CN104533418A - 一种用于煤矿井下深孔静力破岩法 - Google Patents

Abstract

一种用于煤矿井下深孔静力破岩法是根据被破岩体的普氏硬度系数，在被破岩体上按不同结构布设主孔和辅孔，其主孔和辅孔的参数包括孔径、孔距、孔深和孔角度，并按注浆法或药卷法在主孔内装填胀裂剂并封孔，辅孔内不装填胀裂剂，充当人为自由面释放膨胀压力并引导裂纹的发生和发展；当多排孔布置时，等间距布设主孔与辅孔。本发明解决了在煤矿井下使用胀裂剂对处于三轴应力状态下的天然岩体进行深孔破岩，该方法安全、温和、可控有效，尤其适用于高瓦斯矿井。

Description

一种用于煤矿井下深孔静力破岩法

技术领域

本发明涉及一种深孔静力破岩法，尤其是一种用于煤矿井下对处于三轴应力状态下的天然岩体进行深孔静力破岩法。

背景技术

在煤矿井下开采工作中，虽然机械化程度有了很大提高，但由于地质条件限制或者生产需要，经常需要深孔破岩。如深孔爆破弱化预裂综放工作面开切眼坚硬顶板，减少老顶初次来压步距；巷道内超前深孔预爆破顶板卸压等。目前，煤矿井下使用的深孔破岩方法有钻深孔装炸药爆破破岩和使用深孔注高压水胀裂、软化破岩。但这两种方法在一些具体应用中都存在安全隐患、达不到破岩要求等缺陷。

在公开文献中可以获得公开号为CN 103924956 A的“一种块煤开采用超前预裂方法”专利，煤岩体水压致裂过程实际上就是在水压驱动下微裂纹萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂纹产生导致失稳破裂的过程。其实质是在一段封闭的钻孔内注入50～60MPa的高压水，高压水膨胀压力使孔壁附近产生大量裂纹，使岩体中原有裂纹张开和扩展。这种水压预裂方法至少存在两个缺点。其一，岩体中包含许多天然缺陷，例如孔隙、微裂缝等，由于水的渗透性很强，在高压水力作用下，这些天然孔隙、裂隙就会成为导水通道，使高压水渗流，压力降低，达不到破岩所需力度。其二，水压致裂通过管路输送压力达50～60MPa的高压水，因此，管路连接处可能存在被冲破的危险，而一旦管路连接处被冲破，压力达到50～60MPa的高压水破坏力很大，会对周围的设备以及施工人员造成一定伤害，存在很大的安全隐患。

在公开的文献中可以获得公开号为CN 102620612 A的“一种煤矿深孔爆破法”专利，公开号为CN 103244180 A的“一种留小煤柱沿空掘巷围岩控制方法”专利，公开号为CN 103244124 A的“一种煤矿巷道工作面强制放顶卸压过空巷的方法”专利，公开号为CN 103278055 A的“一种坚硬顶板深孔预裂爆破切顶卸压方法”专利。这些公开方法的主要措施都是钻深孔装入烈性炸药，利用炸药爆炸瞬间产生的巨大威力来破碎岩体。以上专利所述方法虽被广泛使用，但存在很多不足之处。炸药是瞬间爆炸，气体膨胀作用破岩，过程不易控制，炸药爆炸瞬间释放的巨大能量产生剧烈的震动，有时地表都有震感，会对煤矿井下及地面建筑物、构筑物产生一定的破坏；炸药爆炸瞬间产生冲击波和飞石，可能崩倒、崩坏周围支架和设备，造成人员伤亡，此类事件时有发生；炸药破岩还会产生粉尘、炮烟等有毒有害气体，恶化井下生产环境，危害工人身体健康；更为严重的是炸药破岩可能存在瞎炮、残爆、爆燃等不可预测的隐患。

现有技术静力破碎法，主要用于闹市区的拆除破碎工程，厂房内的混凝土基础拆除和建筑石材如大理石、花岗岩的开采等，破碎对象是处于二维应力状态下的有自由面的小范围岩体。这些应用的破碎对象范围小，处于二维应力状态且存在自由面，易于实施。在公开的文献中可以获得题为“静态胀裂剂(SCA)的研究进展”的论文，主要从破碎原理、配方组成及施工方法等方面进行了综述，评述了静态胀裂剂的研究进展和发展方向。但仅此对小范围内的混凝土、建筑石材如大理石、花岗岩的开采等进行钻孔静力破碎。

