一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压结构及自留巷方法

摘要

本发明公开了一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压结构及自留巷方法，包括如下步骤：对煤层顶底板灰岩同步注浆改造达到开采条件；设计多种爆破方案，在起采线切顶孔进行爆破试验，确定最优爆破参数；对顺槽顶板实施定向预裂爆破，在后方进行补强支护；工作面后方施工挡矸支护，推采后顶板垮落，两顺槽自动成巷；待挡矸支护稳定后，进行喷浆处理；推采结束时造好条件，在停采线向顶板施工切顶孔，进行爆破，推采工作面上方形成四个切缝面。本发明针对灰岩顶板进行注浆改造，采用四边定向预裂爆破，将顶板四边支承结构改变为四边自由结构，切断了顶板之间的应力传递，减小顶板压力，留设巷道可为相邻两个工作面服务，优点众多，适宜推广。

说明书

技术领域

本发明涉及采煤工作面坚硬顶板预裂卸压技术领域，具体为一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压结构及自留巷方法。

背景技术

华北型煤田是我国重要的煤田，也是受地下水害威胁最为严重的煤田之一，如黄河北煤田的11煤，是受复合薄层灰岩顶板威胁的矿层，顶板为四五灰复合灰岩含水层，该含水层岩溶裂隙发育，富水性强，与底板徐灰奥灰含水层联系密切，开采难度较大。经过疏放水试验验证，四五灰含水层水压没有下降，地层内有竖向导水通道，煤层顶底板含水量丰富，如果不加以治理，矿层难以开采。对此类地质条件应用注浆改造技术能有效隔离含水层，解放受水害严重威胁的深部煤炭资源。

随着煤矿开采方法不断完善和机械装备水平提高，沿空留巷在条件较好的薄及中厚煤层中得到了广泛的应用，可以减少巷道掘进量，解放预留煤柱，提高煤矿效益。国内常用的沿空留巷方法是在预留巷道，尤其是靠近采空区一侧加强支护，采空区顶板随推采垮落，原有巷道顶板在支护作用得以保护，巷道可为下一个工作面服务。

但是11煤灰岩顶板岩性坚硬，抗压强度达到了100MPa以上，坚硬顶板的特征在于其具有较高的强度和完整性，不易发生变形和破断。使用传统单排钻孔切缝爆破，无法切断顶板联系，导致来压步距大，在采空区侧向形成长悬臂顶板岩层结构。由于长悬臂顶板岩层的存在，在沿空留巷围岩中易形成高附加应力，顶板长期悬而不冒，造成该区域高附加应力对巷道的长时影响显著，易导致留巷顶板岩层错动，支护失效，不利于留巷围岩的稳定。此外，顶板悬而不冒，致使老顶压力无法传递至底板，而煤层开采破坏底板原有受力状态，在地应力和高承压水压力复合作用下，致使底板岩层变形不止，极易破坏底板稳定结构。11煤的底板岩层内有赋水徐灰和奥灰含水层，顶板不垮落导致底板破坏深度加大，易发生底板突水事故，影响煤矿的安全生产。

综上所述，急需提供一种改造顶板预裂卸压方法，将顶板含水层改造为弱含水或者不含水层，并使顶板在推采过程中自动冒落，压实底板，保证煤矿的安全生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压结构及自留巷方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压结构，包括切顶孔、切缝面、轨道顺槽、胶带顺槽、切眼、工作面推采方向、注浆孔、水压观测仪器、采区、首采工作面、综采支架、工字钢、钢筋网、单体液压支柱、连接梁、顶板金属网、超前支护、爆破区域、补强支护区域、挡矸支护区域和采空区，所述切顶孔包括起采线切顶孔、轨道顺槽切顶孔、胶带顺槽切顶孔、停采线切顶孔和拐角处切顶孔，所述切缝面包括起采线切缝面、轨道顺槽切缝面、胶带顺槽切缝面和停采线切缝面，所述起采线切顶孔设置在起采线切缝面上，所述起采线切缝面位于切眼处，所述轨道顺槽切顶孔位于轨道顺槽内设置的轨道顺槽切缝面上，所述胶带顺槽切顶孔位于胶带顺槽内设置的胶带顺槽切缝面上，所述停采线切顶孔设置在停采线切缝面上，所述起采线切顶孔、轨道顺槽切顶孔、胶带顺槽切顶孔和停采线切顶孔围成一个矩形，所述拐角处切顶孔设置在该矩形四角处，且该矩形内部上端为首采工作面，所述首采工作面的下方为为采区，且采区的工作面推采方向为起采线切缝面至停采线切缝面，所述首采工作面一侧设置有综采支架，所述综采支架的另一侧为采空区，所述采空区靠近轨道顺槽的一侧为挡矸支护区域，且挡矸支护区域关于轨道顺槽对称的另一侧设置有超前支护、爆破区域和补强支护区域，所述超前支护、爆破区域和补强支护区域并列设置，且并列方向与工作面推采方向垂直；

