步的，步骤s4中，进行水力压裂卸压时对钻孔进行封孔，封孔压力为12mpa～16mpa。
17.进一步的，步骤s4中，水力压裂结束后用水泥浆对压裂孔进行封孔。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
19.本发明的一种迎采动孤岛工作面巷道围岩卸压锚固协同控制方法，通过对孤岛工作面巷道迎采动阶段进行划分，并在不同阶段采用不同的支护方法，在孤岛工作面回采之前对巷道顶板进行水力压裂切顶卸压，保障巷道围岩的稳定性，本发明将切顶卸压技术和锚杆支护技术结合起来，形成协同作用机制，有效的控制巷道变形，达到“一次支护，永不返修”的目的。
附图说明
20.图1为孤岛工作面巷道迎采动阶段划分图；
21.图2为孤岛工作面卸压钻孔平面布置示意图；
22.图3为孤岛工作面卸压钻孔剖面布置示意图；
23.图4为水力压裂工艺图；
24.图5为封孔工艺流程图；
25.图6为加压压裂工艺流程图；
26.图7为4d光学钻孔电视实物图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
28.如图1至3所示，本发明提供一种迎采动掘进孤岛工作面巷道围岩卸压锚固协同控制方法，具体步骤为：
29.1)确定孤岛工作面巷道迎采动阶段。
30.根据临近工作面回采及孤岛工作面巷道掘进的时空关系，迎采动孤岛工作面巷道掘进过程中经历了单向采动影响阶段、双向采动影响阶段、采空区侧影响阶段。
31.2)确定孤岛工作面巷道各阶段区域划分。
32.单向采动影响阶段为孤岛工作面巷道掘进对孤岛工作面巷道围岩的影响阶段，双向采动影响阶段为临近工作面回采和孤岛工作面巷道掘进共同对孤岛工作面巷道围岩的影响阶段，采空区侧影响阶段为临近工作面回采后对孤岛工作面巷道的影响阶段。因此进行阶段划分的重点在于双向动压段的划分。
33.利用flac3d数值模拟软件进行巷道迎采动掘进模拟，分别计算临近工作面回采和
孤岛工作面巷道掘进对煤柱支承应力的影响范围，二者的重叠区域为双向采动影响阶段。该区域的后方为单向采动影响阶段，该区域的前方为采空区侧影响阶段。
34.3)确定孤岛工作面巷道各阶段巷道围岩矿压显现规律。
35.利用flac3d数值模拟软件进行巷道迎采动掘进模拟，计算各阶段孤岛工作面巷道围岩的受力、变形特征。在支护单体上安装测力计进行巷道围岩受力监测。利用激光测距仪通过十字布点法进行围岩变形监测。通过上述模拟、监测数据进行孤岛工作面巷道各阶段巷道围岩矿压显现规律分析。
36.4)确定孤岛工作面巷道掘进时期各阶段的支护参数。
37.根据上述巷道各阶段巷道围岩的受力及变形规律，确定单向采动影响阶段、双向采动影响阶段、采空区侧影响阶段的支护方式及支护方式，具体为：
38.单向采动影响阶段：本段采用锚网索支护，帮部加固采用高柔注浆锚索。
39.双向采动影响阶段：本段采用锚网索支护，帮部及顶板加固采用高柔注浆锚索。
40.采空区侧影响阶段：本段采用锚网索支护。
41.5)孤岛工作面回采前的矿压监测。
42.临近工作面回采结束及孤岛工作面巷道掘进支护后形成孤岛工作面系统，在孤岛工作面回采前利用锚杆测力计进行巷道围岩受力监测，利用激光测距仪通过十字布点法进行巷道围岩变形监测，确定孤岛工作面的高应力区。
43.6)对高应力区顶板进行水力压裂卸压，在煤柱帮侧上进行钻孔，具体钻孔参数如下：
