一种采煤方法

技术领域

本发明涉及矿下施工技术领域，尤其涉及一种采煤方法。

背景技术

现有技术中，经常采用分层开采的方式来开采厚煤层，在采完上层煤层后再依次开采下层煤层。在开采上煤层时，为了保护井巷等而在上层中临时或永久性留设有未采动煤体，称之为遗留煤柱或上层煤柱。在开采下层煤层时，上层的遗留煤柱或上层煤柱处于下层煤层的顶板的上方，会向下传递矿压。在开采下层煤时，遗留煤柱或上层煤柱会向下传递上层煤覆岩的集中应力，增加了下层煤层采掘作业过程中的风险系数。井下的遗留煤柱在集中应力或矿井水的作用下会产生蠕变，可能发生突发性破坏，引起开采损害或矿井灾害。

有鉴于此，提供一种提高作业安全性的采煤方法成为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高作业安全性的采煤方法。

本发明技术方案提供一种采煤方法，包括上下布置的多层分层煤层；

包括如下步骤：

S001：在开采上层煤层时，在上层煤层中留下上层煤柱，上层煤柱的前后两侧形成有联络巷；

S002：在上层煤柱中找出应力核心区域；

S003：超前所述下层煤层的采煤工作面，在上层的联络巷中布置水力割缝钻机设备；

S004：在开采所述下层煤层时，通过所述水力割缝钻机设备在所述上层煤柱的所述应力核心区域进行钻孔，形成煤柱钻孔；

S005：在开采所述下层煤层时，通过所述水力割缝钻机设备向所述煤柱钻孔中注入高压水，滞后所述采煤工作面在所述应力核心区域中形成多条水力割缝；

S006：当所述采煤工作面向前移动超过上方的所述上层煤柱后，所述上层煤柱倒塌落入所述采煤工作面后方的采空区。

在其中一项可选技术方案中，在所述步骤S004中：

通过所述水力割缝钻机设备在所述应力核心区域钻进形成两条以上间隔布置的所述煤柱钻孔，并通过所述水力割缝钻机设备对每条所述煤柱钻孔中都注入高压水，以在所述应力核心区域中每条所述煤柱钻孔的周围形成所述水力割缝。

