采空区散矸超前预注固结沿空掘巷方法、施工方法及系统与流程

本技术涉及煤矿掘巷，尤其是涉及采空区散矸超前预注固结沿空掘巷方法、施工方法及系统。

背景技术：

1、巷道围岩的稳定性对矿井生产具有十分重要的意义，回采巷道的布置与支护方式与巷道围岩稳定性息息相关。我国煤矿新掘巷道中，受采动影响的煤巷约占80％，长期以来，为应对回采工作面的采动影响，一般将下区段巷道布置于工作面一定范围外，但随着开采深度的不断增加，护巷煤柱宽度越来越大，致使煤炭采出率降低、巷道维护困难。

2、因此，亟需一种能够平衡煤炭回收率、技术工艺难度及巷道围岩稳定的无煤柱护巷方法。

技术实现思路

1、本技术提供的一种涉及采空区散矸超前预注固结沿空掘巷方法、施工方法及系统，用于解决无法实现平衡煤炭回收率、技术工艺难度及巷道围岩稳定的无煤柱护巷方法的问题。

2、本技术第一方面提供一种涉及采空区散矸超前预注固结沿空掘巷方法，方法包括：

3、获取矿井现场的生产数据及垮落矸石的基础数据，其中，所述基础数据包括煤层顶板岩性参数、煤层开采高度、巷道掘进尺寸和巷道掘进速度；

4、根据所述基础数据，得到超前预注的固结区域的高度、固结区域体积和固结区域矸石重量；

5、根据矸石块度、级配尺寸l，以及预设的成型胶结体的抗压强度的设计要求，确定散矸速凝高强固结剂的成分比例；

6、根据适配所述矿井现场的散矸固结体强度需求，确定固结体中各组分的占比，其中，所述固结体包括所述散矸速凝高强固结剂和散矸；

7、根据超前预注的固结区域的长度，确定散矸速凝高强固结剂的流动半径；

8、根据巷道开采高度、超前预注的区域长度，以及巷道掘进期间超前预注的最小间隔距离，确定注料孔的参数，所述注料孔的参数包括所述注料孔深度和倾斜角度参数；

9、根据所述固结体、所述超前预注的最小间隔距离和所述注料孔参数，进行所述矿井现场的应用。

10、可实施的一些方式中，所述根据所述基础数据，得到超前预注的固结区域的高度、固结区域体积和固结区域矸石重量的步骤，包括：

11、根据所述煤层顶板岩性数据，得到煤层顶板垮落矸石的碎胀系数；其中，所述碎胀系数kp计算公式：

12、

13、其中，kp为碎胀系数；v1为岩石破碎后处于松散状态下的体积；v2为岩石破碎前处于整体状态下的体积；

14、根据所述碎胀系数，以及所述煤层开采高度，确定超前预注的固结区域的高度；

15、根据所述超前预注的固结区域的高度，以及所述超前预注的固结区域长度，确定所述超前预注的固结区域体积，其中，所述超前预注的固结区域长度表示矿井实际对工作面矿压显现程度进行评估得到的长度；

16、根据所述超前预注的固结区域体积、所述碎胀系数以及矸石破碎前的表观密度，确定所述超前预注的固结区域矸石重量；其中，

17、

18、其中，hg为所述超前预注的固结区域的高度；hm为巷道开采高度；l为所述超前预注的固结区域长度；vg为所述超前预注的固结区域体积；ρ1为矸石破碎前的表观密度；mg为所述超前预注的固结区域矸石重量。

19、可实施的一些方式中，所述预设的成型胶结体的抗压强度的设计要求，以及所述基础数据，确定散矸速凝高强固结剂的成分比例的步骤，包括：

20、根据所述矸石块度、所述级配尺寸，以及所述预设的成型胶结体的抗压强度的设计要求，得到灌注压力、初凝时间、终凝时间和预设天数的强度；

21、根据所述灌注压力、所述初凝时间、所述终凝时间和所述预设天数的强度，确定所述散矸速凝高强固结剂的成分比例，其中，所述散矸速凝高强固结剂包括强分散剂、初凝促进剂、高效减水剂。

22、可实施的一些方式中，所述根据适配所述矿井现场的散矸固结体强度需求，确定固结体中各组分的占比的步骤，包括：

23、根据所述矿井现场对应的应力需求，以及煤层的开采高度、埋深和地质构造对应力产生影响的环境因素，确定所述固结体的适应强度；

24、根据所述固结体的适应强度，确定所述固结体中各组分的占比；

25、根据所述固结体包括的散矸速凝高强固结剂和散矸的占比，得到所述散矸速凝高强固结剂的用量体积；其中，

26、所述散矸速凝高强固结剂的用量体积vc计算公式：

27、

28、其中，vc为所述散矸速凝高强固结剂的用量体积；nc为所述固结体中所述散矸速凝高强固结剂的占比；ng为所述固结体中组成所述散矸的矸石的占比；ρc为所述散矸速凝高强固结剂的密度。

29、可实施的一些方式中，所述根据超前预注的固结区域的长度，确定散矸速凝高强固结剂的流动半径的步骤，包括：

30、根据超前预注的固结区域长度，确定所述散矸速凝高强固结剂的流动半径；其中，所述流动半径rc计算公式：

31、

32、其中，rc为所述流动半径；l为超前预注的固结区域长度。

33、可实施的一些方式中，所述巷道开采高度、超前预注的区域长度，以及巷道掘进期间超前预注的最小间隔距离，确定注料孔的参数，所述注料孔的参数包括所述注料孔深度和倾斜角度参数的步骤，包括：

