[发明专利]一种基于关键层再造原理减缓采场矿压的方法

说明书

本发明公开一种基于关键层再造原理减缓采场矿压的方法。首先，通过理论计算确定再造关键层的几何尺寸，包括倾向长度、走向长度、厚度、距开采煤层距离四个参数，充分考虑煤层厚度、岩性差异；建立了关键层强度与厚度的定量互馈关系，从确保关键层不发生滑落失稳的角度出发，提出了关键层强度与厚度的确定方法，实现了关键层再造方案的量化设计。其次，确定关键层再造现场方案，提出了交叉迈步底部逆式注浆方案，对钻孔布置、钻孔变径、注浆材料、注浆时间等参数进行了设计，该方案设计合理、可操作性强；最后，确定关键层再造施工流程，包括注浆时间、工序、劳动组织等。

技术领域

本发明涉及矿山压力与岩层控制领域，尤其涉及到一种基于关键层再造原理减缓采场矿压的方法。

背景技术

煤炭井工开采是在地表以下一定深度的地层内进行煤炭开采、运输的活动，煤层上覆盖着几十米甚至近千米的层状岩层。层状岩层的岩性、厚度、强度、化学组成等均呈现较大差异性。根据矿业学科矿山压力与岩层控制理论可知，岩层分布特征及其破断规律是影响煤炭开采安全性的重要原因，存在如下述两种情况：

(1)当煤层上部岩层中存在一层至数层厚度较大、强度较高的坚硬岩层时，随着煤层不断采出，该坚硬岩层会发生规律性破断，并在煤层上方形成稳定梁式或拱式平衡结构，从而避免覆岩压力全部作用于采场支架，对于避免采场支架压架、预防端面煤岩体冒漏等灾害事故具有重要作用，该类对于采场围岩控制发挥积极作用的岩层被称为关键层。进一步地，根据关键层的厚度和强度差异，关键层失稳形式分为滑落失稳与回转变形失稳，其中滑落失稳不利采场围岩控制。

(2)当煤层不存在可以作为关键层的坚硬岩层时，如我国西部宁东矿区部分煤层仅被50～150m沙土层覆盖或华北巨野、皖北等矿区煤层被软弱岩层和数百米的冲积层覆盖，上述沙土层、软弱岩层或冲积层具有强度低、整体性差的特点，无法起到关键层的作用。在这种地质条件下，煤层开采过程中，上部岩层的重量将全部或者大部分施加到采场支架上，造成采场支架压力增大甚至压死，端面煤岩体大范围冒落等强烈矿压现象，直接影响矿井安全生产和经济效益。对于该类地层条件下的围岩控制，主要采取增大液压支架工作阻力、提高支柱活量、采场围岩注浆等措施。

就现有研究成果而言，关键层失稳形式(滑落或回转)取决于关键层厚度、强度、几何关系等地层赋存的先天条件，而针对不同关键层失稳形式对采场造成的矿压影响，当前主要在采场内采取增大支护阻力、调整液压位态、端面围岩加固等措施。考虑到关键层发生失稳运动→引起采场矿压显现→采场内采取控制措施的发生过程，可知，关键层发生失稳运动是灾害事故发生的根本原因，而现有的采场控制措施是在关键层运动造成的矿压显现之后采取的，属于滞后、被动的措施。当前尚未有通过再造关键层强度和尺寸，进而影响关键层破断失稳形式，改善采场矿压的报道，这属于一类超前的、主动的控制措施。

发明内容

本发明为了解决无关键层地层条件下采场强烈矿压事故频发难题，针对煤层上部岩层无法形成关键层的地层条件，本专利提出一种通过再造关键层来减缓采场矿压的方法。首先，通过理论计算确定再造关键层的几何尺寸，包括倾向长度、走向长度、厚度、距开采煤层距离四个参数；其次，确定关键层再造现场方案，包括钻孔布置方案及参数、注浆材料、注浆压力等；最后，确定关键层再造施工流程，包括注浆时间、工序、劳动组织等。

一种基于关键层再造原理减缓采场矿压的方法，分为如下步骤：

第一步现场调研与室内实验

现场调研煤层顶板及其上覆岩层岩性、煤层厚度M、软弱岩层厚度∑h、工作面尺寸、岩层破断角β、岩层回转角θ、再造关键层破断长度a、注浆损失系数λ、浆液充填率ε、浆液结实率m、每小时注浆量c；实验室测定煤层顶板岩层的抗压强度σ_c、碎胀系数k_i、密度ρ和孔隙率η、注浆管道直径变化影响系数Δ；

第二步确定再造关键层空间位置与厚度

步骤2.1)确定再造关键层空间位置