[发明专利]基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法及应用

说明书

本发明公开一种基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法及应用，方法首先分析煤柱底板应力分布规律，确定煤柱应力对下煤层开采的影响区域；然后在煤柱影响区域和非煤柱影响区域的巷道布置多个电磁辐射监测点，巷道围岩电磁辐射能量变化进行实时监测；接着从地表打孔，在煤柱及其顶板岩层进行可控冲击波预裂；最后注入丙酮溶液对预裂范围的煤岩层的强度进行弱化，直至监测到煤柱影响区域巷道围岩应力等于或低于非煤柱影响区域的围岩应力。此外应用本方法对采空区的瓦斯进行抽采。本发明不仅避免了应力集中对下煤层开采的影响，还对瓦斯防治和利用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及矿山安全生产技术领域，尤其涉及一种基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法及应用。

背景技术

近些年来，随着我国浅部煤炭资源的枯竭和煤炭需求的不断增加，煤炭开采逐渐往深部转移。由于地质构造以及技术装备的影响，我国许多矿井在上部煤层开采之后遗留大量的保护煤柱，对于下部煤层开采而言，上部煤层遗留煤柱易造成应力集中，对下部煤层回采巷道的布置以及采煤工作面的安全生产带来不利的影响。现场的开采实践表明，工作面在开采过程中常常发生严重的压架现象，出现支架活柱瞬时大幅下缩(超过500mm)、支架被压死或导致采煤机无法通过等剧烈的顶板来压现象，给人员的安全和矿井的高效生产带来了极大的影响，此类灾害在我国西北部近距离煤层赋存矿区的开采过程中显得尤为普遍。同时，上部遗留煤柱与下煤层的采动应力相互叠加，极易引起冲击地压等矿井动力灾害。

现有技术都是针对下煤层采取钻孔卸压、顶板预裂爆破等方法，没有从根源上解决遗留煤柱对下煤层开采的影响，有必要从上部遗留煤柱弱化的角度减少煤柱对下煤层开采的影响。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法及应用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法，包括如下步骤：

步骤1：分析煤柱底板应力分布规律，确定煤柱应力对下煤层开采的影响区域，过程如下：

步骤1.1：以煤柱下边界为x轴，垂直煤柱向下方向为y轴，煤柱下边界的中心位置或左侧边界点为坐标原点，建立直角坐标系；

步骤1.2：采用现场实测或理论分析的方法，得到煤柱载荷分布函数q(x)；

步骤1.3：取距坐标原点距离为ξ，宽度为dξ的微小区段研究，其中M(x,y)为煤柱底板周围煤岩体中任意一点，x、y分别为该点在直角坐标系中的横、纵坐标；根据半平面体理论，结合公式(1)求得在载荷分布函数q(x)作用下任意一点M处的垂直应力σ_y：

其中，a、b分别为煤柱两侧边界点在x方向上的坐标值；

步骤1.4：建立煤柱底板应力传递的力学模型，将垂直应力公式(1)、载荷分布函数q(x)以及煤柱底板的计算范围输入模型中，通过力学分析软件模拟得到煤柱底板的垂直应力分布云图，从而确定上部煤柱底板对下煤层的应力影响范围；

步骤1.5：若煤柱底板的应力未传递至下部待开采煤层，则煤柱不进行弱化；若煤柱底板的应力影响至下部待开采煤层时，则执行步骤2。

步骤2：依据煤柱应力对下煤层开采的影响区域，在煤柱影响区域和非煤柱影响区域的巷道每隔5m布置一个电磁辐射监测点，采用电磁辐射监测仪对巷道围岩电磁辐射能量变化进行实时监测，煤岩体所受的应力越高，煤岩体的电磁辐射信号越强；

步骤3：从地表打孔，在煤柱及其顶板岩层进行可控冲击波预裂，过程如下：

步骤3.1：用钻杆将冲击波设备送至孔底第1个冲击波作业点，即煤柱位置，向孔内注入清水，并对孔口进行密封，然后开启电源，对冲击波作业点进行4-8次的冲击波作业；