34、根据所述散矸速凝高强固结剂的终凝时间、所述巷道掘进速度，以及所述散矸速凝高强固结剂的流速，确定巷道掘进期间超前预注的最小间隔距离；其中，所述巷道掘进期间超前预注的最小间隔距离ls的计算公式：

35、

36、其中，ls为超前预注最小间隔距离；vj为巷道掘进速度；vl为散矸速凝高强固结剂流速；t3为散矸速凝高强固结剂注满超前预注固结区域用时；r为注料管半径。

37、可实施的一些方式中，所述根据巷道开采高度、超前预注的区域长度，以及巷道掘进期间超前预注的最小间隔距离，确定注料孔的参数，所述注料孔的参数包括所述注料孔深度和倾斜角度参数的步骤，包括：

38、根据所述巷道开采高度、所述超前预注的区域长度，以及所述巷道掘进期间超前预注的最小间隔距离，确定注料管钻孔深度及注料管钻孔倾斜角度；其中，

39、

40、其中，l1为所述注料管钻孔深度；hm为巷道开采高度；hg为所述超前预注的固结区域的高度；α为所述注料管钻孔倾斜角度；lm为注料管距注料侧巷帮距离；l为所述超前预注的固结区域长度；ls为超前预注最小间隔距离。

41、本技术第二方面提供一种采空区散矸超前预注固结沿空掘巷施工方法，应用于前述的采空区散矸超前预注固结沿空掘巷方法，包括：

42、在巷道掘进工作开始前，根据注料孔参数，对采空区垮落矸石，打注料孔，并铺设注料管进行注料作业；其中，所述注料作业所用浆液为固结体。

43、待所述固结体中散矸速凝高强固结剂的终凝时间过后，沿所述固结体与煤体胶结面进行掘进作业，使巷道断面成型；

44、所述巷道断面成型后，开展锚杆索支护作业，其中，所述锚杆索包括锚杆和锚索；

45、巷道的工作面掘进作业与注料作业同步进行；

46、当掘进的掘进面与注料固结区域的边界距离，达到超前预注最小间隔距离，在所述工作面继续掘进的同时，按照设计钻孔施工所述注料孔，开展对所述注料孔注料作业；其中，所述注浆作业时，在不大于限定值的情况下，不断提高注浆压力，直至浆液计算所需量用完，停止注料作业；

47、当工作面掘进至与下一个注料固结区域的边界，相距超前预注最小间隔距离时，在所述工作面继续掘进的同时，按照设计钻孔施工所述注料孔，开展对所述注料孔注料作业；

48、若相距超前预注最小间隔距离，则在所述工作面继续掘进的同时，按照设计钻孔施工所述注料孔，开展对所述注料孔注料作业，直至巷道掘进完成。

49、本技术第三方面提供一种采空区散矸超前预注固结沿空掘巷系统，应用于前述的采空区散矸超前预注固结沿空掘巷方法，包括：

50、获取模块，用于获取矿井现场的生产数据及垮落矸石的基础数据，其中，所述基础数据包括煤层顶板岩性参数、煤层开采高度、巷道掘进尺寸和巷道掘进速度；

51、执行模块，用于根据所述基础数据，得到超前预注的固结区域的高度、固结区域体积和固结区域矸石重量；

52、配比模块，用于根据矸石块度、级配尺寸l，以及预设的成型胶结体的抗压强度的设计要求，确定散矸速凝高强固结剂的成分比例；

53、配比模块，还用于根据适配所述矿井现场的散矸固结体强度需求，确定固结体中各组分的占比，其中，所述固结体包括所述散矸速凝高强固结剂和散矸；

54、判断模块，用于根据超前预注的固结区域的长度，确定散矸速凝高强固结剂的流动半径；

55、判断模块，还用于根据巷道开采高度、超前预注的区域长度，以及巷道掘进期间超前预注的最小间隔距离，确定注料孔的参数，所述注料孔的参数包括所述注料孔深度和倾斜角度参数；

56、输出模块，用于根据所述固结体、所述超前预注的最小间隔距离和所述注料孔参数，进行所述矿井现场的应用。

57、本技术第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行前述的采空区散矸超前预注固结沿空掘巷方法。

58、本技术有益效果：

59、一种涉及采空区散矸超前预注固结沿空掘巷方法，首先，获取矿井现场的生产数据及垮落矸石的基础数据，其中，所述基础数据包括煤层顶板岩性参数、煤层开采高度、巷道掘进尺寸和巷道掘进速度；接下来，根据所述基础数据，得到超前预注的固结区域的高度、固结区域体积和固结区域矸石重量；然后，根据矸石块度、级配尺寸l，以及预设的成型胶结体的抗压强度的设计要求，确定散矸速凝高强固结剂的成分比例；根据所述矿井现场对应的应力需求，确定固结体的中各组分的占比，其中，所述固结体包括所述散矸速凝高强固结剂和散矸；根据所述固结体的散矸固结终凝时间、所述巷道掘进速度、胶凝固结材料的流速，确定所述超前预注的最小间隔距离；根据超前预注的固结区域长度，确定散矸速凝高强固结剂的流动半径，再综合巷道开采高度、超前预注的区域长度，以及巷道掘进期间超前预注的最小间隔距离，进一步确定注料孔深度、倾斜角度等参数；最后，根据所述固结体、所述超前预注的最小间隔距离和所述注料孔参数，进行所述矿井现场的应用。通过上述方法，能够实现对矿井的采空区提前预注散矸速凝高强固结剂，使预注区域内散矸与固结剂形成高强固结体，巷道在沿固结体与煤体胶结面掘进的同时开展对下一固结区域的超前预注，实现边注边掘高回收率、高掘进效率的零煤柱沿空掘巷，弥补现有巷道掘进技术的不足。