一种水力软化切顶控制垮落步距的方法

1.本发明涉及采矿技术领域，尤其涉及一种水力软化切顶控制垮落步距的方法。


背景技术：

2.在煤炭资源的开采中，随着煤层的采出，理想条件下顶板会出现周期性的垮落。当煤层顶板赋存完整、厚度较大且强度较高时，顶板不易垮落，煤层被采出而顶板迟迟不垮落则会带来一些列安全隐患，如，过长的悬顶会造成下方煤层的应力增高，给顶板管理和巷道维护带来困难，煤体中积累的大量弹性能可能突然释放诱发冲击地压，过长的悬顶突然断裂时还会引起造成大规模的覆岩运动，甚至冲击类灾害事故。
3.煤炭开采中，遇到厚层坚硬顶板难以垮落时，须对顶板进行人为处理，强制切断顶板以控制来压步距。目前较为有效的方法有爆破断顶、顶板水压致裂等。爆破断顶可有效在顶板中制造裂隙，使顶板随煤层开采而破断、垮落，但存在工序复杂、技术要求高、炸药使用范围受限、围岩扰动大等缺点。顶板水压致裂方法采用高压水使顶板出现裂隙并扩展，从而切断坚硬顶板，需要专用高压水设备，存在设备要求高、技术难度大、成本高等缺点。
4.我国西部地区煤炭资源的开发常涉及侏罗系和白垩系地层，具有弱胶结地层的特点，该地层岩石在原始赋存状态下强度较高，但遇水却迅速软化，强度大幅降低甚至完全丧失。因此，有必要针对该类弱胶结地层研究一种水力软化切顶控制垮落步距的方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种水力软化切顶控制垮落步距的方法，针对弱胶结地层采用注水方式软化岩层，能够降低岩石强度，达到控制顶板垮落步距的目的，且无需专用设备、技术门槛低、施工安全、成本低。
6.本发明提供一种水力软化切顶控制垮落步距的方法，所述方法的步骤包括：
7.s1、确定目标层位：确定回采工作面来压的基本顶，并获得所述基本顶的岩性和厚度；
8.s2、确定所述目标层位的水理性质；
9.s3、根据步骤s1和s2的结果以及预设的垮落步距，确定软化注水孔的设置参数和注水条件；
10.s4、根据s3的结果实施布孔和注水；
11.s5、当注入的水对所述目标层位起到软化作用后，切顶自动垮落。
12.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s2包括确定所述目标层位的岩石软化系数以及注水浸润过程中各参数的关系。
13.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，确定岩石软化系数的内容包括：对所述目标层位的岩石样品分别进行饱和状态和干燥状态下的单轴抗压强度测试，根据测试结果计算出岩石软化系数。
14.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，确定注水浸润过程中各参数的关系的内容包括：对所述目标层位的岩石样品进行注水实验，获得注水压力p、软化注水孔直径φ、注水时间t与岩石浸润速度v、浸润半径r之间的关系。
15.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s3中确定的相邻两软化注水孔之间的间距为：浸润半径≤间距＜2倍浸润半径。
16.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s3中确定的相邻两软化注水孔之间的间距为4/3倍浸润半径。
17.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s3中确定的软化注水孔的直径为60-120mm。
18.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s3中软化注水孔的布设位置在工作面巷道的切眼和顺槽处。
19.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述软化注水孔相对于竖直方向的角度为0
゜‑
60
゜
。
20.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述软化注水孔在竖直方向的投影长度不小于目标层位厚度的1/2。
21.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s3中的注水条件包括最小注水压力，所述最小注水压力根据软化注水孔内的最大水压确定，所述最小注水压力≥2mpa。
22.与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明技术方案能够针对弱胶结地层进行注水软化切顶，控制初次来压步距，避免过长悬顶带来的安全隐患；
23.上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明采用注水软化，相较于常规的化学软化，能够降低化学物对地层的污染，且价格低廉、使用方便。
24.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
26.图1是本发明一个实施例提供的注水孔间距设置示意图；
27.图2是本发明一个实施例提供的水力软化切顶控制垮落步距的方法流程图；
28.图3是本发明一个实施例提供的注水软化卸压钻孔布置图。
具体实施方式
29.为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
30.应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明实施例中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
