一种煤层改性防治冲击地压的方法

1.本发明涉及一种防治冲击地压的方法，具体涉及一种煤层改性防治冲击地压的方法。属于岩层控制领域。


背景技术：

2.近年来，煤矿开采深度逐渐加大，冲击地压的现象越来越受到世界各国的关注。为了有效减少冲击地压的发生，目前常用的治理方法有大直径钻孔卸压、煤体卸压爆破、顶板卸压爆破、煤层注水卸压等防冲措施。煤体卸压爆破可以在煤岩体中形成卸压带，使支承压力峰值向煤岩体深部转移，并释放一部分积聚的弹性能，从而达到在巷道或工作面附近卸压，消除冲击地压危险的作用。但工程实践中发现，破碎煤体极不利于巷道支护，并且工作面回采至破碎煤体附近时，极易发生片帮危险，不利于工作面的安全回采。同时，破碎的煤体容易产生重新堆叠，形成二次应力集中，对冲击地压的防治也极为不利。虽有部分学者提出了煤体破碎后进行注浆加固的方法，但浆液选择多为水泥浆液，水泥浆液胶结的煤体较为坚硬，这又间接增加了煤体的强度，不利于冲击灾害的防治。因此，从煤体(特别是硬煤)本身性质上改变冲击地压的发生机理是工程中亟待解决的问题。
3.申请号为cn202110556502.2的发明专利公开了一种深埋巷道冲击地压解危方法，将巷道周围岩体为由近及远划分巷道支护层、软弱吸能层、坚硬岩原层，在巷道支护层、软弱吸能层范围内钻孔爆破，形成裂隙；岩层卸压后，在巷道支护层范围内进行高压水泥注浆，形成支护带。该方法适仅适用于巷道周围岩体范围内的地压控制，不适用于煤层中的地压控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种煤层改性防治冲击地压的方法，在采掘过程中，既能够增加煤层巷道的支护能力，又能增强煤层的卸压效果和阻隔振动波传递的能力。从而起到高效、安全生产的目的。
5.本发明提出的一种煤层改性防治冲击地压的方法，包括如下步骤：
6.a、采用多因素耦合法确定应力集中区域；
7.b、在应力集中区域进行深孔爆破：
8.爆破孔孔位设置为距离巷道煤层底板为1.0～1.5m，直径为42mm，深度≥20m，孔间距根据式(1)和(2)计算；
[0009][0010][0011]
式中：
[0012]
ρe为炸药密度，ρe＝1.20
×
103kg/m3；
[0013]
d为炸药爆速，d＝4400m/s；
[0014]
dc为炸药直径；
[0015]
db为炮孔直径；
[0016]
n为爆生气体碰撞岩壁时产生的应力增大倍数，n＝8～12，取12；
[0017]
σ
t
为岩体的抗拉强度，取5.0mpa；
[0018]
rb为爆破孔半径；
[0019]
pr为炸药爆炸时对孔壁产生的初始冲击压力值；
[0020]
r为爆破孔间距；
[0021]
通过爆破，使相邻的爆破孔爆破产生的裂隙相互贯通；
[0022]
c、爆破区域进行注浆胶结：煤体爆破后，通过爆破孔对爆破区域进行高压注浆，注浆材料选用密度较低、孔隙率较高的材料；判断标准为浆液从注浆孔流出量与注入量基本相同，停止注浆，并封堵注浆孔，等待浆液胶结煤体；
[0023]
通过爆破碎煤卸压与高泡水泥注浆，单个爆破孔爆破区域的煤体会形成一个圆形煤层改性带；相邻的圆形煤层改性带互相衔接；
[0024]
d、煤体改性防冲效果检验：
[0025]
采用钻屑法对注浆区域进行检验，若钻屑煤粉量未减小，说明煤层改性卸压效果达不到防冲要求，继续重复步骤b和c，直至煤粉量达到临界值以下；若钻屑煤粉量明显减小且小于临界值，则说明煤层改性卸压效果良好，工作面可以安全回采。
[0026]
优选的，所述步骤b中，对于中厚煤层易采用三花眼或五花眼布置爆破孔，薄煤层可采用单排眼布置爆破孔。
[0027]
优选的，步骤c中，注浆材料选用高泡水泥。
[0028]
优选的，步骤c中，注浆程度直至浆液不少于爆破裂隙体积的80％。
[0029]
进一步的，步骤b中，装药深度不大于炮孔长度的2/3，采用黄土炮泥封满封实。
[0030]
与现有技术相比，本发明采用爆破碎煤卸压与高泡水泥注浆耦合的方法来改性煤体，从而达到防治冲击地压的目的。该方法不仅能够在煤岩体中形成卸压带，使支承压力峰值向煤岩体深部转移，并释放一部分积聚的弹性能，从而达到在巷道或工作面附近卸压，消除冲击地压危险的作用；还能利用高泡水泥注浆增加煤体完整性有利于巷道支护，同时，高泡水泥的密度较小，刚度较低，可以为煤体变形形成一定的卸压空间，并且高泡水泥的多孔性质可以削弱振动波在煤层中的传播，降低冲击地压发生的可能性。
附图说明
[0031]
