一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型及参数确定方法

技术领域

本发明涉及煤层开采技术领域，更具体的说是涉及一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型及参数确定方法。

背景技术

随着煤炭大规模开采，浅部资源日渐枯竭，矿井逐渐进入深部开采状态，随着开采深度的增加，由于回采工作面上方应力集中而引起的远上方巷道围岩大变形、冲击地压、煤(岩)爆以及煤与瓦斯突出等地质灾害也十分严重，这里的沿空远上方巷道指回采工作面周围水平距离20-50m及上方高度20-50m范围内的巷道，目前普遍采用的沿采空区周围留(护)巷保护技术，主要是随工作面回采推进，利用巷旁充填、加强巷道支护等手段，国内外学者针对该技术进行大量的理论与实践研究，在沿空留(护)巷围岩活动规律及顶板控制、巷道支护技术、巷旁充填技术等方面都取得大量成果，然而，沿空切顶卸压保护留巷和远上方护巷技术在深部矿井的研究应用却很少，尤其沿空切顶卸压保护远上方护巷技术更几乎处于空白状态，严重制约沿空留巷技术应用及发展。

在工作面回采过程中，远上方巷道顶板受煤层采空段上方的未垮落部分岩层拉伸作用，产生底鼓等剧烈变形，这部分未垮落岩层回转下沉变形进一步加剧覆岩荷载向留巷围岩转移，使沿空远上方巷道围岩承受较大附加应力，为实现工作面回采过程中沿空远上方巷道的留存保护，通过超前爆破预裂顶板卸压方法，打断被保护巷上端的关键作用岩层，减弱采空区顶板向留巷顶板的应力传递，避免顶板破断冲击引起的急增压，减缓了上覆岩层运动，避免因煤层开采后，上覆岩层垮落，造成远上方保护巷道顶板的关键作用岩层发生旋转拉伸作用。

因此，对深井工作面回采过程中远上方巷道爆破切顶卸压保护及钻孔方法的研究是十分必要的。

发明内容

本发明旨在在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题，提供了一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型及参数确定方法，通过超前钻孔爆破切顶卸压方法，打断远上方被保护巷上覆关键作用岩层，减弱采空区上覆未垮落岩层向远上方巷道顶板的应力传递，避免因煤层开采后，煤层上覆岩层垮落，远上方的未垮落岩层旋转下沉给远上方保护巷道上覆关键作用岩层带来的旋转拉伸作用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型，包括：

煤层，所述煤层沿水平方向的矩形断面为回采工作面；

运输巷道，所述运输巷道与所述煤层相连；

煤层顶部上覆岩层，所述煤层顶部上覆岩层位于所述煤层的上方；

岩层移动角标识线，所述岩层移动角标识线为所述回采工作面的煤层采完后，所述煤层顶部上覆岩层垮落的范围外轮廓线，所述煤层顶部上覆岩层位于所述岩层移动角标识线的右侧；

远上方巷道，所述远上方巷道开设在所述煤层顶部上覆岩层中，且位于所述运输巷道的左上方；

煤层远上方上覆岩层，所述煤层远上方上覆岩层位于所述煤层顶部上覆岩层上方及所述岩层移动角标识线的右侧区域；

远上方巷道上覆岩层，所述远上方巷道上覆岩层位于所述远上方巷道上方及所述岩层移动角标识线左侧的区域，且与所述煤层远上方上覆岩层连成一体；

远上方岩层底板线，所述远上方岩层底板线为煤层远上方上覆岩层与远上方巷道上覆岩层的底层岩层底板等高线，且所述远上方岩层底板线位于所述煤层顶部上覆岩层的上方；

钻孔，所述钻孔为从地面到所述运输巷道的顶板中部施工的爆破孔。

进一步的，所述煤层的平均厚度为38m，所述回采工作面长200m，高28m。

进一步的，所述远上方巷道为直墙半圆拱形巷道，其断面直墙高20m，半圆拱高18m，底部宽度36m，所述远上方巷道顶部水平线距远上方岩层底板线垂直距离为25m。

进一步的，所述运输巷道的断面呈矩形，断面宽35m、高38m，其顶板水平距离远上方巷道拱形段顶端水平线的长度为25m，左侧边缘垂直线距远上方巷道右侧边缘垂直线的水平距离为35m。

