一种冲击地压的解危方法

摘要

一种冲击地压的解危方法，属于煤矿开采技术领域。该冲击地压的解危方法，先结合具体解危空间的综合条件，根据开采煤层的煤层厚度，确定大直径钻孔周围塑性区最大边界R，设计大直径钻孔的半径r；在解危采煤工作面时，在采煤工作面的前方煤体中，平行于煤壁，设置有n个直径为2r大直径钻孔，在解危回采巷道时，在回采巷道正煤帮侧的煤体中，平行于正煤帮设置有一个直径为2r大直径钻孔；该方法操作步骤简单、布置钻孔数量少、不必进行爆破卸压，尤其适用于有冲击地压倾向且煤层瓦斯含量高的矿井。

权利要求

1.一种冲击地压的解危方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，解危空间的综合分析

结合具体施工矿井的基本条件，综合分析解危空间的煤层地质赋存条件及地应力分布特征、煤层及围岩物理力学参数、估算工作面前方支承压力峰值、分析施工经济成本和施工技术条件；

步骤2，确定大直径钻孔参数

根据对解危空间的综合分析，考虑大直径钻孔在双向不等压应力场下，根据开采煤层的煤层厚度，确定大直径钻孔周围塑性区最大边界R，根据大直径钻孔周围塑性区最大边界R和大直径钻孔的半径r的数学定量关系，设计大直径钻孔的半径r；

步骤3，根据解危空间，设置大直径钻孔

根据解危空间的不同，设置大直径钻孔，其中，解危空间分别为：采煤工作面和回采巷道；

(1)在解危采煤工作面时，在采煤工作面的前方煤体中，平行于采煤工作面煤壁，设置有n个直径为2r大直径钻孔，大直径钻孔的垂直高度为采煤工作面巷高的一半；其中，n为正整数，n≥3；

所述的大直径钻孔为通孔时，设置在采煤工作面的前方煤体中，距离采煤工作面煤壁最近的大直径钻孔为第一钻孔，后续依次为第二钻孔、第三钻孔……，第一钻孔距采煤工作面煤壁水平距离为R，各个钻孔之间的水平距离为R；

所述的大直径钻孔为非通孔时，设置在采煤工作面的前方煤体两侧，距离采煤工作面煤壁最近的大直径钻孔为第一钻孔，后续依次为第二钻孔、第三钻孔……，第一钻孔距采煤工作面煤壁水平距离为R，各个钻孔之间的水平距离为R；奇数钻孔设置在采煤工作面的前方煤体的一侧，偶数钻孔设置在采煤工作面的前方煤体的另一侧，同一侧的钻孔的水平距离为2R；

(2)在解危回采巷道时，在回采巷道正煤帮侧的煤体中，平行于回采巷道正煤帮设置有一个直径为2r大直径钻孔，钻孔垂直高度为回采巷道高度的一半，距回采巷道的正煤帮距离D由巷道围岩塑性区范围L和大直径钻孔周围塑性区最大边界R共同确定。

2.如权利要求1所述的冲击地压的解危方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的工作面前方支撑压力峰值，其峰值位置在采煤工作面前方5～20m，峰值大小采用数值模拟的方法进行估算。

3.如权利要求1所述的冲击地压的解危方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的大直径钻孔的半径r的确定方法为：根据开采煤层的煤层厚度确定R，R为开采煤层的煤层厚度的一半，根据大直径钻孔的埋深H、大直径钻孔围岩容重γ、大直径钻孔围压比值η、大直径钻孔围岩内聚力C和内摩擦角 得出大直径钻孔半径r与大直径钻孔周围塑性区最大边界R之间的数学定量关系式，根据数学定量关系式求出r；所述的数学定量关系式如公式(1)、(2)所示：当 且R≥5r时，

当 且R≥5r，

其中，公式中，η为大直径钻孔围压比值，R为大直径钻孔周围塑性区最大边界，r为大直径钻孔半径，为内摩擦角，C为大直径钻孔围岩内聚力，σ3为最小围压，具体为垂直应力和水平应力中较小的值；其中，垂直应力通过大直径钻孔的埋深H与大直径钻孔围岩容重γ得出。