所述轨道顺槽和胶带顺槽的内壁一侧均竖直安装有工字钢，所述工字钢之间水平设置有钢筋网，且相邻工字钢之间均竖直安装有单体液压支柱，所述单体液压支柱的输出端均与连接梁固定连接，所述连接梁与水平设置的顶板金属网固定连接；

所述注浆孔包括水压观测孔、顶板注浆主孔、顶板注浆副孔、底板注浆主孔和底板注浆副孔，所述水压观测孔位于采区的外侧周围，且水压观测孔内部安装有水压观测仪器，所述顶板注浆主孔和底板注浆主孔分别贯穿采区至首采工作面的顶部和底部，且在首采工作面的顶部和底部分别分成三个顶板注浆副孔和底板注浆副孔。

一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压结构的自留巷方法，包括以下步骤：

1)从地面向采区中央施工注浆孔，直到注浆孔分别施工到采区首采工作面顶板和底板岩层，沿顶板和底板地层走向顺层施工钻孔，在顶板内施工顶板注浆主孔和顶板注浆副孔，底板内施工底板注浆主孔和底板注浆副孔，并在注浆区域3倍范围内打设水压观测孔，安装水压观测仪器；

2)通过高压注泵输送浆液，对顶板和底板进行同步注浆改造，注浆期间利用水压观测仪器持续监测顶板和底板灰岩水压水位变化，通过监测结果调整浆液配比和注浆压力，直到灰岩内裂隙水挤出，煤层达到开采条件，采区中央注浆完毕后继续向邻近工作面顶板和底板注浆，为下一工作面开采提前创造条件；

3)在采区首采工作面施工切眼、轨道顺槽和胶带顺槽，并对轨道顺槽和胶带顺槽顶板进行支护，并作为推采阶段的超前支护，在施工过程中关注顶板淋水量及水压观测孔监测数据变化特性，遇到顶板水淋量较大或者水压观测异常等情况，及时打孔探明原因并对此区域进行浆液补注，直至切眼、轨道顺槽和胶带顺槽施工完成；

4)设计不同爆破参数的爆破试验方案，根据爆破试验方案，在工作面切眼起采线向工作面顶板打设起采线切顶孔，由起采线中心分别向轨道顺槽和胶带顺槽方向实施爆破试验，形成起采线切缝面，检测爆破效果，确定最优爆破参数；

5)根据最优爆破参数，分别在工作面轨道顺槽和胶带顺槽的顶板施工切顶孔，超前工作面30-40m实施顶板定向预裂爆破，形成轨道顺槽切缝面和胶带顺槽切缝面，在两顺槽的爆破区域后方进行补强支护，形成补强支护区域，同步安装矿压监测仪器；

6)随着工作面推采，在综采支架后方架设挡矸支护，形成挡矸支护区域，顶板沿切缝线垮落，两顺槽自动形成下一工作面的巷道，依据矿压监测结果，待挡矸支护结构稳定后，对钢筋网进行喷浆处理；

7)当工作面距离至停采线8m时，为撤面造好条件，采煤机、刮板输送机回撤后，根据最优爆破参数，在工作面停采线处向采空区打设停采线切顶孔，每两台综采支架为一组从胶带顺槽向轨道顺槽方向有序回撤，回撤后对顶板实施定向预裂爆破，从胶带顺槽到轨道顺槽形成停采线切缝面，此时四个切缝面闭合，在采区顶板内形成全闭合切缝面，采空区顶板矸石垮落。