32.本发明提供一种水力软化切顶控制垮落步距的方法，特别适用于我国西部弱胶结地层坚硬厚层顶板条件下顶板垮落步距的控制。通过确定目标层位、水理性质、注水软化钻孔设计、实施等步骤解决顶板悬而不冒的问题，为安全高效生产提供切实有效的保障。
33.该水力软化切顶控制垮落步距方法的具体步骤包括：
34.(1)确定目标层位
35.通过查阅地层钻孔柱状图，确定回采工作面煤层的基本顶，即对回采工作面来压有控制作用的关键层位，明确该层位的岩性和厚度。
36.(2)水理性质
37.①
确定岩石软化系数
38.对目标层位岩石样品进行饱和状态和干燥状态下的单轴抗压强度测试，由公式(1)计算岩石软化系数，由表1确定目标层位岩石受水影响的程度，软化系数ηc《0.8时本发明的实施效果较为理想。
39.表1水对岩石影响程度
[0040][0041][0042]
式中：ηc为软化系数；σ
cw
为岩石饱和状态单轴抗压强度；σc为岩石干燥状态单轴抗压强度。
[0043]
②
确定岩石注水浸润关系
[0044]
将现场获取的岩石样品进行注水实验，通过实验结果统计计算得到注水压力p、注水孔直径φ、注水时间t与岩石浸润速度v、浸润半径r的关系，并用以下两个函数表示：
[0045]
v＝f(p,φ)，r＝f(p,φ,t)。
[0046]
浸润半径和目标层位的岩土自身性质以及注水压力相关。
[0047]
(3)注水软化钻孔设计
[0048]
①
确定注水孔布置方式。
[0049]
a)在工作面巷道施工完毕后，在切眼和顺槽中实施注水软化。
[0050]
b)钻孔直径60-120mm，由现场施工条件决定。
[0051]
c)注水孔间距由注水孔的湿润半径r确定，采用重复浸湿方式，注水孔间距为4r/3，如图1所示，相邻两个注水孔的湿润区域具有一定重叠。
[0052]
d)注水钻孔深度由目标层位的厚度确定，其在竖直方向的投影长度一般不小于目标层位厚度的1/2。
[0053]
e)钻孔仰角由注水钻孔在竖直方向的投影长度a和在水平方向的投影长度b共同确定，为arctan(a/b)。
[0054]
②
封孔。
[0055]
由于注水是向上打孔(也就是站在巷道里，向巷道顶部打孔注水)，为了让水保持在孔内，需要在孔口进行封堵(就是将注水管与钻孔之间的空隙堵住，注意不是将注水孔封堵)；一般的工序为：钻孔、埋设注水管、封孔、注水。
[0056]
a)采用快干水泥或ab胶封孔；
[0057]
b)封孔长度，不大于钻孔长度的10％。
[0058]
③
确定注水压力。
[0059]
最小注水压力由注水孔内的注入高度决定，为了确保水能够注入且注水孔顶端也能充满水，限定最小注水压力≥2mpa。
[0060]
注水过程中注水压力越大，水向外扩散的速度越快，所以这里没有约定最大的注水压力，具体操作时的注水压力可以根据具体的施工条件、要实现的垮落步距以及岩层的水理性质来综合确定。
[0061]
④
注水软化实施范围。
[0062]
对于顶板难以垮落、需要人为控制来压步距的范围由现场的实际需求确定，通常包括基本顶初次来压区间(切眼前方50m范围)和需要人为调控的周期来压区间。
[0063]
(4)实施
[0064]
根据上述方案确定注水软化基本施工参数，在弱胶结地层中进行实施后，可有效控制坚硬难冒顶板的垮落步距。
[0065]
正常采煤时，随着煤层的采出，煤层上方的顶板岩层会周期性的断裂，顶板就像一块悬板，悬的太长了就会断；顶板强度越大，能够悬出去的长度越大，越长的悬板断裂产生的冲击能量越大。因此，出于安全考虑，不想让悬板的长度太大，也就有了人为调控悬板长度的需要。通常这个悬顶长度二三十米，当顶板强度大时，不采用措施情况下选顶长度可以超过50m，很危险。通过本发明的方法在需要断裂处(也就是垮落区域的四边或周边)设置注水孔进行注水软化，从而实现可控步距的切顶垮落。
[0066]
上述步骤的具体流程如图2所示。
[0067]
实施例1：
[0068]
以我国西部某矿综采工作面为例，水力软化切顶控制垮落步距的方法如下：
[0069]
(1)确定目标层位
[0070]
该综采工作面计划开采3-1煤。由地质资料知，煤层上方存在约50m厚的粗砂岩基本顶，结合相邻已回采工作面矿压规律，预计该工作面初采阶段顶板难以垮落，初次来压步距过大，存在较高安全隐患。故确定该粗砂岩为实施注水软化的目标层位。
[0071]
(2)水理性质
[0072]
对目标层位岩石样品进行饱和状态和干燥状态下的单轴抗压强度测试，并计算岩石软化系数ηc＝0.63，具有较强的遇水软化性质。
[0073]
通过注水软化实验，2mpa注水压力、60mm注水孔径、10d注水时间的条件下，注水软化浸润半径为7.5m，浸润平均速度为0.75m/d。
[0074]
(3)注水软化钻孔设计与实施
[0075]
注水软化将针对初次来压进行调控，确定注水软化实施范围为切眼和胶带顺槽；注水软化钻孔直径60mm；按注水10d达到软化效果计算，钻孔间距为10m(不便施工的位置可以依据实际条件进行调整)，切眼中注水软化钻孔深度在竖直方向的投影高度取25m和50m
两种规格，钻孔仰角为45
°
和54
°
，间隔布置；采用快干水泥进行封孔，封孔长度3m；注水压力2mpa；注水时间10d。
[0076]
(4)效果
[0077]
按上述设计方案在切眼中进行了注水软化切顶控制初次来压步距的操作，实施后进行工作面回采，实际测试初次来压步距22.4m，处于实施软化的范围，证明注水软化切顶有效控制了来压步距，避免了过长悬顶带来的安全隐患。
[0078]
以上对本技术实施例所提供的一种水力软化切顶控制垮落步距的方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。