4.如权利要求1所述的冲击地压的解危方法，其特征在于，所述的步骤3(1)中，所述的采煤工作面为长直工作面。

5.如权利要求1所述的冲击地压的解危方法，其特征在于，所述的步骤3(1)中，所述的大直径钻孔，其深度为采煤工作面长度的75％～100％。

6.如权利要求1所述的冲击地压的解危方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，所述的大直径钻孔，其深度为超前工作面20～40m。

7.如权利要求1所述的冲击地压的解危方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，所述的距回采巷道的正煤帮距离D的确定方法为：D＝L+R。

说明书

一种冲击地压的解危方法

技术领域

[0001] 本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种冲击地压的解危方法，这种方法采用在解危空间煤体中布置平行采煤工作面煤壁的大直径钻孔或回采巷道煤帮的大直径钻孔解危。

背景技术

[0002] 冲击地压是煤矿各类灾害中造成破坏最严重的灾害之一，它能摧毁回采工作面、破坏巷道、造成大量人员伤亡以及巨大的经济损失，严重威胁煤矿安全生产，进行冲击地压防治研究工作是煤矿安全生产的保障。传统防治冲击地压的方法主要有深孔爆破卸压、钻孔高压注水切割、注水软化等，其中，深孔爆破卸压法孔径小、所定义的深孔是几米到十几米，孔深与工作面长度比较偏小，爆破过程中存在一定危险性，并且只能在很小程度上缓解冲击地压发生；钻孔高压注水切割、注水软化方法，受煤体自身条件的限制，常常一个注水孔仅注水几分钟后便出现反水现象，从而失去了调压注水作用，在一定程度上限制了方法的使用。本发明依据钻孔围岩蝶形塑性区理论，提出一种利用大直径钻孔对冲击地压的解危方法，通过在解危空间煤体中布置平行采煤工作面煤壁的大直径钻孔或回采巷道煤帮的大直径钻孔，实现采煤工作面和回采巷道冲击煤体内集中应力及弹性能的充分释放，避免两区域冲击地压发生。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种冲击地压的解危方法，这种方法是建立在蝶形塑性区理论上的新方法。该方法通过在解危空间煤体中布置平行采煤工作面煤壁的大直径钻孔或回采巷道煤帮的大直径钻孔，使大直径钻孔周围形成大范围塑性区，并且把煤体中的集中应力和弹性能充分释放，从而达到预防冲击地压发生的目的，有效保证采煤工作面和回采巷道稳定。

[0004] 本发明的一种冲击地压的解危方法，采用的技术方案是：

[0005] 步骤1，解危空间的综合分析

[0006] 结合具体施工矿井的基本条件，综合分析解危空间的煤层地质赋存条件及地应力分布特征、煤层及围岩物理力学参数、估算工作面前方支承压力峰值、分析施工经济成本和施工技术条件；

[0007] 步骤2，确定大直径钻孔参数

[0008] 根据对解危空间的综合分析，考虑大直径钻孔在双向不等压应力场下，根据开采煤层的煤层厚度，确定大直径钻孔周围塑性区最大边界R，根据大直径钻孔周围塑性区最大边界R和大直径钻孔的半径r的数学定量关系，设计大直径钻孔的半径r；

[0009] 步骤3，根据解危空间，设置大直径钻孔

[0010] 根据解危空间的不同，设置大直径钻孔，其中，解危空间分别为：采煤工作面和回采巷道；

[0011] (1)在解危采煤工作面时，在采煤工作面的前方煤体中，平行于采煤工作面煤壁，设置有n个直径为2r大直径钻孔，大直径钻孔的垂直高度为采煤工作面巷高的一半；其中，n为正整数，n≥3；

[0012] 所述的大直径钻孔为通孔时，设置在采煤工作面的前方煤体中，距离采煤工作面煤壁最近的大直径钻孔为第一钻孔，后续依次为第二钻孔、第三钻孔……，第一钻孔距采煤工作面煤壁水平距离为R，各个钻孔之间的水平距离为R；

[0013] 所述的大直径钻孔为非通孔时，设置在采煤工作面的前方煤体两侧，距离采煤工作面煤壁最近的大直径钻孔为第一钻孔，后续依次为第二钻孔、第三钻孔……，第一钻孔距采煤工作面煤壁水平距离为R，各个钻孔之间的水平距离为R；奇数钻孔设置在采煤工作面的前方煤体的一侧，偶数钻孔设置在采煤工作面的前方煤体的另一侧，同一侧的钻孔的水平距离为2R；