根据上述技术方案，所述步骤1)中的顶板注浆副孔施工若干个，底板注浆副孔施工若干个。

根据上述技术方案，所述步骤4)中的爆破参数包括钻孔深度、钻孔角度、装药量、装药结构、封堵长度、单次起爆孔数。

根据上述技术方案，所述步骤5)中所述的补强支护为补强锚索，进行补强支护时，若顶板完整性较差，除锚索支护外，还需对顶板打设锚杆进行改造，锚杆长度不低于1.5m，直径为16-22mm，锚杆间排距为0.8-1.0m。

根据上述技术方案，所述步骤5)中的矿压监测仪器包括锚索应力传感器、顶板围岩移动传感器、数字压力计、挡矸应力传感器等，其目的在于，可以根据矿压监测结果及时调整补强支护和挡矸支护参数。

根据上述技术方案，所述步骤5)中的切顶孔包括拐角处切顶孔和顺槽切顶孔两类，其中拐角处切顶孔为顺槽与起采线切顶孔和停采线切顶孔交叉处的钻孔，拐角处切顶孔的倾斜角度同时满足两顺槽切顶孔设计角度，起爆时拐角处切顶孔和相邻的起采线切顶孔和顺槽切顶孔同时起爆。

根据上述技术方案，所述步骤6)中的挡矸支护使用工字钢和钢筋网，工字钢卧底尺寸不低于200mm，且安装时保持垂直，与顶板接触部分使用木楔塞紧；沿工字钢顶端挂设挡风帘；沿工字钢顶端靠近连接梁，连接梁下部由单体液压支柱支撑，提供侧向支撑力，钢筋网和顶板金属网之间搭接100mm。

根据上述技术方案，所述步骤6)中的确定挡矸支护稳定的标准为挡矸支护压力10天内变化幅度不超过±5％，即视为稳定。

根据上述技术方案，所述步骤7)中四个切缝面闭合是指停采线切缝面、轨道顺槽切缝面、胶带顺槽切缝面、起采线切缝面连通，形成全闭合切缝面。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

(1)通过注浆改造富水灰岩顶板，浆液填充裂隙达到治水目的，为安全开采创造条件，由工作中央向四周注浆可为首采工作面的开采创造先机条件，有利于企业提早产煤，提高经济效益；同时首采工作面注浆完毕后，继续为临近工作面注浆可提高注浆孔使用率降低钻孔成本。

(2)借助水压观测仪器，可对注浆和煤层开采两个过程顶底板含水层进行全程监测，保障施工安全。

(3)通过对改造复合顶板四边(起采线、胶带顺槽、轨道顺槽和停采线)预裂爆破，将完整顶板四边支承结构改变为四边自由结构，切断采空区与巷道顶板之间的联系，也切断了顶板之间的应力传递，减小顶板压力。

(4)起采线作为未来的采空区，可进行爆破试验，确定最优爆破参数，保证了两顺槽和停采线切顶孔取得良好的爆破效果，避免对巷道和设备的破坏。

(5)顶板预裂卸压后，随着工作面的推采，顶板矸石垮落，顶板压力及时传递至底板，减少了采空区底板破坏深度，避免了底板突水事故。

(6)通过两顺槽预裂爆破，可实现工作面两边留巷，留设巷道可为相邻两个工作面服务，同时便于安装矿压监测仪器，使其能对工作面进行长期不间断的矿压观测。

(7)在两顺槽和起采线及停采线切顶孔的拐角连接处，钻孔向采空区方向倾斜，确保交叉处的爆破效果，形成完整切缝面。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的采煤首采工作面顶底板同步注浆改造示意图；

