一种用于矿震或冲击地压的井上下联合防控系统及方法

技术领域

本发明属于矿井冲击地压灾害防控相关技术领域，具体涉及一种用于矿震或冲击地压的井上下联合防控系统及方法。

背景技术

矿震也称矿山地震，是指地面或几百米浅层或上千米深层的矿山开采而引起的地震活动；冲击地压是矿震灾害，是发生在高应力巷道、回采工作面围岩内，以突然、急剧、猛烈破坏为特征的矿压动力现象，会造成巷道破坏、设备损坏、人员伤亡等事故。坚硬顶板塌陷型矿震与冲击地压是我国煤矿开采面临的主要矿震及其灾害类型。我国山东、内蒙古、新疆和黑龙江等主要产煤地区均有坚硬岩层顶板赋存，随着井下开采面积增大，工作面开采过程中厚硬关键层破断、回转导致矿震，引发煤矿井下回采巷道和地面及建筑物震动损坏，严重威胁煤矿安全生产。

坚硬顶板塌陷型矿震与冲击地压的灾害来源是位于采场上方的坚硬顶板。目前，对于此类灾害，主要是通过从地面及井下对坚硬顶板进行压裂，或者加强巷道支护等手段，从而解除或降低矿震和冲击地压的危害。然而，防控矿震和冲击地压重点既在于从源头消除，又在于末端防控，为此，公告号为CN110792419B的中国专利申请公开了一种煤矿冲击地压井上下超前预控方法，选择地面压裂控制技术手段和井下预裂控制技术参数，完成对岩层的超前压裂弱化，然而，其防控效果仍然不能满足实际需求，主要原因在于：一、其预测仅在煤层开采前通过取芯测定煤岩体的冲击倾向性，准确性有待进一步提高；二、在压裂后并未作进一步处理，在煤层开采过程中，虽然冲击地压发生的风险减小，但顶部垮塌的风险加大；三、未考虑施工过程中造成地面地陷的影响。

有鉴于此，现有技术有待进一步提高，因此，提出本发明。

发明内容

针对现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种用于矿震或冲击地压的井上下联合防控系统及方法，用于坚硬顶板塌陷型矿震与冲击地压的灾害防控，目的是为了通过合理的井上、井下联合防控措施，有效防控坚硬顶板塌陷型矿震与冲击地压对井下回采巷道和采空区地表的危害，提高灾害防控准确度和效率，增强矿震和冲击地压灾害防控效果。

为了实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于矿震或冲击地压的井上下联合防控系统，其包括井上防冲系统和井下巷道防冲系统，其中，

井上防冲系统包括地面防冲设备、竖向压注管、水平压注管和横向注浆管，地面防冲设备位于地面，竖向压注管由地面防冲设备向地下延伸至煤层上方的坚硬顶板岩层，并在坚硬顶板岩层内形成与竖向压注管连通的水平压注管，在坚硬顶板岩层上方临近坚硬顶板岩层的至少一个岩层交界面处布置有横向注浆管，其中，水平压注管用于对坚硬顶板岩层进行压裂施工、注浆加固以及瓦斯开采，在瓦斯开采时，水平压注管内布设有采收管，横向注浆管用于对坚硬顶板岩层上方的岩层交界面处空隙进行注浆充填；

井下巷道防冲系统包括经扩大巷道断面后的初始巷道，初始巷道外侧为围岩，由初始巷道朝向外侧的围岩发散分布设置有若干强力锚杆，初始巷道内侧形成有缓冲层，缓冲层处设置缓冲材料，缓冲层内通过强力支架进行支护形成最终的巷道。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明在压裂结束后，通过水平压注管内外形成蜂窝状混凝土，将已经破碎的坚硬顶板岩层有机的联系在一起，借助于蜂窝状混凝土质轻且具有低的弹性模量、易变形、对冲击载荷具有良好的吸收和分散作用等特点，能够很大程度上消除应力集中而引起的矿震及冲击地压，同时，即使出现局部冲击地压，这种由水平压注管与蜂窝状混凝土形成的整体也能防止在冲击地压发生区域以外的其余区域的破碎岩石垮塌，降低造成大面积垮塌事故的风险；