[0014] (2)在解危回采巷道时，在回采巷道正煤帮侧的煤体中，平行于回采巷道正煤帮设置有一个直径为2r大直径钻孔，钻孔垂直高度为回采巷道高度的一半，距回采巷道的正煤帮距离D由巷道围岩塑性区范围L和大直径钻孔周围塑性区最大边界R共同确定。

[0015] 所述的步骤1中，所述的工作面前方支撑压力峰值，其峰值位置在采煤工作面前方5～20m，峰值大小采用数值模拟的方法进行估算。

[0016] 所述的步骤2中，所述的大直径钻孔的半径r的确定方法为：根据开采煤层的煤层厚度确定R，R为开采煤层的煤层厚度的一半，根据大直径钻孔的埋深H、大直径钻孔围岩容重γ、大直径钻孔围压比值η、大直径钻孔围岩内聚力C和内摩擦角 得出大直径钻孔半径r与大直径钻孔周围塑性区最大边界R之间的数学定量关系式，根据数学定量关系式求出r；所述的数学定量关系式如公式(1)、(2)所示：

[0017] 当 且R≥5r时，

[0018] 当 且R≥5r，

[0019] 其中，公式中，η为大直径钻孔围压比值，R为大直径钻孔周围塑性区最大边界，r为大直径钻孔半径，为内摩擦角，C为大直径钻孔围岩内聚力，σ3为最小围压，具体为垂直应力和水平应力中较小的值；其中，垂直应力可通过大直径钻孔的埋深H与大直径钻孔围岩容重γ得出。

[0020] 所述的步骤3(1)中，所述的采煤工作面为长直工作面。

[0021] 所述的步骤3(1)中，所述的大直径钻孔，其深度为采煤工作面长度的75％～100％。

[0022] 所述的步骤3(2)中，所述的大直径钻孔，其深度为超前工作面20～40m。

[0023] 所述的步骤3(2)中，所述的距回采巷道的煤帮距离D的确定方法为：D＝L+R。

[0024] 因为采矿活动会在采动空间围岩内引起“加载”和“卸荷”过程，该过程加大了钻孔双向围压比值，对钻孔围岩塑性区产生显著影响，形成蝶形塑性区，蝶形塑性区的蝶叶尺寸随着双向围压比值的增加而增大，当双向围压比值达到一定值时，蝶叶尺寸呈加速增长，钻孔围岩蝶形塑性区蝶叶影响范围可达钻孔直径的几十倍以上，大大提高钻孔围岩塑性区范围，塑性区内煤体会产生大量裂隙，有利于集中应力释放。

[0025] 本发明的一种冲击地压的解危方法，相比于现有技术，其有益效果是：

[0026] 1.本发明提出的冲击地压的解危方法，具体是在解危空间煤体中布置平行于采煤工作面煤壁和回采巷道煤帮的大直径钻孔，在工作面推进过程中，利用大直径钻孔围岩塑性区影响范围由小到大形成大范围塑性区的过程，促进解危空间煤体中积聚的弹性能充分释放，有效避免采煤工作面和回采巷道发生冲击地压事故。

[0027] 2.本发明在应用过程中操作步骤简单、布置钻孔数量少、不必进行爆破卸压，尤其适用于有冲击地压倾向且煤层瓦斯含量高的矿井，较好地解决了冲击地压防治过程中，方法繁多、施工手续繁杂、耗费过多人力、物力等问题，本发明可较好地适用各类地质条件冲击地压防治。

附图说明

[0028] 图1为本发明实施例的大直径卸压钻孔蝶形塑性区分布图；

[0029] 图2为本发明实施例1的平行采煤工作面煤壁大直径钻孔平面布置图；

[0030] 图3为本发明实施例1的平行采煤工作面煤壁大直径钻孔塑性区示意图；

[0031] 图4为本发明实施例2的平行回采巷道煤帮大直径钻孔平面布置图；

[0032] 图5为本发明实施例2的平行回采巷道煤壁大直径钻孔周围塑性区与巷道围岩塑性区示意图；

[0033] 图6为本发明实施例3的平行采煤工作面煤壁大直径钻孔平面布置图。

具体实施方式

[0034] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的有益效果，但所结合的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0035] 实施例1

