CN108643910A - 一种用于煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶的方法，属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种煤矿采场坚硬顶板超前预裂钻孔开孔位置、钻孔深度、钻孔角度及数量等钻孔布置方式参数的确定及钻孔装药量计算的坚硬顶板控制放顶方法；该方法依据坚硬顶板断裂的特征，布置了呈扇形的五个炮孔，形成固定角度；能够有效的预裂坚硬顶板最难断裂的工作面中部与端头，使顶板能够按照要求进行垮落；基于爆破的特点，炮孔起爆顺序由切眼中部向两端起爆的炮孔起爆顺序能够最大限度的提高爆破的自由面以及减少装药量，而且易于操作；并且定量地给出了超前深孔松动爆破坚硬顶板装药量的计算公式，使坚硬顶板控制更加科学化、定量化、准确化和简单化。
Description
技术领域
本发明涉及属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种煤矿采场坚硬顶板超前预裂钻孔开孔位置、钻孔深度、钻孔角度及数量等钻孔布置方式参数的确定及钻孔装药量计算的坚硬顶板控制放顶方法。
背景技术
在煤层之上直接赋存或在厚度较薄的直接顶板之上赋存有强度高、厚度大、整体性强、节理裂隙不发育，煤层开采后可在采空区大面积悬露，短期内不易自然垮落的顶板为坚硬顶板。由于岩层结构的特点，坚硬顶板工作面具有来压显现强烈、动载系数大、初次、周期来压步距大，在随工作面推进的过程中不易自行垮落，在开采过程中对支架有冲击来压等特点，开采过程中严重威胁工作面的安全，因此坚硬顶板控制一直是国内外采矿与岩石力学工作者十分重视的一个课题。目前，国内外超前预裂控制顶板来压步距与来压强度的具体方法有三种：一是超前工作面煤壁深孔爆破预裂顶板的控制放顶方法；二是超前工作面煤壁定向水力压裂顶板的控制放顶方法；三是超前工作面煤壁深孔注入静态破碎剂致裂顶板的控制放顶方法。
现有超前预裂处理坚硬顶板的方法存在的主要缺陷为：①超前工作面煤壁深孔爆破预裂顶板是通过预爆破弱化了坚硬岩层，缩短了来压或断裂步距，但由于爆破钻孔布置方式不合理造成装药量大、顶板弱化效果不理想等不可控制的问题。另外，也存在处理不当导致顶板破碎冒漏和煤壁片帮，造成采场顶板和煤壁管理的困难。②超前工作面煤壁预注高压水定向水力压裂是指在钻孔压裂段预制裂缝，从而控制水力压裂裂纹扩展方向的技术，主要表现在压裂和软化两个方面，从而削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，但其带来的地下水污染等潜在环境威胁也不容小觑，此前，水力压裂已在多个国家引起争议，甚至对其颁布了禁令。同时水力压裂对顶板弱化效果的存在不可控制的缺点，对厚层坚硬顶板的弱化效果不是特别理想。③工作面煤壁深孔注入静态破碎剂致裂顶板的控制放顶方法是一种新型的坚硬顶板预裂的方法，目前处于科研阶段，现场应用极少。
现有公开的文献中可以获得的专利有，公开号为CN101705821A的“一种用于煤矿开采中坚硬顶板控制放顶的方法”专利。具体来讲该专利通过计算确定周期放顶步距后，在支架尾梁后侧采用爆破的方式强制放顶的技术方案，但是在支架尾梁后钻孔、装药难度较大且存在安全隐患。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提高一种用于煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶的方法，目的在于克服上述现有技术的缺陷，根据长壁工作面坚硬顶板垮落的特点，提供一种在煤矿开采中超前工作面煤壁深孔爆破预裂顶板的控制坚硬顶板放顶方法的技术方案。具体来讲是公开一种煤矿开采中坚硬顶板超前工作面煤壁深孔爆破预裂顶板的钻孔布置方法、炮孔起爆顺序和钻孔装药量的计算方法，从而科学控制顶板来压时间、来压步距和来压强度。
超前深孔松动爆破主要作用是预裂坚硬顶板，减小顶板冒落面积。具体做法是在上、下顺槽或特殊巷道（工艺巷）向顶板打深孔，在工作面前方一定距离进行爆破，预先破坏顶板的完整性。超前深孔预裂爆破在上、下顺槽或专用巷道（工艺巷）进行施工，实现了生产与顶板处理平行作业，不影响工作面正常生产，有利于工作面实现高产。