44.孔径：孔径一般与压裂管及双端堵水器直径相匹配，一般双端堵水器直径为50mm，因此钻孔直径为56mm，若顶板较软弱，易出现塌孔现象，应在该段安装套管预防塌孔。
45.钻孔间距：根据以往水力压裂放顶工程经验，水力压裂的扩散半径为5m～10m，且考虑设备的压裂能力，因此煤柱帮侧钻孔间距10m～20m。
46.钻孔方位角：垂直于煤柱帮，节省施工工程量。
47.钻孔倾角：考虑到现场施工条件、钻孔工程量、基本顶破断特征，确定钻孔倾角为70
°
。
48.钻孔垂高：钻孔高度一般取决于基本顶高度，因此钻孔垂高为基本顶高度。
49.钻孔水平长度：根据钻孔倾角和钻孔垂高计算钻孔水平长度。
50.钻孔深度：根据钻孔倾角和钻孔垂高计算钻孔深度。
51.压裂参数如下。
52.压裂压力：根据弹性理论、煤层顶板条件及以往工作面水力压裂经验，可估水力压裂压力(正常情况在15～40mpa之间)满足压裂要求。
53.压裂次数：压裂次数根据煤层顶板岩层的结构和岩层厚度确定压裂的次数，从钻孔底部逐步向孔口压裂，压裂间隔3m～6m左右，具体根据钻孔窥视结果和压裂情况而定，压裂最终位置为煤层顶板与煤层交界面附近。
54.压裂时间：根据周围钻孔出水情况以及压裂曲线确定，当压裂曲线压力显著降低后，或出水量与进水量(约为80l/min)时，停止压裂作业，根据实施经验，单次压裂时间约为20～30分钟。
55.7)水力压裂卸压工艺流程。
56.水力压裂的工艺过程如附图4所示，利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀(图4a)，达到封孔目的，然后连接高压泵实施压裂(图4b)。
57.封孔工艺流程图如附图5所示，封孔压力为12～16mpa，严格按照下图连接管路，保证连接处密封完好，试压达到要求后投入使用。试压时加压到2～5mpa检查密封情况：
58.加压压裂工艺流程图如附图6所示，压裂时间根据泵压确定，泵压稳定后停止压裂。水力压裂结束后应对压裂孔用水泥浆进行封孔。
59.水力压裂管路连接为：清水箱
→
胶管
→
高压泵进水口
→
泵自身
→
高压泵出水口
→
高压胶管
→
t连接件
→
输水杆
→
高压封隔器。
60.8)压裂效果监测。压裂过程中，通过观测压裂孔周围已施工钻孔出水情况，压裂过程中如果周围孔有水冒出，可大致确定压裂的范围。压裂过程中，严格记录高压泵出水压力变化、压裂钻孔孔口压力变化、压裂时间等参数，建立施工台账，情况异常时及时处理，保证压裂效果。在压裂孔中通过三维成像观测系统观测压裂后裂纹情况，如附图7所示。若周边孔出水量较大且三维成像观测系统观测后孔内壁出现大量裂隙则表面压裂效果良好。
61.通过在孤岛工作面巷道设置矿压监测站和巷道位移观测站检验巷道的实际卸压、支护效果，矿压监测站采用液压单体受力计、锚杆测力计，巷道位移观测站利用激光测距仪对巷道围岩受力变形进行监测，对比卸压与未卸压巷道的矿压监测数据，表明卸压后巷道围岩矿压明显变小。
62.将上述方法应用于陕西澄合合阳煤炭开发有限公司1506孤岛工作面，煤柱峰值受力大小从17.2mpa减小到10.3mpa，巷道顶底板移近量从1200mm减小到400mm，两帮移近量从850mm减小到350mm，通过对比监测数据可知，水力压裂卸压后，巷道围岩受力及变形量都显著减小，表明巷道围岩在卸压、锚固的协同作用下得到有效控制，有利于煤矿安全高效生产。