[0036] 一种冲击地压的解危方法，包括以下步骤：

[0037] 步骤1，解危空间的综合分析

[0038] 结合具体施工矿井的基本条件，综合分析解危空间的煤层地质赋存条件及地应力分布特征、煤层及围岩物理力学参数、根据数值模拟的方法，估算工作面前方支承压力峰值，峰值位置在采煤工作面前方5m～20m、分析施工经济成本和施工技术条件；

[0039] 步骤2，确定大直径钻孔参数

[0040] 根据对解危空间的综合分析，考虑大直径钻孔在双向不等压应力场下，根据开采煤层的煤层厚度，确定大直径钻孔周围塑性区最大边界R，R为开采煤层的煤层厚度的一半，根据大直径钻孔周围塑性区最大边界R和大直径钻孔的半径r的数学定量关系，设计大直径钻孔的半径r；其中，大直径卸压钻孔蝶形塑性区分布图如图1所示；

[0041] 其中，所述的大直径钻孔的半径r的确定方法为：根据开采煤层的煤层厚度确定R，R为开采煤层的煤层厚度的一半，根据大直径钻孔的埋深H、大直径钻孔围岩容重γ、大直径钻孔围压比值η、大直径钻孔围岩内聚力C和内摩擦角 得出大直径钻孔半径r与大直径钻孔周围塑性区最大边界R之间的数学定量关系式，根据数学定量关系式求出r；所述的数学定量关系式如公式(1)、(2)所示：

[0042] 当 且R≥5r时，

[0043] 当 且R≥5r，

[0044] 其中，公式中，η为大直径钻孔围压比值，R为大直径钻孔周围塑性区最大边界，r为大直径钻孔半径，为内摩擦角，C为大直径钻孔围岩内聚力，σ3为最小围压，具体为垂直应力和水平应力中较小的值；其中，垂直应力可通过大直径钻孔的埋深H与大直径钻孔围岩容重γ得到。

[0045] 步骤3，根据解危空间，设置大直径钻孔

[0046] 根据解危空间的不同，设置大直径钻孔，本实施例的解危空间为采煤工作面；

[0047] 在解危采煤工作面时，在采煤工作面的前方煤体中，平行于采煤工作面煤壁，设置有6个直径为2r大直径钻孔；

[0048] 所述的大直径钻孔设置在采煤工作面的前方煤体两侧，距离采煤工作面煤壁最近的大直径钻孔为第一钻孔，后续依次为第二钻孔、第三钻孔……，第一钻孔距采煤工作面煤壁水平距离为R，各个钻孔之间的水平距离为R，奇数钻孔设置在采煤工作面的前方煤体的一侧，偶数钻孔设置在采煤工作面的前方煤体的另一侧，同一侧的钻孔的水平距离为2R，大直径钻孔的垂直高度为采煤工作面巷高的一半，大直径钻孔的深度为工作面长度的75％。

[0049] 其中，平行采煤工作面煤壁大直径钻孔平面布置图见图2，平行采煤工作面煤壁大直径钻孔塑性区示意图见图3。

[0050] 实施例2

[0051] 步骤1，解危空间的综合分析

[0052] 结合具体施工矿井的基本条件，综合分析解危空间的煤层地质赋存条件及地应力分布特征、煤层及围岩物理力学参数、根据数值模拟的方法，估算工作面前方支承压力峰值，峰值位置在采煤工作面前方5～20m、分析施工经济成本和施工技术条件；

[0053] 步骤2，确定大直径钻孔参数

[0054] 根据对解危空间的综合分析，考虑大直径钻孔在双向不等压应力场下，根据开采煤层的煤层厚度，确定大直径钻孔周围塑性区最大边界R，R为开采煤层的煤层厚度的一半，根据大直径钻孔周围塑性区最大边界R和大直径钻孔的半径r的数学定量关系，设计大直径钻孔的半径r；其中，大直径卸压钻孔蝶形塑性区分布图如图1所示；

[0055] 其中，所述的大直径钻孔的半径r的确定方法为：根据开采煤层的煤层厚度确定R，R为开采煤层的煤层厚度的一半，根据大直径钻孔的埋深H、大直径钻孔围岩容重γ、大直径钻孔围压比值η、大直径钻孔围岩内聚力C和内摩擦角 得出大直径钻孔半径r与大直径钻孔周围塑性区最大边界R之间的数学定量关系式，根据数学定量关系式求出r；所述的数学定量关系式如公式(1)、(2)所示：