本发明依据坚硬顶板断裂的特征，提出科学合理的钻孔布置方式，能够有效的预裂坚硬顶板最难断裂的工作面两端头处和工作面中部，使顶板能够按照要求进行垮落。
本发明具体的技术方案为：一种用于煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶的方法，包括以下步骤：根据待爆破处的坚硬顶板与煤层确定钻孔布置方案，即沿工作面上两边的运输和回风的顺槽每隔31m各对应布置一组炮孔，每组为五个炮孔，分别为第一炮孔、第二炮孔、第三炮孔、第四炮孔、第五炮孔，所述的五个炮孔呈扇形布置，其中第四炮孔与工作面平行，第一炮孔、第二炮孔、第三炮孔与巷道中心分别成30°、45°、67.5°夹角；第五炮孔设置在顺槽的外邦，向外侧与巷道中心线成30°夹角，钻孔仰角根据坚硬岩层距煤层的高度及坚硬岩层的厚度来确定，终孔位于坚硬岩层厚度的2/3处；钻孔长度L依据工作面的长度M来确定：工作面长度为100-120m时，钻孔长度为25m；工作面长度每增加0-40m时，钻孔长度增加5-10m；确定好钻孔布置方案后，进行钻孔，在钻好的孔内装药并通过炮泥封孔，实施爆破。
所述的沿工作面上两边的运输和回风的顺槽每隔31m各对应布置一组炮孔的起爆顺序是从切眼的中部向两端，每次起爆1个炮孔；所述的起爆的顺序为第四炮孔，第三炮孔，第二炮孔，第一炮孔和第五炮孔。
在预裂爆破中，炮孔壁不被压坏，主要与岩石的抗压强度有关，炮孔之间形成裂缝又主要与岩石的抗拉强度有关，再据前述预裂爆破装药密度与岩石硬脆性质的关系，引出如下装药密度计算式：
（1）
式中：A——与岩石抗压强度、孔径、孔距等相关的线装药密度值；
K——岩石脆性系数；
a——修正系数，
（2）
式中：RT——岩石抗拉强度，MPa；
Rc——岩石抗压强度，MPa。
从预裂爆破装药量计算式的实质上看，有些计算法的理论依据有缺陷、有些虽然理论依据比较充分，但计算中的很多数值变幅很大，一般工程也难以试验确定，使得其推广应用受到限制。鉴于上述原因，根据经验计算公式经实践检验的适应程度，上述（1）式中的A值仍采用计算式进行计算，为便于导出修正指数a，用10K作为岩石脆性基数，所以，根据经验回归，得出修正系数a值为3.8，所以
（3）
式中：Q——线装药密度值(g/m)；
Rc——岩石饱和极限抗压强度(100MPa)；
——孔距(cm)；
K——岩石脆性系数，K=RT/Rc，无量纲。
最后，按照钻孔布置方式及工作面长度确定钻孔长度后，通过式（3）计算出单个钻孔的装药量，然后按照两巷爆破炮孔的起爆顺序实施爆破预裂顶板。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果。
1）依据坚硬顶板断裂的特征，提出科学合理的钻孔布置方式，能够有效的预裂坚硬顶板最难断裂的工作面两端头处和工作面中部，使顶板能够按照要求进行垮落，使坚硬顶板控制更加科学化、定量化、准确化和简单化。
2）从切眼的中部向两端顺序起爆的炮孔起爆顺序能够最大限度的提高爆破的自由面以及减少装药量，而且易于操作。
3）定量地给出了超前深孔松动爆破坚硬顶板装药量的计算公式，难够十分容易的计算出单个炮孔的装药量，在工程实际应用中更加科学地实现坚硬顶板控制。
附图说明
图1为坚硬顶板断裂的特征示意图。
图2为两巷超前深孔松动爆破钻孔平面布置示意图。
图3为两巷超前深孔松动爆破钻孔Ⅰ-Ⅰ剖面图。
图4为两巷超前深孔松动爆破钻孔孔口相对位置图。
1为切眼、2为顺槽、3为不易断裂位置、4为顺槽巷道顶板、5为顺槽巷道底板、6为煤层、7为直接顶、8为坚硬顶板、9为钻孔装药段、10为钻孔炮泥段、11为第一炮孔、12为第二炮孔、13为第三炮孔、14为第四炮孔、15为第五炮孔。
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