进一步的，煤层顶部上覆岩层共有四层，从上向下依次为63m厚的细砂岩、86m厚的中细砂岩、72m厚的砂质泥岩和54m厚的粉细砂岩。

进一步的，所述煤层远上方上覆岩层共有三层，从上向下依次为65m厚的中细砂岩、75m厚的泥岩和96m厚的粉砂岩。

进一步的，所述远上方巷道上覆岩层共有三层，从上向下依次为65m厚的中细砂岩、75m厚的泥岩和96m厚的粉砂岩。

进一步的，所述钻孔穿过远上方巷道的远上方上覆岩层的关键的中细砂岩、泥岩和粉砂岩三层岩层到最上方的中细砂岩，垂直高度50m，所述钻孔在水平面上的投影线与运输巷道长度方向夹角为90°，在巷道断面水平面上的投影线与运输巷道3顶部水平线的夹角a为80°，斜长51m。

采用上述方案的有益效果，目的是打断被保护的远上方巷道上方的关键作用岩层，避免因煤层开采后，上覆岩层垮落，造成上方的远上方巷道上覆岩层受到煤层远上方上覆岩层旋转拉伸作用，带来的底鼓等剧烈变形作用。

一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型的参数确定方法，包括如下步骤：

S1、钻孔位置确定：确定距离回采工作面多远距离位置实施钻孔爆破，才能达到最优爆破切顶卸压效果及最佳工艺配合，最后，确定钻孔在钻场巷道的具体位置；

S2、切顶高度确定：通过分析回采工作面远上方被保护巷道及煤层上覆岩层赋存情况，掌握煤层远上方上覆岩层随着工作面的回采而产生运移情况，及其对远上方被保护巷道上覆岩层的影响作用，分析具体煤层远上方上覆岩层特征与煤层上覆岩层垮落高度的关系，确定煤层远上方上覆岩层有效作用岩层数目，通过FLAC3D数值模拟计算远上方上覆岩层不同层数，累计切顶高度下的卸压效果，确定钻孔最佳切顶高度；

S3、钻孔角度确定：根据上述确定切顶高度，通过数值模拟，从0°开始按每次5°等梯度的累加到30°计算不同偏斜切顶角度的卸压效果，确定最佳钻孔切顶角度；

S4、钻孔间距确定：根据现场工程条件，设计炮孔向工作面方向偏转上述最佳钻孔切顶角度，孔深设计为上述确定的钻孔切顶高度，模拟单孔爆破试验，从8m的孔间距开始按2m等梯度递增，做连孔爆破试验，确定最优爆破钻孔间距。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型，具有如下优点：

首先，实施模型，清晰的表述了回采工作面与远上方巷道之间的空间位置关系，直观观察到回采工作面与远上方巷道上覆岩层的赋存情况，充分展现工作面回采过程中，煤层上覆岩层因煤层开采导致的煤层上覆岩层垮落，煤层上方的远上方上覆岩层出现的旋转下沉趋势，直观观察到被保护的远上方巷道的远上方巷道上覆岩层受煤层远上方上覆岩层的旋转下沉影响，及对远上方巷道产生旋转拉伸作用，进而造成远上方巷道被破坏，同时，可清楚看到远上方巷道直接顶即远上方巷道上覆岩层中的几块关键作用岩层，是爆破切顶卸压关键因素，因此，采用钻孔爆破切断远上方巷道上覆岩层中的几块关键作用岩层，可以有效的解决被保护的远上方巷道的远上方巷道上覆岩层受工作面回采过程中，煤层远上方上覆岩层的旋转下沉影响问题，所述实施模型钻孔的位置，钻孔角度及切顶高度布局清晰，所述实施模型具有直观明了、结构简单和表述清晰的特点。

其次，提出利用有限差分软件FLAC3D建立三维实体模型，模拟计算分析确定远上方巷道爆破切顶卸压钻孔关键参数的方法，即获得最优切顶高度、钻孔偏斜角度及爆破钻孔间距的方法；

最后，根据具体矿井工作面回采工程条件实例，试验验证上述模拟得出的远上方巷道爆破切顶卸压钻孔关键参数，即获得的最优切顶高度、钻孔偏斜角度及爆破钻孔间距，并在现场实际工程中成功实施；

深井工作面回采过程中远上方巷道爆破切顶卸压保护及钻孔实施技术模型，具有直观明了、结构简单和表述清晰的优点，该深井工作面回采过程中远上方巷道爆破切顶卸压保护及钻孔实施技术与方法，在现场实际工程中成功实施，对于切顶卸压沿空远上方留巷技术及方法在深井开采中的推广应用具有重要的借鉴意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型图；