为了满足煤矿井下开采过程中所遇到的破岩需求，消除安全隐患，减少对设备以及人员的危害，迫切需要寻求一种用于煤矿井下深孔静力破岩法。

发明内容

基于目前煤矿井下破岩所公开和实际应用的现有技术，本发明要解决的具体技术问题是如何使用胀裂剂的膨胀压力在煤矿井下进行深孔破岩，并提供一种用于在煤矿井下安全、温和、可控而又有效的深孔静力破岩法，尤其是一种用于高瓦斯矿井的深孔静力破岩法。

实现上述本发明所提供的一种用于煤矿井下深孔静力破岩法的具体技术方案如下。

一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，其所述破岩法是按下列步骤进行的：

（1）根据被破岩体的普氏硬度系数（f），在被破岩体上按不同结构布设主孔和辅孔：

当被破岩体是软岩f≤4时，按主辅直线结构布孔；

当被破岩体是中硬岩4＜f≤8时，按主辅菱形结构布孔；

当被破岩体是硬岩f＞8时，按主辅五花结构布孔；

（2）按孔径35～50mm，

孔距a=q²(t)/[π(0.025σ_c+0.0014)²]，式中，σ_c为被破岩体的单轴抗压强度，q(t)为胀裂剂随时间变化产生的膨胀压力；

孔深是按被破岩体深度减去1m计算；

孔角度是孔轴线与水平面的夹角，取25°～45°，主孔和辅孔角度相同；

（3）在主孔内装填胀裂剂，其装填方式按注浆法或药卷法装填，单孔装填时间小于30分钟；注浆法利用注浆泵通过封孔器向主孔内注浆，药卷法将胀裂剂装入长0.5m，直径比主孔直径小10mm的透水袋中，浸水后装入主孔内并封孔；

（4）注浆法单孔装填胀裂剂量按下面公式计算：

Q=K₁π(Φ/2)²(H-h)

式中：K₁为注浆损失系数1.1～1.2；Φ为钻孔直径，单位m；H为孔深，单位m；h为封孔长度，0.5m；Q为胀裂剂浆体量，单位m³；

药卷法单孔装填胀裂剂量按下面公式计算：

Q=K₂π(φ/2)²(H-h)

式中：K₂为装药不耦合系数，Φ/φ;Φ为钻孔直径，φ为药卷直径，单位m；H为孔深，单位m；h为封孔长度，0.5m；Q为胀裂剂浆体量，单位m³；

（5）当多排孔布置时，等间距布设主孔与辅孔，相邻排距按下面公式计算：

L=20kΦ

式中：L为同方向孔排距，单位m；Φ为孔口直径，单位m；k为钻孔密度调整系数0.8～1。

基于上述技术方案，进一步的附加技术方案如下。

所述胀裂剂的制备方法是按原料的质量比，其组成及其含量是：氧化钙大于 90%，余量硅酸三钙、氧化镁、三氧化二铁、水合延缓剂、水硬性物质和减水剂的和小于10%；膨胀剂与水按质量比为7:3混合，再在10分钟内搅拌成具有流动性的均匀浆体。

所述的破岩对象是处于三轴应力状态下没有自由面的天然岩体。

所述深孔静力的破碎范围在主孔和辅孔结构范围内。

实施本发明上述所提供的一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，与现有技术相比，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果在于：

本发明采用的破岩材料是煤岩胀裂剂，利用胀裂剂的热化学反应体积膨胀产生的膨胀压力来破岩，破岩过程温和、平缓、可控，不会产生剧烈震动以及冲击波、飞石，不会产生有毒有害的粉尘、炮烟，对施工环境如瓦斯、通风、煤尘等基本没有要求，施工过程简单方便，不仅安全性高，生产、运输和使用不受安全条例制约，而且由于破岩材料胀裂剂的主要成分是CaO，成本与炸药相比很低，在安全与经济效益方面具有明显突出优势，是常规爆破方法乃至控制爆破方法无法实现的一种新型煤矿井下深孔破岩方法。