图2为本发明的采煤首采工作面顶板注浆改造示意图；

图3为本发明的采煤工作面切顶孔开孔位置布置俯视图；

图4为本发明的采煤工作面拐角处切顶孔俯视图；

图5为本发明的采煤工作面切顶孔俯视图；

图6为本发明的采煤工作面切顶孔三维图；

图7为本发明的工作面推采后顶板冒落图；

图8为本发明的工作面挡矸支护三维图；

图9为本发明的工作面各区段空间位置图；

图中：1、切顶孔；11、起采线切顶孔；12、轨道顺槽切顶孔；13、胶带顺槽切顶孔；14、停采线切顶孔；15、拐角处切顶孔；2、切缝面；21、起采线切缝面；22、轨道顺槽切缝面；23、胶带顺槽切缝面；24、停采线切缝面；31、轨道顺槽；32、胶带顺槽；33、切眼；34、工作面推采方向；41、注浆孔；42、水压观测孔；43、顶板注浆主孔；44、顶板注浆副孔；45、底板注浆主孔；46、底板注浆副孔；47、水压观测仪器；51、采区；52、首采工作面；53、综采支架；61、工字钢；62、钢筋网；71、单体液压支柱；72、连接梁；73、顶板金属网；81、超前支护；82、爆破区域；83、补强支护区域；84、挡矸支护区域；85、采空区。

需要特别说明的是，超前支护、爆破区域、补强支护区域和挡矸支护区域均在同一个顺槽，只是与工作面相对距离不同。为了直观体现超前支护、爆破区域、补强支护区域和挡矸支护区域在同一个顺槽的位置区域及空间和施工先后关系，故在图9中将其平行视图展示。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压结构，包括切顶孔1、切缝面2、轨道顺槽31、胶带顺槽32、切眼33、工作面推采方向34、注浆孔41、水压观测仪器47、采区51、首采工作面52、综采支架53、工字钢61、钢筋网62、单体液压支柱71、连接梁72、顶板金属网73、超前支护81、爆破区域82、补强支护区域83、挡矸支护区域84和采空区85，切顶孔1包括起采线切顶孔11、轨道顺槽切顶孔12、胶带顺槽切顶孔13、停采线切顶孔14和拐角处切顶孔15，切缝面2包括起采线切缝面21、轨道顺槽切缝面22、胶带顺槽切缝面23和停采线切缝面24，起采线切顶孔11设置在起采线切缝面21上，起采线切缝面21位于切眼33处，轨道顺槽切顶孔12位于轨道顺槽31内设置的轨道顺槽切缝面22上，胶带顺槽切顶孔13位于胶带顺槽32内设置的胶带顺槽切缝面23上，停采线切顶孔14设置在停采线切缝面24上，起采线切顶孔11、轨道顺槽切顶孔12、胶带顺槽切顶孔13和停采线切顶孔14围成一个矩形，拐角处切顶孔15设置在该矩形四角处，且该矩形内部上端为首采工作面52，首采工作面52的下方为为采区51，且采区51的工作面推采方向34为起采线切缝面21至停采线切缝面24，首采工作面52一侧设置有综采支架53，综采支架53的另一侧为采空区85，采空区85靠近轨道顺槽31的一侧为挡矸支护区域84，且挡矸支护区域84关于轨道顺槽31对称的另一侧设置有超前支护81、爆破区域82和补强支护区域83，超前支护81、爆破区域82和补强支护区域83并列设置，且并列方向与工作面推采方向34垂直；

轨道顺槽31和胶带顺槽32的内壁一侧均竖直安装有工字钢61，工字钢61之间水平设置有钢筋网62，且相邻工字钢61之间均竖直安装有单体液压支柱71，单体液压支柱71的输出端均与连接梁72固定连接，连接梁72与水平设置的顶板金属网73固定连接；

注浆孔41包括水压观测孔42、顶板注浆主孔43、顶板注浆副孔44、底板注浆主孔45和底板注浆副孔46，水压观测孔42位于采区51的外侧周围，且水压观测孔42内部安装有水压观测仪器47，顶板注浆主孔43和底板注浆主孔45分别贯穿采区51至首采工作面52的顶部和底部，且在首采工作面52的顶部和底部分别分成三个顶板注浆副孔44和底板注浆副孔46。

一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压结构的自留巷方法，包括以下步骤：

1)从地面向采区51中央施工注浆孔41，直到注浆孔41分别施工到采区51首采工作面52顶板和底板岩层，沿顶板和底板地层走向顺层施工钻孔，在顶板内施工顶板注浆主孔43和顶板注浆副孔44，底板内施工底板注浆主孔45和底板注浆副孔46，并在注浆区域3倍范围内打设水压观测孔42，安装水压观测仪器47；