图2为本发明提出的一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型俯视图；

图3为本发明实施例中潘三煤矿17191回采工作面煤层及远上方巷道上覆岩层赋存柱状模型图；

图4为本发明提出的工作面煤层及远上方巷道上覆赋存岩层结构模型图；

图5为本发明提出的工作面回采过程中煤层及远上方巷道上覆岩层运移模型图；

图6为本发明提出的一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型的参数确定方法流程图。

其中：

1-煤层；11-回采工作面；2-运输巷道；3-煤层顶部上覆岩层；4-远上方巷道；5-煤层远上方上覆岩层；6-岩层移动角标识线；7-远上方巷道上覆岩层；8-远上方岩层底板线；9-钻孔。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明实施例公开了一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型，包括：煤层1，运输巷道2，煤层顶部上覆岩层3，远上方巷道4，煤层远上方上覆岩层5，岩层移动角标识线6，远上方巷道上覆岩层7，远上方岩层底板线8和钻孔9；

煤层1沿水平方向的矩形断面为回采工作面11，煤层1的平均厚度为38m，回采工作面11长200m，高28m；运输巷道2与煤层1相连，运输巷道2的断面呈矩形，断面长35m、宽38m，其顶板水平距离远上方巷道4拱形段顶端水平线的长度为25m，左侧边缘垂直线距远上方巷道4右侧边缘垂直线的水平距离为35m；煤层顶部上覆岩层3位于煤层1的上方，共有四层，从上向下依次为厚度为63m的细砂岩、86m厚的中细砂岩、72m厚的砂质泥岩和54m厚的粉细砂岩，与煤层远上方上覆岩层5连成一体，组成煤层上方上覆岩层；岩层移动角标识线6为回采工作面11的煤层采完后，煤层顶部上覆岩层3垮落的范围外轮廓线，煤层顶部上覆岩层3位于岩层移动角标识线6的右侧；远上方巷道4开设在煤层顶部上覆岩层3中，且位于运输巷道2的左上方，远上方巷道4为直墙半圆拱形巷道，其断面直墙高20m，半圆拱高18m，底部宽度36m，远上方巷道4顶部水平线距远上方岩层底板线8垂直距离为25m；

煤层远上方上覆岩层5位于煤层顶部上覆岩层3上方及岩层移动角标识线6的右侧区域，煤层远上方上覆岩层5共有三层，从上向下依次为65m厚的中细砂岩、75m厚的泥岩和96m厚的粉砂岩；

远上方巷道上覆岩层7位于远上方巷道4上方及岩层移动角标识线6左侧的区域，远上方巷道上覆岩层7共有三层，从上向下依次为65m厚的中细砂岩、75m厚的泥岩和96m厚的粉砂岩，与煤层远上方上覆岩层5连成一体，组成远上方上覆岩层；

远上方岩层底板线8为煤层远上方上覆岩层5与远上方巷道上覆岩层7的底层岩层底板等高线，且远上方岩层底板线8位于煤层顶部上覆岩层3的上方；随着煤层被采空，煤层顶部上覆岩层3冒落，导致煤层远上方上覆岩层5会失去下部煤层顶部上覆岩层3的支撑，发生旋转下沉，远上方岩层底板线8会发生向下弯曲，煤层远上方上覆岩层5发生弯曲下沉，受采空区高度限制，煤层远上方上覆岩层5发生弯曲后，未必会发生破断，形成悬臂梁或弯曲下沉状态，同时煤层远上方上覆岩层5与远上方巷道上覆岩层7原为完整的一个整体，煤层远上方上覆岩层5的弯曲下沉会使远上方巷道上覆岩层7跟着回转下沉变形，进一步加剧覆岩荷载向远上方巷道4围岩转移，使远上方巷道4围岩承受较大附加应力，进而破坏远上方巷道4；

钻孔9为从地面到运输巷道2的顶板中部施工的爆破孔，钻孔9穿过远上方巷道4上方的远上方上覆岩层7的粉砂岩、泥岩到最上方的中细砂岩，垂直高度50m，钻孔9在水平面上的投影线与运输巷道2长度方向夹角为90°，在巷道断面水平面上的投影线与运输巷道2顶部水平线的夹角a为80°，斜长51m；目的是打断被保护的远上方巷道4上方的关键作用岩层，避免因煤层开采后，上覆岩层垮落，造成上方的远上方巷道上覆岩层7受到煤层远上方上覆岩层5旋转拉伸作用，带来的底鼓等剧烈变形作用。