2、通过与竖向压注管共用管路，延伸横向注浆管对坚硬岩层上方覆岩空隙充入充填材料，增强岩层的完整性和减少运动空间，降低了坚硬顶板岩层冲击地压造成地表突然塌陷的危险；

3、蜂窝状混凝土的设置还起到了方便瓦斯进入水平压注管内的作用，这有利于利用采收管进行瓦斯开采，避免瓦斯在坚硬顶板岩层内积聚导致应力集中进而造成矿震、冲击地压、坚硬顶板岩层垮塌的风险；

4、安全生产阀的设置能够避免在矿震和冲击地压发生时，瓦斯流体从地下冲出；

5、井上防冲系统和井下防冲系统在布置时相互独立，而在作业时，通过采集两者的数据将他们有机结合，这样，可以实现矿震和冲击地压的及时预报。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明所采用的长壁工作面采煤系统的整体结构示意图；

图2是图1所示A-A断面防冲措施的结构示意图；

图3是图1所示 B-B断面防冲措施的结构示意图；

图4是图2至图3所示坚硬顶板层中水平压注管的布置方式结构示意图；

图5是图4所示瓦斯排采管路的局部放大图；

图6是图5所示安全生产阀的结构示意图；

图7是井下巷道防冲系统的结构示意图

图8是图7所示锚杆的局部结构示意图；

其中，1-区段回风平巷，2-采煤工作面，3-采空区，4-区段运输平巷，5-开切眼，6-坚硬顶板岩层，7-地面防冲设备，8-竖向压注管，9-水平压注管，10-横向注浆管，11-充填材料，12-井下巷道防冲系统，

901-外管，902-内管，903-裂隙，904-采收管，905-支撑隔离装置，9041-筛网，9042-采收管主体，9043-压力检测单元，9044-安全生产阀，441-阀底，442-弹簧，443-阀板，444-阀盖，

101-强力支架，102-强力锚杆，103-缓冲层，1021-第一分段，1022-第二分段，1023-应力及角度耦合传感器。

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的一部分实施例，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的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。

如图1至图8所示，本发明提供了一种用于矿震或冲击地压的井上下联合防控系统，其包括井上防冲系统和井下巷道防冲系统12，其中，

井上防冲系统包括地面防冲设备7、竖向压注管8、水平压注管9和横向注浆管10，地面防冲设备7位于地面，竖向压注管8由地面防冲设备7向地下延伸至煤层上方的坚硬顶板岩层6，并在坚硬顶板岩层6内形成与竖向压注管8连通的水平压注管9，在坚硬顶板岩层6上方临近坚硬顶板岩层6的至少一个岩层交界面处布置有横向注浆管10，其中，水平压注管9用于对坚硬顶板岩层6进行压裂施工、注浆加固以及瓦斯开采，在瓦斯开采时，水平压注管9内布设有采收管904，横向注浆管10用于对坚硬顶板岩层6上方的岩层交界面处空隙进行注浆充填；

井下巷道防冲系统12包括经扩大巷道断面后的初始巷道，初始巷道外侧为围岩，由初始巷道朝向外侧的围岩发散分布设置有若干强力锚杆102，初始巷道内侧形成有缓冲层103，缓冲层103处设置缓冲材料，缓冲层103内通过强力支架101进行支护形成最终的巷道。最终的巷道包括但不限于区段回风平巷1、区段运输平巷4、开切眼5及其其它回采巷道，在采煤工作面2的推进过程中，采空区3不断扩大，以上巷道可进行切换。

需要说明的是，本发明通过井上下防冲措施的部署，可有效防控冲击地压的发生并大幅降低矿震和冲击地压对井下和地面造成的危害，其防控原理为：通过地面钻孔（竖向压注管8）对坚硬顶板岩层6水力压裂（通过水平压注管9），降低坚硬岩层的完整性，使其从受采动影响由发生突然大范围破断转为缓慢的小范围依次断裂，且破断后块度小，从而降低对下部回采巷道的冲击；在此基础之上，在地下巷道中，通过强力锚杆102、缓冲层103和强力支架101三种措施刚柔并济，从外向内对巷道进行防控，建立起对巷道的保护系统；进一步的，为了防止采空区覆岩破断对地表造成的突然塌陷，通过与竖向压注管8共用管路，延伸横向注浆管10，对坚硬顶板岩层6上方覆岩岩层交界面处的空隙充入充填材料，增强岩层的完整性和减少运动空间，以降低地表突然塌陷的危险。本发明通过井上下多种防冲措施的联合应用，实现对坚硬顶板塌陷型矿震与冲击地压灾害的有效防控，此外，在进行布置时，井下与井上的防冲措施是相互分离布置的，两者相互独立布置能够在一定程度上减小防冲与生产的相互影响，有利于生产效率的提高。