附图说明

图1是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的主辅直线结构布孔图。

图2是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的主辅菱形结构布孔图。

图3是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的主辅五花结构布孔图。

图4是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的直线钻孔结构及装药示意图。

图5是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的直线钻孔结构及破碎示意图。

图6是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的沿空留巷顶板卸压示意图。

图7是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的沿空留巷顶板卸压剖面图。

图8是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的沿空留巷顶板卸压直线钻孔剖面图。

图9是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的沿空留巷深孔静力破岩卸压后示意图。

图10是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的工作面初采前顶板预裂示意图。

图中：1：主孔；2：辅孔；3：封孔器；4：破碎区；5：上区段工作面运输巷道；6：上区段工作面采空区；7：上区段回采工作面；8：上区段工作面回风巷道；9：上区段工作面巷旁支护体；10：下区段工作面运输巷道；11：下区段回采工作面；12：下区段工作面回风巷道；13：下区段工作面巷旁支护体；14：下区段工作面外错尾巷；15：下区段工作面开切眼；16：实体煤；17：沿空巷道；18：巷旁支护体；19：开切眼；20：运输巷道；21：回风巷道。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施本发明所提供的一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，该破岩法的实施对象是在煤矿井下处于三轴应力状态下的天然岩体，此深孔静力破岩法的破碎范围是在主孔和辅孔结构范围内。该破岩方法是按下列步骤进行的：

步骤一、实验测定被破岩体的普氏硬度系数（f），如被破岩体的普氏硬度系数f≤4，在被破岩体上按主辅直线结构布孔；如被破岩体的普氏硬度系数4＜f≤8，在被破岩体上按主辅菱形结构布孔；如被破岩体的普氏硬度系数f＞8，在被破岩体上按主辅五花结构布孔；

步骤二、主辅直线结构布孔时，孔径取35～40 mm；主辅菱形结构布孔时，孔径取41～45 mm；主辅五花结构布孔时，孔径取46～50 mm；

孔距按a=q²(t)/[π(0.025σ_c+0.0014)²]计算，式中，σ_c为被破岩体的单轴抗压强度，q(t)为胀裂剂随时间变化产生的膨胀压力；

孔深按被破岩体深度减去1m计算；

孔角度是孔轴线与水平面的夹角，取25°～45°，主孔和辅孔角度相同；

步骤三、主孔和辅孔按计算的参数钻出后，用压风将主孔吹洗干净，在主孔内装填胀裂剂，其装填方式按注浆法或药卷法装填，单孔装填时间小于30分钟；注浆法利用注浆泵通过封孔器向主孔内注浆，药卷法将胀裂剂装入长0.5m，直径比主孔直径小10mm的透水袋中，浸水后装入主孔内，振捣密实并封孔；

步骤四、注浆法单孔装填胀裂剂量按下面公式计算：

Q=K₁π(Φ/2)²(H-h)

式中：K₁为注浆损失系数1.1～1.2；Φ为钻孔直径，单位m；H为孔深，单位m；h为封孔长度，0.5m；Q为胀裂剂浆体量，单位m³；

药卷法单孔装填胀裂剂量按下面公式计算：

Q=K₂π(φ/2)²(H-h)

式中：K₂为装药不耦合系数，K₂=Φ/φ；Φ为钻孔直径，φ为药卷直径，单位m；H为孔深，单位m；h为封孔长度，0.5m；Q为胀裂剂浆体量，单位m³；

步骤五、当多排孔布置时，等间距布设主孔与辅孔，相邻排距按下面公式计算：L=20kΦ，式中：L为同方向孔排距，单位m；Φ为孔口直径，单位m；k为钻孔密度调整系数0.8～1。

在上述具体实施方式中，本发明所采用的胀裂剂是按下列方法制备的：

按原料的质量比，其组成及其含量是：氧化钙大于 90%，余量硅酸三钙、氧化镁、三氧化二铁、水合延缓剂、水硬性物质和减水剂的和小于10%；膨胀剂与水按质量比为7:3混合，再在10分钟内搅拌成具有流动性的均匀浆体。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1