本发明中钻孔在煤层水平面上的投影线与运输巷道长度方向夹角，钻孔在巷道断面水平面上的投影线与运输巷道顶部水平线的夹角的确定，钻孔的钻孔间距及钻孔切顶高度(切断上覆岩层的垂直高度)的确定是深井工作面回采过程中远上方巷道爆破切顶卸压保护及钻孔实施技术的关键参数；

一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压参数确定方法，包括如下步骤：

S1、钻孔位置确定：确定距离回采工作面多远距离位置实施钻孔爆破，才能达到最优爆破切顶卸压效果及最佳工艺配合，最后，确定钻孔在钻场巷道的具体位置；

S2、切顶高度确定：通过分析回采工作面远上方被保护巷道及煤层上覆岩层赋存情况，掌握煤层远上方上覆岩层随着工作面的回采而产生运移情况，及其对远上方被保护巷道上覆岩层的影响作用，分析具体煤层远上方上覆岩层特征与煤层上覆岩层垮落高度的关系，确定煤层远上方上覆岩层有效作用岩层数目，通过FLAC3D数值模拟计算远上方上覆岩层不同层数，累计切顶高度下的卸压效果，确定钻孔最佳切顶高度；

S3、钻孔角度确定：根据上述确定切顶高度，通过数值模拟，从0°开始按每次5°等梯度的累加到30°计算不同偏斜切顶角度的卸压效果，确定最佳钻孔切顶角度；

S4、钻孔间距确定：根据现场工程条件，设计炮孔向工作面方向偏转上述最佳钻孔切顶角度，孔深设计为上述确定的钻孔切顶高度，模拟单孔爆破试验、从8m的孔间距开始，按2m等梯度递增，做连孔爆破试验，确定最优爆破钻孔间距。

本发明具有如下优点：

首先，实施模型，清晰的表述了回采工作面与远上方巷道之间的空间位置关系，直观观察到回采工作面与远上方巷道上覆岩层的赋存情况，充分展现工作面回采过程中，煤层上覆岩层因煤层开采导致的煤层上覆岩层垮落，煤层上方的远上方上覆岩层出现的旋转下沉趋势，直观观察到被保护的远上方巷道的远上方巷道上覆岩层受煤层远上方上覆岩层的旋转下沉影响，及对远上方巷道产生旋转拉伸作用，进而造成远上方巷道被破坏，同时，可清楚看到远上方巷道直接顶即远上方巷道上覆岩层中的几块关键作用岩层，是爆破切顶卸压关键因素，因此，采用钻孔爆破切断远上方巷道上覆岩层中的几块关键作用岩层，可以有效的解决被保护的远上方巷道的远上方巷道上覆岩层受工作面回采过程中，煤层远上方上覆岩层的旋转下沉影响问题，所述实施模型钻孔的位置，钻孔角度及切顶高度布局清晰，所述实施模型具有直观明了、结构简单和表述清晰的特点。

其次，提出利用有限差分软件FLAC3D建立三维实体模型，模拟计算分析确定远上方巷道爆破切顶卸压钻孔关键参数的方法，即获得最优切顶高度、钻孔偏斜角度及爆破钻孔间距的方法；

最后，根据具体矿井工作面回采工程条件实例，试验验证上述模拟得出的远上方巷道爆破切顶卸压钻孔关键参数，即获得的最优切顶高度、钻孔偏斜角度及爆破钻孔间距，并在现场实际工程中成功实施；

关于本发明关键参数的确定，可结合具体的实施案例说明，根据潘三煤矿17191工作面具体工程地质条件作为实施案例，结合矿压监测结果，利用有限差分软件FLAC3D建立三维实体模型，模拟对比分析不同切顶高度条件下，工作面回采过程中的远上方巷道附近围岩位移及竖向应力分布情况，确定最佳切顶高度；

根据实施模型的回采工作面煤层及远上方巷道上覆岩层赋存柱状模型图，模拟计算所采用的切顶高度分别为36m，43.4和50m，切顶高度目的是为了分别打断关键作用岩层中一层，二层及三层；先假定切顶角度为0°，即垂直顶板，模拟计算结果分析得出，针对17191工作面开采条件，最佳顶板预裂切顶高度应为50m，同时，从切顶高度模拟计算结果得知，垂直顶板实施预裂切顶，无法完全切断采空区顶板与留巷顶板间的应力传递，其原因在于顶板下沉拉开后，在垂直顶板的预裂切顶面产生较大的摩擦阻力，从而影响顶板的切落，因此，切顶面向采空区偏转一定角度，将会有利于顶板切落；