为了更好的实现本发明的目的，参见图4所示，本发明的水平压注管9包括外管901和内管902，外管901和内管902固定连接（例如通过连接环、或者连接接头进行分段式连接，此为现有技术，不再赘述），外管901和内管902之间形成间隙，其中，外管901为筛管，其上分布有连通至水平压注管9外侧的坚硬顶板岩层6的通道，外管901和内管902上还通过射孔操作形成有连通内管902内侧至裂隙903的射孔孔道，所述裂隙903由所述射孔操作形成在水平压注管9外侧的坚硬顶板岩层6中。通过这样设置，水平压注管9的内管902内侧与坚硬顶板岩层6相连通，这样就方便了通过水平压注管9的内管902进行压裂施工、注浆加固以及后续的瓦斯开采作业。在瓦斯开采时，采收管904安装在内管902内侧。需要说明的是，其中的射孔操作可以是通过向内管902内侧中下入射孔工具进行射孔操作，在射孔操作结束取回射孔工具后才进行压裂施工、注浆加固以及后续的瓦斯开采作业（具体的射孔方式为现有技术，此处不再赘述）。进一步的，本发明的井上防冲系统还包括形成在裂隙903中以及外管901和内管902之间的间隙中的蜂窝状混凝土，采收管904通过多个沿水平压注管9延伸方向分布的支撑隔离装置905支撑在内管902内侧，相邻的两支撑隔离装置905分别分布设置在与对应的射孔孔道的两侧。

通过以上设置，至少具有以下有益效果：

外管901和内管902之间形成有蜂窝状混凝土，在后续进行瓦斯开采时，能够方便瓦斯等气体进入采收管904内，同时，由于射孔孔道将内管902内侧连通至对应的坚硬顶板岩层6处形成的裂隙903，水平压注管9的位于外管901和内管902之间的混凝土与裂隙903的混凝土是一体的，这样，在解除或降低矿震和冲击地压的危害的同时能够降低顶部垮塌的风险，其原因在于，通过水力压裂，坚硬顶板岩层6被破碎，降低了其完整性，而注入的混凝土再将破碎的坚硬顶板岩层6串起来，由于蜂窝状混凝土的材料与坚硬顶板岩层6自身的材料之间存在较大差异，蜂窝状混凝土质轻且具有低的弹性模量，易变形，从而使其对冲击载荷具有良好的吸收和分散作用；这就好比钢化玻璃，在玻璃破碎后，其碎块并没有掉落；本发明通过蜂窝状混凝土将破碎后的坚硬顶板岩层6有机的联系在一起，在降低坚硬顶板岩层6完整性（通过水力压裂）的同时能够降低顶部垮塌的风险。较佳的，本发明的混凝土由发泡剂和混凝土混合而成，其中的发泡剂优选为ZML-1发泡剂，其配方主要为十二烷基硫酸钠(4g/L)+十二醇(0.7g/L)+羟乙基纤维素(1.8g/L)+三乙醇胺(6g/L)。