沿空留巷技术由巷内支护和巷旁支护两者共同组成，基本顶及其上部分层垮落岩块的大部分重量都转移到了实体煤帮和巷旁支护体上，使得煤帮和巷旁支护体承载压力增大，要想维护沿空留巷的稳定就要加强实体煤帮的锚固支护和加大巷旁支护体的宽度和强度，使得支护成本高且回采期间留巷变形量大，维护困难。在沿空留巷采空侧巷旁即上区段工作面回风巷内，应用本发明一种用于煤矿井下深孔静力破岩法破碎切断巷旁顶板卸压，能使巷旁支护体及巷道承受的载荷明显减小，利于沿空留巷的维护，其所述破岩法是按下列步骤进行：

（1）据实验测定某矿沿空留巷顶板普氏硬度系数f=3.5，选择直线布孔结构在采空侧巷旁顶板沿巷道轴线方向布设3排钻孔；

（2）孔径Φ取40mm；按公式a=q²(t)/[π(0.025σ_c+0.0014)²]计算得孔距a取0.5m，实验测定q(t)=80MPa；通过关键层理论结合冒落带高度确定被破岩体深度为20m，孔深H取19m；孔轴线与水平面的夹角取45°；

（3）第一排孔与采空侧巷旁支护体水平距离0.5m，相邻排距L按公式L=20kΦ计算得0.7m，相邻排主孔和辅孔间隔布设；

（4）钻孔工作超前回采工作面5m进行，待主辅孔按给定参数钻出且用压风将主孔内吹洗干净后，在主孔内距孔口0.5m处安设封口器，将胀裂剂与15℃左右的水按质量比7:3混合，用机械或手工在10分钟内搅拌成具有流动性的均匀浆体；

（5）用注浆泵将制得的胀裂剂浆体通过封孔器注满主孔，单孔注浆时间小于30分钟；

（6）注浆结束后胀裂剂即开始反应，反应开始后，装药预裂破碎顶板下禁止行走人员，以免喷孔或破碎垮落岩块伤人；

（7）注浆结束开始反应，胀裂剂将膨胀压力缓慢地施加到主孔孔壁，使主孔径向受压应力作用，切向受拉应力作用，主孔周围岩体在拉应力作用下沿辅孔方向萌生裂纹，随着反应的继续，主孔受到的切向拉应力作用逐渐增大，裂纹继续发生扩展，直至布设主辅孔结构范围内的巷旁顶板产生裂缝，甚至破碎垮落，达到卸压目的。

实施本发明上述技术方案前，巷旁支护体采空区侧悬顶目测达20m以上；实施本发明一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，装药结束数小时内，顶板有明显的胀裂声响，目测采空区侧悬顶逐步冒落；数小时后，破岩区域悬顶基本垮落，达到卸压目的且效果明显。在实施过程中，工作面回采工作正常进行，互不影响。

实施例2

在地下开采坚硬顶板煤层过程中，工作面初采顶板悬顶面积较大制约回采的顺利进行，采用本发明一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，在开切眼内顶板上实施深孔静力破岩，使开切眼内基本顶岩层产生裂纹断裂，工作面回采开始后在重力作用下及时垮落，减小工作面顶板初次来压步距，保证初采工作正常进行，其所述破岩法按下列步骤进行：

（1）实验测定某矿开切眼顶板岩体普氏硬度系数f=4，选择直线布孔结构在开切眼内顶板上沿工作面方向布设1排直线钻孔，起始钻孔与运输巷道外帮水平距离取0.5m，钻至与回风巷道外帮之间的距离小于计算的孔距时，停止钻孔；孔径Φ取40mm，孔距a计算得0.5m，通过关键层理论结合冒落带高度确定被破岩体深度为25m，孔深H取24m，钻孔角度取45°；

（2）待主辅孔按给定参数钻出且用压风将主孔吹洗干净后，将预制的长0.5m，直径Φ=30mm的药卷充分浸没在15℃左右的水中浸泡5分钟后，用炮棍将药卷一节一节的送入主孔，第一节药卷必须到达主孔孔底，相邻药卷之间用炮棍振捣密实，不留间隙，待药卷装至距孔口0.5m处时，用封孔器封孔，结束单孔装药；