在其中一项可选技术方案中，在所述步骤S003中：

在所述联络巷中布置两套以上的所述水力割缝钻机设备；

在所述步骤S004中：

两套以上的所述水力割缝钻机设备同步作业，以在所述应力核心区域中相应的位置形成所述水力割缝。

在其中一项可选技术方案中，在所述步骤S002中：

在沿着前后方向上向所述上层煤柱中钻孔，形成至少一排第一探测孔；

在沿着高度方向上向所述上层煤柱中钻孔，形成至少一排第二探测孔；

在每个所述第一探测孔和每个所述第二探测孔中都布置有多个应力传感器；

对每个所述第一探测孔和每个所述第二探测孔注浆封孔；

根据各个所述应力传感器的压力值及其分布规律确定出所述上层煤柱中的所述应力核心区域。

在其中一项可选技术方案中，所述水力割缝钻机设备包括供水装置和钻机；

所述钻机的钻杆中具有水流通道，所述钻杆的钻头上具有喷水孔；

所述供水装置的供水管与所述钻杆中的水流通道连通；

在所述步骤S004中：

所述钻机带动所述钻杆朝向第一方向转动，所述钻头在所述上层煤柱中向后钻进形成所述煤柱钻孔；

在所述步骤S005中：

所述钻机带动所述钻杆朝向第二方向转动，所述钻头在所述上层煤柱中向前退钻，所述钻头保持处于所述采煤工作面的后方；

所述供水装置向所述水流通道中供给高压水，通过旋转的所述钻头向所述煤柱钻孔中喷射高压水，通过所述高压水在所述应力核心区域中切割煤柱形成所述水力割缝。

在其中一项可选技术方案中，所述供水装置包括能够调节水压大小的水泵，所述水泵通过所述供水管与所述钻杆连接。

在其中一项可选技术方案中，在所述步骤S005中：

所述钻头向前退钻时，每向前移动预设距离后，所述钻头停止移动仅保持转动，停留预设时间后，再继续向前移动退钻。

在其中一项可选技术方案中，所述上层煤柱靠近所述联络巷的端部具有塑性变形区；

在所述步骤S004中：

在所述钻头向后钻进时，当所述钻头穿过所述应力核心区域并进入所述上层煤柱的后端的所述塑性变形区时，停止钻进；

在所述步骤S005中：

所述钻头向前退钻时，当所述钻头退出所述应力核心区域并退至所述上层煤柱的前端的所述塑性变形区时，停止退钻。

在其中一项可选技术方案中，在所述步骤S001中：

在上层煤层开采时留有多个所述上层煤柱，任意相邻的两个所述上层煤柱之间具有一个所述联络巷；

在每个所述上层煤柱中都确定出相应的应力核心区域；

在所述步骤S004中：

在采用所述钻机对所述上层煤柱钻孔时，采用跨联络巷的方式对前后相邻的至少两个所述上层煤柱进行钻孔作业。

在其中一项可选技术方案中，在所述步骤S004中：

在所述钻头钻进的过程中，所述供水装置向所述水流通道中供给低压水。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的采煤方法，通过水力割缝对上层煤柱进行破坏失稳，在下层煤层的采煤工作面过了上层煤柱之后，在上层覆岩的应力作用下，上层煤柱失稳倒塌落入采煤工作面后方的采空区中，可以减少上层覆岩集中应力的传递，减少下层煤层采掘作业过程中可能产生冲击地压的风险系数，避免了上层煤柱在拉应力的作用下产生严重突发性断裂或下沉。

附图说明

图1为在上层煤柱中钻有第一探测孔和第二探测孔的示意图；

图2为在上层煤柱中确定出应力核心区域的示意图；

图3为钻机向上层煤柱中的应力核心区域钻孔的示意图；

图4为水力割缝钻机设备的结构示意图；

图5为钻杆和钻头的剖视图；

图6为钻机跨联络巷向后方的上层煤柱钻孔的示意图；

图7为在应力核心区域中形成水力割缝的示意图；

图8为跨联络巷施工，在后方的上层煤柱的应力核心区域中形成水力割缝的示意图；

图9为在应力核心区域中钻有两条煤柱钻孔的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-8所示，本发明一实施例提供的采煤方法，包括上下布置的多层分层煤层；

包括如下步骤：

S001：在开采上层煤层时，在上层煤层中留下上层煤柱100，上层煤柱100的前后两侧形成有联络巷200。

S002：在上层煤柱100中找出应力核心区域103。

S003：超前下层煤层300的采煤工作面400，在上层的联络巷200中布置水力割缝钻机设备1。

S004：在开采下层煤层300时，超前下层煤层300的采煤工作面400，通过水力割缝钻机设备1在上层煤柱100的应力核心区域103进行钻孔，形成煤柱钻孔104。

S005：在开采下层煤层300时，通过水力割缝钻机设备1向煤柱钻孔104中注入高压水，滞后采煤工作面400在应力核心区域103中形成多条水力割缝105。

S006：当采煤工作面400向前移动超过上方的上层煤柱100后，上层煤柱100倒塌落入采煤工作面400后方的采空区900。

本发明提供的采煤方法，在开采下层煤层300时，对上层煤层开采时留下的遗留煤柱或上层煤柱100进行水利切割，使得上层煤柱100失稳，在下层煤层300的采煤工作面400通过上层煤柱100之后，在上覆岩层等应力作用下，该上层煤柱100自动塌落到采煤工作面400后方的采空区900中，可以减少上层覆岩集中应力的传递，减少下层煤层300采掘作业过程中可能产生冲击地压的风险系数，避免了上层煤柱100在拉应力的作用下产生严重突发性断裂或下沉。

本发明提供的采煤方法的具体步骤如下：

第一步：在开采上层煤层时，在上层煤层中留下上层煤柱100，并在上层煤柱100的前后两侧挖掘形成有联络巷200，联络巷200用于设备搬家，施工人员通过等。

第二步：采用钻探的方式在上层煤柱100中找出应力核心区域103。应力核心区域103为上层煤柱100中承受应力较大区域，可以根据具体的场所选择具体的区域。一般都是通过应力传感器来探测上层煤柱100中各处的应力。应力核心区域103中的应力或压力会直接向下层煤层300的顶板传递施压。

第三步：超前下层煤层300的采煤工作面400，将水力割缝钻机设备1搬运到上层的联络巷200中。水力割缝钻机设备1为能够对上层煤柱100钻孔和水力割缝的设备。水力割缝钻机设备1相对于下层煤层300的采煤工作面400超前布置。

第四步：在采用采煤工作面400开采下层煤层300时，通过水力割缝钻机设备1朝向上层煤柱100的应力核心区域103进行钻孔，在应力核心区域103中形成煤柱钻孔104。

第五步：在形成煤柱钻孔104之后，再通过水力割缝钻机设备1向煤柱钻孔104中注入高压水，在应力核心区域103中形成多条水力割缝105，水力割缝105滞后于采煤工作面400，保持处于采煤工作面400的后方，避免采煤工作面400在过上层煤柱100时，上层煤柱100塌落。