这里需要简要说明一下本发明的蜂窝状混凝土的形成过程，首先进行对应的钻孔，接着将包含外管901和内管902的水平压注管9下入至钻孔的指定位置，然后下入射孔工具进行射孔操作，在外管901和内管902上形成射孔孔道，在对应的坚硬顶板岩层6上形成裂隙903，之后，取回射孔工具，进行压裂操作，进一步扩大大裂隙903并在裂隙903周围形成压裂裂缝；压裂结束后，通过内管902向钻孔中挤注带发泡剂的混凝土，候凝，在水平压注管9内外形成蜂窝状混凝土，接着通过钻具钻除内管902内侧的蜂窝状混凝土，下入采收管904，并在指定位置设置支撑隔离装置905即可。较为优选的，在钻除内管902内侧的蜂窝状混凝土后并且在下入采收管904之前，还包括通过内管902进行憋压挤注，例如在内管902内注入10MPa的清水，然后观察压力变化，若压力逐渐减低，并且下降速率达到施工要求则结束，若压力不降，则进一步升高压力，这样的目的是为了克服因钻具挤压而导致的堵塞，使得内管902内侧与外管901外侧导通。

需要说明的是，现有技术中一般在压裂后并未作进一步处理，而实际施工过程中，由于压裂是在坚硬顶板岩层6上进行，其下方的煤层中赋存有瓦斯等气体，随着瓦斯从煤层中不断的解吸出来，瓦斯气体不断在坚硬顶板岩层6处积聚，导致坚硬顶板岩层6处应力改变，本就已经破碎的坚硬顶板岩层6在这种压力积聚下容易出现垮塌的风险。本发明在压裂后进行注浆加固形成蜂窝状混凝土，一方面，起到将破碎的坚硬顶板岩层6串接起来的作用，降低顶部垮塌的风险，另一方面，利于后续进行瓦斯开采，而对瓦斯的开采，能够避免瓦斯气体在坚硬顶板岩层6积聚，导致应力改变而引发坚硬顶板岩层6，因此能够进一步降低顶部坚硬顶板岩层6垮塌的风险，有效降低矿震的发生概率。另外，本发明的外管901为筛管，因此，除了其上的射孔孔道以外，外管901的其余位置也能够与坚硬顶板岩层6导通，因而能够便于瓦斯气体通过蜂窝状混凝土而进入内管902内侧，而外管901、内管902和蜂窝状混凝土形成一整体，这就提高了水平压注管9与坚硬顶板岩层6之间的连接可靠性。

进一步的，参见图5至图6，本发明的采收管904包括采收管主体9042和筛网9041，筛网9041套设在采收管主体9042外侧，采收管主体9042的外侧壁上安装有若干压力检测单元9043，采收管主体9042上设置有若干连通其内外的安全生产阀9044，采收管主体9042的内侧为采收通道。压力检测单元9043设置在采收管主体9042的外侧壁上，所检测的压力数据更能快速反映瓦斯的压力情况，且其能够受到筛网9041的保护。

另外，本发明采用以上技术方案还具有以下有益效果：实际生产过程中，冲击地压的预测是十分困难的，与地震相比，冲击地压发生的范围更小，能量与地震相比更小，因此其预测更加困难，虽然本发明也无法实现矿震和冲击地压的提前预测，但与地震预报一样，通过本发明的技术方案，能够实现在矿震和冲击地压发生后进行及时预报；这是因为，本发明利用设置在坚硬顶板岩层6内的水平压注管9进行瓦斯抽采，在采收管主体9042的外侧壁上安装有若干压力检测单元9043，一旦坚硬顶板岩层6处发生矿震或冲击地压，压力检测单元9043能够快速的捕捉到这种变动，并将这种变动传给地面防冲设备7或者位于巷道中的通信报警设备，以此达到对矿震或冲击地压的预报。

进一步的，本发明的安全生产阀9044包括阀底441、阀盖444、阀板443和弹簧442，阀底441和阀盖444上均设置有流体通道，弹簧442一端设置在阀底441的中部凹槽内（流体通道位于中部凹槽中部），另一端将阀板443顶紧在阀盖444的下方。初始时，阀板443在弹簧442的作用下将阀盖444的流体通道封堵，当压力提高时，安全生产阀9044被打开，自行开始生产，当出现矿震或冲击地压，导致局部瓦斯压力猛增时，阀板443能够快速的封闭在阀底441上方，避免高压的瓦斯气体从地下冲出至地面。