2)通过高压注泵输送浆液，对顶板和底板进行同步注浆改造，注浆期间利用水压观测仪器47持续监测顶板和底板灰岩水压水位变化，通过监测结果调整浆液配比和注浆压力，直到灰岩内裂隙水挤出，煤层达到开采条件，采区51中央注浆完毕后继续向邻近工作面顶板和底板注浆，为下一工作面开采提前创造条件；

3)在采区51首采工作面52施工切眼33、轨道顺槽31和胶带顺槽32，并对轨道顺槽31和胶带顺槽32顶板进行支护，并作为推采阶段的超前支护81，在施工过程中关注顶板淋水量及水压观测孔42监测数据变化特性，遇到顶板水淋量较大或者水压观测异常等情况，及时打孔探明原因并对此区域进行浆液补注，直至切眼33、轨道顺槽31和胶带顺槽32施工完成；

4)设计不同爆破参数的爆破试验方案，根据爆破试验方案，在工作面切眼33起采线向工作面顶板打设起采线切顶孔11，由起采线中心分别向轨道顺槽31和胶带顺槽32方向实施爆破试验，形成起采线切缝面21，检测爆破效果，确定最优爆破参数；

5)根据最优爆破参数，分别在工作面轨道顺槽31和胶带顺槽32的顶板施工切顶孔1，超前工作面30-40m实施顶板定向预裂爆破，形成轨道顺槽切缝面22和胶带顺槽切缝面23，在两顺槽的爆破区域82后方进行补强支护，形成补强支护区域83，同步安装矿压监测仪器；

6)随着工作面推采，在综采支架53后方架设挡矸支护，形成挡矸支护区域84，顶板沿切缝线垮落，两顺槽自动形成下一工作面的巷道，依据矿压监测结果，待挡矸支护结构稳定后，对钢筋网62进行喷浆处理；

7)当工作面距离至停采线8m时，为撤面造好条件，采煤机、刮板输送机回撤后，根据最优爆破参数，在工作面停采线处向采空区85打设停采线切顶孔14，每两台综采支架53为一组从胶带顺槽32向轨道顺槽31方向有序回撤，回撤后对顶板实施定向预裂爆破，从胶带顺槽32到轨道顺槽31形成停采线切缝面24，此时四个切缝面闭合，在采区51顶板内形成全闭合切缝面，采空区85顶板矸石垮落。

根据上述技术方案，步骤1)中的顶板注浆副孔44施工若干个，底板注浆副孔46施工若干个。

根据上述技术方案，步骤4)中的爆破参数包括钻孔深度、钻孔角度、装药量、装药结构、封堵长度、单次起爆孔数。

根据上述技术方案，步骤5)中的补强支护为补强锚索，进行补强支护时，若顶板完整性较差，除锚索支护外，还需对顶板打设锚杆进行改造，锚杆长度不低于1.5m，直径为16-22mm，锚杆间排距为0.8-1.0m。

根据上述技术方案，步骤5)中的矿压监测仪器包括锚索应力传感器、顶板围岩移动传感器、数字压力计、挡矸应力传感器等，其目的在于，可以根据矿压监测结果及时调整补强支护和挡矸支护参数。

根据上述技术方案，步骤5)中的切顶孔1包括拐角处切顶孔15和顺槽切顶孔两类，顺槽切顶孔包括轨道顺槽切顶孔12和胶带顺槽切顶孔13，其中拐角处切顶孔15为轨道顺槽31和胶带顺槽32与起采线切顶孔11和停采线切顶孔14交叉处的钻孔。

根据上述技术方案，步骤6)中的挡矸支护使用工字钢61和钢筋网62，工字钢61卧底尺寸不低于200mm，且安装时保持垂直，与顶板接触部分使用木楔塞紧；沿工字钢61顶端挂设挡风帘；沿工字钢61顶端靠近连接梁72，连接梁72下部由单体液压支柱71支撑，提供侧向支撑力，钢筋网62和顶板金属网73之间搭接100mm。

根据上述技术方案，步骤6)中的确定挡矸支护稳定的标准为挡矸支护压力10天内变化幅度不超过±5％，即视为稳定。

根据上述技术方案，步骤7)中四个切缝面闭合是指停采线切缝面24、轨道顺槽切缝面22、胶带顺槽切缝面23、起采线切缝面21连通，形成全闭合切缝面。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。