[发明专利]一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法

说明书

本发明公开了一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，该方法包括：首先在回风巷道顶板上沿煤层工作面推进方向顺序钻取若干个超前弱化致裂钻孔组，其中每个超前弱化致裂钻孔组内均包括沿煤层工作面推进方向依次布置的第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔，三排致裂钻孔均朝采空区方向倾斜不同角度；煤层工作面推进至超前弱化致裂钻孔组位置时，依次向三排致裂钻孔填装静态破碎剂药卷，实现顶板岩层的逐级致裂弱化。该方法通过利用自由面制造临空面或弱化层来充分发挥药卷的最佳效果，做到“逐级弱化+整体断裂”，实现顶板不同倾斜角度钻孔的时空协同致裂，提高顶板垮落效率。该方法操作简单，致裂效果较好。

技术领域

本发明涉及到一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，尤其适用于无自由空间的坚硬顶板岩层的高效致裂作业中，实现时空协同控制弱化的目的。

背景技术

坚硬顶板垮落是预防上隅角瓦斯异常积聚、减少上覆岩层应力突发集中的有效措施之一，而坚硬致密顶板岩层的整体性和高强度等特点常为煤层回采时顶板快速垮落带来了诸多阻碍。常规的顶板致裂措施主要包括高压水力压裂和深孔爆破技术，均是采用高压水或乳化炸药对顶板岩层进行致裂，但是依然存在着一些不足，比如，高压水力压裂技术需要依靠高压水作为媒介，这对钻孔密封性和压裂设备要求极高，操作流程较为复杂，成本较大；深孔爆破技术则是难以保证所有的乳化炸药得到有效引爆，且爆炸引起的冲击波很容易引起地层应力扰动，这些限制均限制煤层开采的安全性。

静态爆破技术以静态破碎剂药卷作为媒介，依靠药卷遇水反应产生的持续高膨胀应力，从而达到弱化致裂顶板岩层的目的。常见方式是对钻取的大量垂直钻孔进行交替装药，一方面钻孔施工量较大，前提成本较大；另一方面交替装药的方式极容易造成废孔，且很难提供有效的卸压空间，导致弱化致裂效果较差。针对上述存在的问题，需要根据静态破碎剂药卷的应力特性，创造有效的自由面，增加明显的卸压区域和空间，一方面可以充分发挥静态破碎剂药卷的持续高应力，另一方面还可节省大量的钻孔作业量，最终实现坚硬顶板岩层的整体可控弱化。

发明内容

发明目的：本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种操作简单、施工方便，真正做到坚硬顶板岩层的时空协同可控弱化致裂方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种坚硬煤层顶板时空协同控制弱化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

超前钻孔：在回风巷道顶板上沿煤层工作面推进方向顺序钻取若干个超前弱化致裂钻孔组，超前弱化致裂钻孔穿过直接顶达到老顶，每个超前弱化致裂钻孔组均包括沿煤层工作面推进方向依次布置的第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔，第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔均朝采空区方向倾斜，第一排致裂钻孔倾斜角度为α，第二排致裂钻孔倾斜角度为β，第三排致裂钻孔倾斜角度为γ，α<β<γ；

逐级弱化致裂：当煤层工作面向前推进到超前弱化致裂钻孔组的位置时，依次向第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔内填装静态破碎剂药卷，在静态破碎剂药卷作用下，实现超前弱化致裂钻孔组周围岩层的逐级致裂弱化，进而实现回风巷道顶板的断裂跨落。

进一步的，超前钻孔步骤中，相邻两个超前弱化致裂钻孔组间的间距为1～1.2m；第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔间的间距为1～1.2m；第一排致裂钻孔、第二排致裂钻孔和第三排致裂钻孔的孔径均为40～60mm、孔深均为2～3m、孔间距为0.5～0.8m。

进一步的，超前钻孔步骤中，α为30°，β为45°，γ为60°。