图1为本发明中厚煤层下，五花眼爆破孔布置示意图；
[0032]
图2为本发明中爆破孔高泡水泥注浆后示意图；
[0033]
图3为本发明在薄煤层下，煤体改性防冲效果示意图。
[0034]
图中：
[0035]
1.顶板，2.煤体，3.底板，4.爆破孔，5.裂隙，6.圆形煤层改性带，7.充填体。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0037]
需要说明的是，本发明仅适用于待采的煤体2，以薄煤层为实施例，如图3，顶板1及底板3之间为有应力集中的煤体2，本发明提出的一种煤层改性防治冲击地压的方法，包括如下步骤：
[0038]
a、采用多因素耦合法确定应力集中区域；具体可为，根据工作面地质因素和开采技术因素划定煤体2中的冲击危险区域；采用钻屑法、应力在线和微震等方法确定应力集中区域。
[0039]
b、在应力集中区域进行深孔爆破：
[0040]
需确定爆破孔4的位置及间距，爆破孔4孔位设置为距离巷道煤层底板3为1.0～1.5m，直径为42mm，深度≥20m，孔间距根据式(1)和(2)计算；
[0041][0042][0043]
式中：
[0044]
ρe为炸药密度，ρe＝1.20
×
103kg/m3；
[0045]
d为炸药爆速，d＝4400m/s；
[0046]
dc为炸药直径；
[0047]
db为炮孔直径；
[0048]
n为爆生气体碰撞岩壁时产生的应力增大倍数，n＝8～12，取12；
[0049]
σ
t
为岩体的抗拉强度，取5.0mpa；
[0050]
rb为爆破孔4半径；
[0051]
pr为炸药爆炸时对孔壁产生的初始冲击压力值；
[0052]
r为爆破孔4间距；
[0053]
通过爆破，使相邻的爆破孔4爆破产生的裂隙5相互贯通；
[0054]
c、爆破区域进行高泡水泥注浆胶结：煤体2爆破后，爆破孔4会产生径向裂隙5，通过步骤b合理的控制爆破孔4间距，使得相邻的爆破孔4爆破产生的裂隙5相互贯通。
[0055]
如图2及图3，通过爆破孔4对爆破区域进行高压注浆，注浆材料选用密度较低、孔隙率较高的材料，优选的，可以使用高泡水泥；判断标准为浆液从注浆孔流出量与注入量基本相同，停止注浆，并封堵注浆孔，注浆材料充填后，形成在煤体2内形成充填体7，等待充填体7胶结煤体2；
[0056]
通过爆破碎煤卸压与高泡水泥注浆，单个爆破孔4爆破区域的煤体2会形成一个圆形煤层改性带6；由于相邻的爆破孔4爆破产生的裂隙5相互贯通，因此相邻的圆形煤层改性带6互相衔接；形成一个具有完整性好，强度低，变形量大和多孔性等特点的煤层改性区域。由于爆破后进行了泄压，该区域的地压明显减弱，冲击地压发生概率大大降低。而裂隙5区域充填了高泡水泥，使爆破碎裂的煤体2重新胶接起来，但胶接强度不高，能够同时起到加
强巷帮支护、降低煤体2周围应力集中的作用。一旦其他区域产生冲击地压，内部应力传导至煤层改性区域后，应力被高充填体7吸收，将大大削弱冲击波。而煤层改性区域完整度好，在采煤机割煤时，工作面的煤体2不易发生垮落，引发安全事故。
[0057]
d、煤体改性防冲效果检验：
[0058]
采用钻屑法对注浆区域进行检验，若钻屑煤粉量未减小，说明煤层改性卸压效果达不到防冲要求，继续重复步骤b和c，直至煤粉量达到临界值以下；若钻屑煤粉量明显减小且小于临界值，则说明煤层改性卸压效果良好，工作面可以安全回采。
[0059]
优选的，所述步骤b中，对于中厚煤层易采用三花眼或五花眼布置爆破孔4，例如图1，为采用五花眼方式布置爆破孔4，其中横向间距r为同一排相邻的爆破孔4之间的间距。纵向的间距r为同一列相邻的爆破孔4之间的间距。薄煤层可采用单排眼布置爆破孔4，如图3。
[0060]
为了保证注浆的效果，优选的，步骤c中，注浆程度直至浆液不少于爆破裂隙5体积的80％。
[0061]
为进一步的，步骤b中，装药深度不大于炮孔长度的2/3，采用黄土炮泥封满封实。
[0062]
与现有技术相比，本发明采用爆破碎煤卸压与高泡水泥注浆耦合的方法来改性煤体2，从而达到防治冲击地压的目的。该方法不仅能够在煤岩体中形成卸压带，使支承压力峰值向煤岩体深部转移，并释放一部分积聚的弹性能，从而达到在巷道或工作面附近卸压，消除冲击地压危险的作用；还能利用高泡水泥注浆增加煤体2完整性有利于巷道支护，同时，高泡水泥的密度较小，刚度较低，可以为煤体2变形形成一定的卸压空间，并且高泡水泥的多孔性质可以削弱振动波在煤层中的传播，降低冲击地压发生的可能性。