[发明专利]大倾角煤层开采冲击地压定向防治方法

摘要

本发明考虑大倾角煤层坚硬顶板的非对称应力分布规律及定向爆破卸压后应力场演化特征，提出了具有针对性的大倾角煤层开采冲击地压定向防治方法。步骤1）为顶板能量释放，根据坚硬顶板应力分布规律进行超前顶板深孔爆破设计，达到释放该区域弹性能，减小来压步距与强度的目的。步骤2）为次生能量消耗，根据顶板定向弹性能释放后的应力场演化特征消耗工作面中下部区域煤体内储存的弹性能，避免次生灾害的发生。步骤3）为二次解危，针对已确定的危险区域及时进行顶板深孔爆破孔与煤体卸压爆破，释放煤岩体内大量的弹性能。最终达到 “逐级卸压，预防为主”的防冲效果。

主权项

一种大倾角煤层开采冲击地压定向防治方法，其特征在于，所述冲击地压定向防治方法分为三个步骤：步骤1)：顶板能量释放；步骤2)：次生能量消耗；步骤3)：二次解危；所述步骤1)在工作面前方易发生冲击地压的区域布置炮孔，所述步骤1)具体包括：步骤11)：确定定向爆破孔位置、排布方式、倾角及长度；步骤12)：确定定向爆破孔炮孔间距、排距；步骤13)：确定装药结构与装药量；步骤14)：确定封孔长度；所述步骤11)具体如下：首先确定顶板内需要进行顶板能量释放的关键层位，利用公式(1)求出大倾角煤层目标岩层挠度方程w(x，y)：其中式中D——坚硬顶板弯曲刚度，D＝E2h23/12(1‑μ22)；E2——坚硬顶板弹性模量；γ1——上覆岩层平均容重；γ2——坚硬顶板容重；μ2——坚硬顶板泊松比；h2——坚硬顶板厚度；a——工作面走向推进长度，m；b——工作面倾向推进长度，m；Ls——矸石充填区长度，m；c——待定系数，c＝b/2‑Ls，m；β——顶板岩层倾角，(°)；P0——工作面下端头处上覆岩层荷载，MPa；Py0——工作面y＝0处上覆岩层荷载，MPa；q——长度为Ls的矸石填充载荷，MPa；G——坚硬顶板的重力，G＝γ2h2，MPa；F1——坚硬顶板的水平构造力，F1＝λ1γ2h2(λ1取1.6)，MPa；F2——坚硬顶板的水平构造力，F2＝λ2γ2h2(λ2取1.1)，MPa；C1——待定系数，C1＝P0+γ2h2‑F1，MPa；C2——待定系数，C2＝Py0+γ2h2‑F1，MPa；C3——待定系数，C2＝P0+γ2h2+F1，MPa；式中σ1、σ3——最大、最小主应力；σx、σy——x、y方向正应力；τxy——xy方向正应力；Ez——z方向弹性模量；μ——煤层泊松比；将w(x，y)代入到公式(2)、(3)中，求得目标岩层y‑z平面内的最大主应力等值线图，根据应力等值线图确定大倾角煤层坚硬顶板的关键层位：上部垮落区、中部断裂区、下部悬顶区的长度l1、l2、l3，根据上部垮落区长度l1、中部断裂区长度l2、下部悬顶区的长度l3和工作平面宽度计算出对应区域在y‑z平面内的面积，再利用公式(4)和(5)求出爆破孔破碎区半径R1和裂隙区半径R2：式中:R1——破碎区半径；R2——裂隙区半径；σcd——岩体动态抗压强度，MPa；σth——岩体动态抗拉强度，MPa；r——药卷半径，m；rb——炮孔半径，m；μd——岩石动泊松比，取0.8μ；n1——炸药爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增大系数，取n＝10；D1——煤体炸药爆速，m/s；ρ0——炸药的密度，kg/m3；le——装药轴向系数，取le＝1；K——不耦合系数，取1.5～2；B——系数，根据裂隙区半径R2计算出单个爆破孔裂隙区在y‑z平面内的覆盖面积，使裂隙区面积至少覆盖上部垮落区、下部悬顶区顶板面积的1/2，确定上部垮落区、下部悬顶区定向爆破孔的个数，炮孔倾角以覆盖爆破区域为准，爆破深度最小达到目标层厚度的2/3以上，通过回风顺槽设置上部垮落区的定向爆破孔，通过运输顺槽设置下部悬顶区的定向爆破孔；中部断裂区设置一个老顶定向爆破孔，使该孔爆破区域覆盖应力最大区域，爆破深度至少达到目标层厚度的1/2以上，通过运输顺槽设置中部断裂区的老顶定向爆破孔。