为分析预裂切顶角度的影响，设计切顶高度为50m，切顶面向采空区按5°梯度递增偏转不同角度，即切顶角度为5°，10°和15°三种情况，并对比切顶角度为0°时，被保护巷道围岩与采空区顶板的应力变化、位移变化，从而确定最适合的切顶角度，模拟结果获知采用5°，10°和15°三种预裂切顶角度，在工作面回采后，切顶面右侧采空区直接顶位移均大于0°，表明切顶面向采空区偏转一定角度后，直接顶切落效果更好，采用5°，10°和15°三种切顶角度，在工作面回采后，远上方巷道4均处于低应力区，且围岩应力集中程度及范围均小于0°，同时，5°和15°切顶面两侧仍有压应力集中，表明切落顶板回转过程中仍对留巷顶板产生一定挤压作用；

而10°切顶面两侧压应力消除，应力集中区域远离远上方巷道4，表明该角度下切顶可以有效切断采空区顶板与远上方巷道4顶板间的应力传递，有利于远上方巷道4围岩的稳定。综合上述分析，针对17191工作面开采条件，最佳顶板预裂切顶角度应为10°，进而确定钻孔9长度为[50/(sin80°)]即50.77m，此处取整选取51m，所述的钻孔9的钻孔间距，则通过模拟爆破试验，确定最佳预裂爆破钻孔间距，根据现场工程条件，设计钻孔9向工作面方向偏转10°，孔深设计为51m，试验方案采用单孔爆破试验8m，10m，12m，间距连孔爆破试验，不同爆破钻孔间距爆破试验结果表明，80m间距连孔爆破后顶板预裂线平直，贯通效果明显，但孔间出现顶板小面积垮落，100m间距连孔爆破后，顶板预裂线平直，贯通效果明显，孔间顶板未出现破坏，120m间距连孔爆破后，顶板预裂线弯曲，有分叉，局部切缝发育不明显。从上述试验结果可以确定，最佳爆破钻孔间距为100m，针对潘三煤矿17191工作面远上方巷道4切顶卸压沿空留巷具体工程条件实例，确定顶板预裂切顶高度为51m，切顶角度为10°，切顶爆破钻孔间距为100m，并在现场实际工程中成功实施，对于切顶卸压沿空留巷技术在深井开采中的推广应用具有重要的借鉴意义；

根据上述研究所确定的切顶卸压护巷最佳参数，在潘三煤矿17191工作面进行了现场实施，待回采工作开始前，钻孔9采用深、浅孔切顶卸压爆破方案，在运输巷道2顶部中间沿巷道中心线方向均匀分布开孔，钻孔在煤层水平面上的投影线与运输巷道2长度方向(巷道中心线方向(走向))夹角90°，在巷道断面水平面上的投影线与运输巷道2巷道断面顶部水平线的夹角为80°(切顶角度10°)，斜长51m，孔径94mm，孔间距100m，先施工并爆破深孔，后施工浅孔，距离工作面150-200m位置开始试验，深孔一次起爆2个孔，浅孔一次起爆长度不超过6m，最后完成钻孔9切顶卸压爆破，将远上方上覆岩层与远上方巷道上覆岩层切断，如此，随着工作面煤层回采，煤层被采空，煤层顶部上覆岩层冒落，煤层远上方岩层会失去下部煤层顶部上覆岩层的支撑，远上方岩层底板线会发生向下弯曲，煤层远上方上覆岩层发生弯曲下沉，而此时，煤层远上方上覆岩层与远上方巷道上覆岩层已被切断，煤层远上方上覆岩层发生弯曲后，无论是否会发生破断，煤层远上方上覆岩层的弯曲下沉都不会给远上方巷道上覆岩层带来拉伸回转下沉作用，从而使远上方巷道围岩承受较小附加应力，进而保护远上方巷道。

本发明一种深井沿空巷道钻孔爆破切顶卸压模型及参数确定方法，具有直观明了、结构简单和表述清晰的优点，该方法在现场实际工程中成功实施，对于切顶卸压沿空远上方留巷技术及方法在深井开采中的推广应用具有重要的借鉴意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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。对这些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这些实施例，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。