[0056] 当 且R≥5r时，

[0057] 当 且R≥5r，

[0058] 其中，公式中，η为大直径钻孔围压比值，R为大直径钻孔周围塑性区最大边界，r为大直径钻孔半径，为内摩擦角，C为大直径钻孔围岩内聚力，σ3为最小围压，具体为垂直应力和水平应力中较小的值；其中，其中，垂直应力可通过大直径钻孔的埋深H与大直径钻孔围岩容重γ得到。

[0059] 步骤3，根据解危空间，设置大直径钻孔

[0060] 根据解危空间的不同，设置大直径钻孔，本实施例的解危空间为回采巷道；

[0061] 在解危回采巷道时，在回采巷道正煤帮侧的煤体中，平行于回采巷道正煤帮设置有一个直径为2r大直径钻孔，钻孔垂直高度为回采巷道高度的一半，距回采巷道的正煤帮距离D为巷道围岩塑性区范围L和大直径钻孔周围塑性区最大边界R之和。大直径钻孔的深度为超前工作面20～40m，并且随着采煤工作面的推进大直径钻孔的深度也在同步推进。

[0062] 其中，平行回采巷道煤帮大直径钻孔平面布置图见图4，平行回采巷道煤壁大直径钻孔周围塑性区与巷道围岩塑性区示意图见图5。

[0063] 实施例3

[0064] 一种冲击地压的解危方法，包括以下步骤：

[0065] 步骤1，解危空间的综合分析

[0066] 结合具体施工矿井的基本条件，综合分析解危空间的煤层地质赋存条件及地应力分布特征、煤层及围岩物理力学参数、根据数值模拟的方法，估算工作面前方支承压力峰值，峰值位置在采煤工作面前方5～20m、分析施工经济成本和施工技术条件；

[0067] 步骤2，确定大直径钻孔参数

[0068] 根据对解危空间的综合分析，考虑大直径钻孔在双向不等压应力场下，根据开采煤层的煤层厚度，确定大直径钻孔周围塑性区最大边界R，R为开采煤层的煤层厚度的一半，根据大直径钻孔周围塑性区最大边界R和大直径钻孔的半径r的数学定量关系，设计大直径钻孔的半径r；其中，大直径卸压钻孔蝶形塑性区分布图如图1所示；

[0069] 其中，所述的大直径钻孔的半径r的确定方法为：根据开采煤层的煤层厚度确定R，R为开采煤层的煤层厚度的一半，根据大直径钻孔的埋深H、大直径钻孔围岩容重γ、大直径钻孔围压比值η、大直径钻孔围岩内聚力C和内摩擦角 得出大直径钻孔半径r与大直径钻孔周围塑性区最大边界R之间的数学定量关系式，根据数学定量关系式求出r；所述的数学定量关系式如公式(1)、(2)所示：

[0070] 当 且R≥5r时，

[0071] 当 且R≥5r，

[0072] 其中，公式中，η为大直径钻孔围压比值，R为大直径钻孔周围塑性区最大边界，r为大直径钻孔半径，为内摩擦角，C为大直径钻孔围岩内聚力，σ3为最小围压，具体为垂直应力和水平应力中较小的值；其中，垂直应力可通过大直径钻孔的埋深H与大直径钻孔围岩容重γ得到。

[0073] 步骤3，根据解危空间，设置大直径钻孔

[0074] 根据解危空间的不同，设置大直径钻孔，本实施例的解危空间为长直采煤工作面；

[0075] 在解危长直采煤工作面时，在采煤工作面的前方煤体中，平行于采煤工作面煤壁，设置有3个直径为2r大直径钻孔；

[0076] 所述的大直径钻孔设置在采煤工作面的前方煤体，距离采煤工作面煤壁最近的大直径钻孔为第一钻孔，后续依次为第二钻孔、第三钻孔……，第一钻孔距采煤工作面煤壁水平距离为R，各个钻孔之间的水平距离为R，大直径钻孔的垂直高度为采煤工作面巷高的一半，大直径钻孔的深度为采煤工作面长度，即大直径钻孔为通孔。

[0077] 其中，平行采煤工作面煤壁大直径钻孔平面布置图见图6。