（3）用药卷法装药时，将同一批次浸水后的药卷在30分钟内装入主孔；

（4）装药结束胀裂剂即开始反应，反应开始后，开切眼顶板下禁止行走人员，以免喷孔或煤岩块垮落伤人；

（5）药卷装药结束，胀裂剂开始热化学反应，将膨胀压力缓慢地施加到主孔孔壁，使主孔径向受压应力作用，切向受拉应力作用，主孔周围岩体在拉应力作用下沿辅孔方向萌生裂纹，随着反应的继续，主孔受到的切向拉应力作用逐渐增大，裂纹继续发生扩展，直至开切眼内基本顶岩层发生裂纹被预裂。

深孔破岩预裂初采工作面顶板时，开切眼内已装备液压支架、输送机、采煤机等回采设备，如果采用传统的装炸药爆破预裂初采工作面顶板，炮孔内装入的炸药量很大，炸药爆炸瞬间产生的剧烈震动可能引起煤壁片帮，破坏临近巷道及地下构筑物的稳定性，甚至地表都有明显震感，损坏地面房屋建筑物，存在很大的安全隐患。如果爆炸过程控制不好，炸药爆炸瞬间产生的冲击波、飞石会崩坏回采设备或人员受伤。炸药爆炸过程产生大量的煤尘、炮烟等有害气体，如果通风条件差或者瓦斯涌出量大，极有可能引发煤尘与瓦斯爆炸。如果炸药爆炸后存在瞎炮、残炮，处理过程既危险又复杂。运用本发明一种用于煤矿井下深孔静力破岩法预裂初采工作面顶板，不仅效果明显，而且不存在这些安全隐患。

Claims (4)

1.一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，其所述破岩法是按下列步骤进行的：

（1）根据被破岩体的普氏硬度系数（f），在被破岩体上按不同结构布设主孔和辅孔：

当被破岩体是软岩f≤4时，按主辅直线结构布孔；

当被破岩体是中硬岩4＜f≤8时，按主辅菱形结构布孔；

当被破岩体是硬岩f＞8时，按主辅五花结构布孔；

（2）按孔径35～50mm，

孔距a=q²(t)/[π(0.025σ_c+0.0014)²]，式中，σ_c为被破岩体的单轴抗压强度，q(t)为胀裂剂随时间变化产生的膨胀压力；

孔深是按被破岩体深度减去1m计算；

孔角度是孔轴线与水平面的夹角，取25°～45°，主孔和辅孔角度相同；

（3）在主孔内装填胀裂剂，其装填方式按注浆法或药卷法装填，单孔装填时间小于30分钟；注浆法利用注浆泵通过封孔器向主孔内注浆，药卷法将胀裂剂装入长0.5m，直径比主孔直径小10mm的透水袋中，浸水后装入主孔内并封孔；

（4）注浆法单孔装填胀裂剂量按下面公式计算：

Q=K₁π(Φ/2)²(H-h)

式中：K₁为注浆损失系数1.1～1.2；Φ为钻孔直径，单位m；H为孔深，单位m；h为封孔长度，0.5m；Q为胀裂剂浆体量，单位m³；

药卷法单孔装填胀裂剂量按下面公式计算：

Q=K₂π(φ/2)²(H-h)

式中：K₂为装药不耦合系数，Φ/φ；Φ为钻孔直径，φ为药卷直径，单位m；H为孔深，单位m；h为封孔长度，0.5m；Q为胀裂剂浆体量，单位m³；

（5）当多排孔布置时，等间距布设主孔与辅孔，相邻排距按下面公式计算：

L=20kΦ

式中：L为同方向孔排距，单位m；Φ为孔口直径，单位m；k为钻孔密度调整系数0.8～1。

2.如权利要求1所述的一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，其所述胀裂剂的制备方法是按原料的质量比，其组成及其含量是：氧化钙大于 90%，余量硅酸三钙、氧化镁、三氧化二铁、水合延缓剂、水硬性物质和减水剂的和小于10%；

膨胀剂与水按质量比为7:3混合，再在10分钟内搅拌成具有流动性的均匀浆体。

3.如权利要求1所述的一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，其所述的破岩对象是处于三轴应力状态下没有自由面的天然岩体。

4.如权利要求1所述的一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，其所述深孔静力的破碎范围在主孔和辅孔结构范围内。