进一步的，所采用的强力锚杆102为分段式设置，其至少包括第一分段1021和第二分段1022（当然还可以有很多段），第一分段1021和第二分段1022的连接位置处设置有应力及角度耦合传感器1023（应力及角度耦合传感器1023是应力传感器和角度传感器的总称，将两者耦合拼装在一起，能够方便安装）。通过分段式设置，能够方便对锚杆的加长，满足超长锚杆的需求，同时，分段式设置为传感器的布置提供了基础，如图8所示，此时传感器式设置在括第一分段1021和第二分段1022的连接位置处，第一分段1021在连接位置处具有凹槽第二分段1022插入该凹槽内，应力及角度耦合传感器1023设置在凹槽内位于第一分段1021和第二分段1022的径向界面之间，这样能够方便对矿震和冲击地压的及时感知。由于采用分段式设置，强力锚杆102的长度可以是很长的，短则十几米，长则上百米，由于强力锚杆102为发散的分布设置，很多强力锚杆102是穿设在不同的岩层中的，当出现矿震或冲击地压时，第一分段1021和第二分段1022会出现偏差，而这些数据能够被应力及角度耦合传感器1023通过应力和偏转角度而快速的捕捉到，因此，能够为矿震或冲击地压的及时预报提供依据。

作为优选的实施方案，本发明还提供了一种井上下联合防控方法，基于上述的用于矿震或冲击地压的井上下联合防控系统而实现，其包括以下步骤：

S1、井上防冲系统布置；

S2、井下防冲系统布置；

S3、利用井上防冲系统和井下防冲系统采集的数据进行矿震和冲击地压的预报，其中，步骤S1和步骤S2为独立布置，互不影响，不分先后。

优选的，步骤S1具体包括：

S11、通过钻孔设备由地面防冲设备7处向下钻孔，形成竖向钻孔、横向钻孔和水平钻孔，水平钻孔位于坚硬顶板岩层6内，然后再竖向钻孔、横向钻孔和水平钻孔内分别对应布置竖向压注管8、横向注浆管10和水平压注管9；

S12、关闭横向注浆管10（可设置相应的阀门，这里不在赘述），利用射孔管柱将射孔工具下入至水平压注管9内，并对水平压注管9所在的坚硬顶板岩层6进行分段射孔，射孔结束后取回射孔工具，利用压裂设备从地面防冲设备7处泵注压裂流体进行压裂作业；

S13，压裂结束后，通过水平压注管9挤注带发泡剂的混凝土浆液，这一步骤中，控制带发泡剂的混凝土浆液的用量，使得在竖直方向上，带发泡剂的混凝土浆液的液面为位于坚硬顶板岩层6的顶界下方的一定范围内；然后进行候凝，在水平压注管9内外形成蜂窝状混凝土；

S14、打开横向注浆管10，对坚硬顶板岩层6上方的岩层交界面处空隙进行注浆充填，填充充填材料11；此步骤注入的充填材料11优选为不含发泡剂的混凝土浆液，在岩层交界面处空隙注浆充填主要是为了降低地表塌陷危险，同时也能够避免瓦斯再进一步向上扩散；由于坚硬顶板岩层6在射孔及压裂的作用下被破碎，导致解吸出的瓦斯容易在坚硬顶板岩层6处聚集，而注浆充填的混凝土浆液在凝固后能够防止瓦斯向上扩散；

S15、通过钻具钻除水平压注管9内的内管902内侧的蜂窝状混凝土，下入采收管904，并在指定位置设置支撑隔离装置905。

进一步的，步骤S3中进行数据采集包括但不限于，利用采收管主体9042外侧壁上安装的若干压力检测单元9043采集坚硬顶板岩层6处的瓦斯压力；以及，利用应力及角度耦合传感器1023采集相应位置的应力变化和锚杆角度变化。

步骤S3中利用采集的数据进行矿震和冲击地压的预报，包括，根据采集的数据获取异变波动，所述异变波动是指数据出现突然性的激增或减小，根据异变波动的位置和大小进行矿震和冲击地压的预报。

需要说明的是，本发明的井上防冲系统和井下防冲系统在布置时是相互独立进行的，但在后续生产阶段，采集的数据同时包括坚硬顶板岩层6处的瓦斯压力波动和强力锚杆102上的应力、角度变化；能够在巷道远端及时获取数据，因而能够实现矿震或冲击地压的及时预报。

最后，还需要说明的是，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者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。