高压水力的水压在90-100MPa之间，每割缝5min，可以形成一个半径在2.5-3m的圆形楔形破坏面，以对应力核心区域103进行破坏，使其失稳，从而不再直接向下层煤层300的顶板传递应力。

在形成水力割缝105之后，上层煤柱100的稳定性被破坏，但还具有支撑力，不会立即塌落。此时上层煤柱100不再直接将上覆岩层的压力传递给下层煤层300的顶板，因水力割缝105区域的形成，可以吸收或缓冲上覆岩层的压力。上覆岩层与下层煤层300的顶板之间的应力被水力割缝105区域隔断，可以有效降低上覆岩层、上层煤柱100对下层煤层300的顶板的直接压力，有利于节约下层巷道中的液压支架或支护设备。

第六步：在采煤工作面400通过上层煤柱100后一段距离或时间后，在上覆岩层长期的应力作用下，上层煤柱100会自动倒塌落入采煤工作面400后方的采空区900。

下层煤层300的顶板的上方为回采面服务巷道600，在回采面服务巷道600中处于待施工的上层煤柱100的下方布置有超前支护设备500。超前支护设备500超前采煤工作面400布置。

在其中一实施例中，如图9所示，在步骤S004中：

通过水力割缝钻机设备1在应力核心区域103钻进形成两条以上间隔布置的煤柱钻孔104，并通过水力割缝钻机设备1对每条煤柱钻孔104中都注入高压水，以在应力核心区域103中每条煤柱钻孔104的周围形成水力割缝105。

当应力核心区域103的宽度较大，一个煤柱钻孔104无法满足覆盖要求时，需要采用多煤柱钻孔104施工工艺，以尽量使得整个应力核心区域103都能够被水力割缝105覆盖。

在其中一实施例中，在步骤S003中：

在联络巷200中布置两套以上的水力割缝钻机设备1。

在步骤S004中：

两套以上的水力割缝钻机设备1同步作业，以在应力核心区域103中相应的位置形成水力割缝105。

每套水力割缝钻机设备1负责形成一条煤柱钻孔104和一条煤柱钻孔104区域的水力割缝105，从而保证各条煤柱钻孔104可以同步钻进、退钻和同步形成水力割缝105。

在其中一实施例中，如图1-2所示，在步骤S002中：

在沿着前后方向上向上层煤柱100中钻孔，形成至少一排第一探测孔101。

在沿着高度方向上向上层煤柱100中钻孔，形成至少一排第二探测孔102。

在每个第一探测孔101和每个第二探测孔102中都布置有多个应力传感器。

对每个第一探测孔101和每个第二探测孔102注浆封孔。

根据各个应力传感器的压力值及其分布规律确定出上层煤柱100中的应力核心区域103。

应力传感器与外部的计算机连接，应力传感器的位置和力值可以通过计算机予以计算和显示。

为了确定应力核心区域103，可通过钻机在上层煤柱100中钻孔，形成一排第一探测孔101和一排第二探测孔102。

每排第一探测孔101都包括前后间隔布置的多个第一探测孔101，多个第一探测孔101沿着前后方向间隔布置形成一排，相邻的两个第一探测孔101的孔距可以根据需要进行设定，例如孔距为0.5m或1m。第一探测孔101可以选择在上层煤柱100的高度的中间位置，该处一般应力大。

每排第二探测孔102都包括上下间隔布置的多个第二探测孔102，多个第二探测孔102沿着上下方向间隔布置，相邻的两个第二探测孔102的孔距可以根据需要进行设定，例如孔距为0.5m或1m。第二探测孔102处于上层煤柱100的前后两端的塑性变形区106的内侧。

在每个第一探测孔101和第二探测孔102中间隔预设距离安装多个应力传感器，然后向第一探测孔101和第二探测孔102中注入水泥浆封孔，确保围岩应力能够有效传递到应力传感器上。

在前后方向上，通过监测到第一探测孔101中的应力传感器的力值的变化，来确定应力核心区域103的长度，选择力值接近或在一定范围内的应力传感器的位置来确定应力核心区域103的长度边界。

在高度方向上，通过监测到第二探测孔102中的应力传感器的力值的变化，来确定应力核心区域103的高度，选择力值接近或在一定范围内的应力传感器的位置来确定应力核心区域103的高度边界。

在确定出应力核心区域103的长度边界和高度边界之后，即可确定出应力核心区域103的轮廓。

应力核心区域103的确定方式，可以通过钻探的方式确定，在确定长度边界或高度边界之后，即可确定应力核心区域103。

在其中一实施例中，如图3-5所示，水力割缝钻机设备1包括供水装置11和钻机12。

钻机12的钻杆121中具有水流通道1211，钻杆121的钻头122上具有喷水孔1221。

供水装置11的供水管114与钻杆12中的水流通道1211连通。

在步骤S004中：

钻机12带动钻杆121朝向第一方向转动，钻头122在上层煤柱100中向后钻进形成煤柱钻孔104。

在步骤S005中：

钻机12带动钻杆121朝向第二方向转动，钻头122在上层煤柱100中向前退钻，钻头122保持处于采煤工作面400的后方。

供水装置11向水流通道1211中供给高压水，通过旋转的钻头122向煤柱钻孔104中喷射高压水，通过高压水在应力核心区域103中切割煤柱形成水力割缝105。

本实施例中，水力割缝钻机设备1包括有供水装置11和钻机12。供水装置11包括有水泵111、水箱112、连接管113和供水管114。连接管113连接在水泵111的进水口和水箱112之间。供水管114连接在水泵111的出水口和钻机12的钻杆121之间。

钻机12可以带动钻杆121转动和直线前后移动。钻杆121的后端安装有钻头123，钻头123上具有多个喷水孔1221。钻杆121中具有水流通道1211，水流通道1211与喷水孔1221连通。当水泵111供水时，水最后经喷水孔1221喷出，以对煤柱钻孔104进行水力割缝105，从而在应力核心区域103中形成水力割缝区。

具体地，在步骤S004中：

钻机12带动钻杆121正向转动，带动钻头122在上层煤柱100中向后钻进形成煤柱钻孔104。

在步骤S005中：

钻机12带动钻杆121反向转动，带动钻头122在上层煤柱100中向前退钻，并且钻头122保持处于采煤工作面400的后方。在退钻的同时，向水流通道1211中供给高压水，旋转的钻头122带动喷水孔1221转动，同时向煤柱钻孔104中喷射高压水，通过喷水孔1221喷出的高压水在应力核心区域103中切割煤柱，最终形成水力割缝105。

在其中一实施例中，如图4所示，供水装置11包括能够调节水压大小的水泵111，水泵111通过供水管114与钻杆121连接。水泵111为变频泵，可以改变供水的水压，以满足不同的工况。

在其中一实施例中，在步骤S005中：

钻头122向前退钻时，每向前移动预设距离后，钻头122停止移动仅保持转动，停留预设时间后，再继续向前移动退钻。

在水力割缝操作时，采用间断式的操作方式，使得形成的多条水力割缝105前后间隔布置。钻头122在需要水力割缝的位置停留一定的时间，例如5min，在停留期间，钻头122停止前后移动仅保持转动，从而可以更好地对煤柱进行切割，以形成水力割缝105。退钻时，钻头122每次直线移动的距离，可以根据需要设定，例如，0.2m、0.5m等等。

在其中一实施例中，上层煤柱100靠近联络巷200的端部具有塑性变形区106。

联络巷200施工时形成的塑性变形区106的长度为2-7m，一般为3-5m，该部分的应力不会集中，因此无需在塑性变形区106中进行水力割缝操作，也可以避免因塑性变形区106在水力割缝操作使得塑性变形区106塌落。

具体地，在步骤S004中：

在钻头122向后钻进时，当钻头122穿过应力核心区域103并进入上层煤柱100的后端的塑性变形区106时，停止钻进。

在步骤S005中：

钻头122向前退钻时，当钻头122退出应力核心区域103并退至上层煤柱100的前端的塑性变形区106时，停止退钻。

在其中一实施例中，如图2、图6和图8所示，在步骤S001中：

在上层煤层开采时留有多个上层煤柱100，任意相邻的两个上层煤柱100之间具有一个联络巷200。

在每个上层煤柱100中都确定出相应的应力核心区域103；

在步骤S004中：

在采用钻机12对上层煤柱100钻孔时，采用跨联络巷200的方式对前后相邻的至少两个上层煤柱100进行钻孔作业。

当施工时间不满足在每个联络巷200逐一对后方的上层煤柱100进行水力割缝作业要求时，可采取跨联络巷200的施工方法。钻头122在穿越联络巷200时可通过人为纠偏，以保证前后的煤柱钻孔104对齐。

在其中一实施例中，在步骤S004中：

在钻头122钻进的过程中，供水装置11向水流通道1211中供给低压水。低压水的水压在2MPa左右，用于冲洗煤柱钻孔104，利于钻头122快速钻进。

综上所述，本发明提供的采煤方法，通过水力割缝对上层煤柱进行破坏失稳，在下层煤层的采煤工作面过了上层煤柱之后，在上层覆岩的应力作用下，上层煤柱失稳倒塌落入采煤工作面后方的采空区中，可以减少上层覆岩集中应力的传递，减少下层煤层采掘作业过程中可能产生冲击地压的风险系数，避免了上层煤柱在拉应力的作用下产生严重突发性断裂或下沉。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。