以山西煤炭运销集团裕兴煤业有限公司为例，15号煤层直接顶为K2石灰岩，K2灰岩厚5.40~7.80m，平均厚6.78m，致密坚硬，下部常夹薄层泥岩，在井田内该层特别稳定，单向抗压强度平均98.5MPa，单轴抗拉强度平均11.2MPa，属坚硬难冒顶板。该矿15101工作面长度为150m，采用大采高一次采全高综采，采高为4.49m，循环进度0.8m。工作面采用四柱式支撑掩护式支架，支架设计额定工作阻力5900kN/架，支架控顶距为4.5m。其中，钻孔长度与工作面长度的关系见表1。
一种用于煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶的方法，包括如下步骤：
步骤一，两巷超前深孔松动爆破钻孔布置方案为15101工作面运输和回风顺槽每隔31m各布置一组炮孔，每组为5个炮孔，分别为第一炮孔11、第二炮孔12、第三炮孔13、第四炮孔14、第五炮孔15，呈扇形布置，5个钻孔孔口间距为1.0m，钻孔长度均为30m，仰角为9.5°，其中第四炮孔14与工作面平行；第一炮孔11、第二炮孔12、第三炮孔13与巷道中心分别成30°、45°、67.5°；第五炮孔15布置到顺槽2外邦，向外侧与巷道中心线成30°施工炮眼。
步骤二，装药量计算；
根据式3：
式中：Q——线装药密度值，g/m；
Rc——岩石饱和极限抗压强度，MPa，取Rc=110MPa；
——孔距，cm，取=100cm；
K一一岩石脆性系数，K=RT/Rc，取K=0.114，无量纲。
代入参数得： 。
所以，两巷超前深孔松动爆破钻孔为30m时，炮孔装药量为7.0kg/孔。则两巷超前深孔松动爆破钻孔参数与装药量表见表2。
步骤三，两巷爆破炮孔的起爆顺序是从切眼的中部向两端，每次起爆1个炮孔。放炮采取分组起爆，共分四组，起爆的顺序为第四炮孔14，第三炮孔13，第二炮孔12，第一炮孔11和第五炮孔15。联线采用“局部并联，总体串联”的方式进行。放炮使用BF-200型起爆器，炮孔起爆时孔底离工作面煤壁距离应大于50m（第一组炮孔除外），第一组炮孔爆破时离工作面煤壁距离应大于5m。爆破时间：切眼初次强制放顶结束后，进行爆破；
在实施上述方案中，可有效的节省劳动时间，提高生产效率，为煤矿安全生产提供了实际可行的、并且是行之有效的煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶的方法，该方法已用于煤矿井下工作面安全生产半年多，同时，坚硬顶板基本紧跟支架后方，矿压显现不明显，未引起任何安全事故的发生，这对于煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶具有实质性的显著进步。
实施例2
工作面长度为160m，采用大采高一次采全高综采，采高为4.0m，循环进度0.6m，其它同实施例1。
实施例3
工作面长度为180m，采用大采高一次采全高综采，采高为3.8m，循环进度0.8m，其它同实施例1。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (3)
1.一种用于煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶的方法，其特征在于：包括以下步骤：根据待爆破处的坚硬顶板与煤层确定钻孔布置方案，即沿工作面上两边的运输和回风的顺槽（2）每隔31m各对应布置一组炮孔，每组为五个炮孔，分别为第一炮孔（11）、第二炮孔（12）、第三炮孔（13）、第四炮孔（14）、第五炮孔（15），所述的五个炮孔呈扇形布置，其中第四炮孔（14）与工作面平行，第一炮孔（11）、第二炮孔（12）、第三炮孔（13）与巷道中心分别成30°、45°、67.5°夹角；第五炮孔（15）设置在顺槽（2）的外邦，向外侧与巷道中心线成30°夹角，终孔位于坚硬岩层厚度的2/3处；钻孔长度L依据工作面的长度M来确定：工作面长度为100-120m时，钻孔长度为25m；工作面长度每增加0-40m时，钻孔长度增加5-10m；确定好钻孔布置方案后，进行钻孔，在钻好的孔内装药并通过炮泥封孔，实施爆破。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶的方法，其特征在于：所述的沿工作面上两边的运输和回风的顺槽（2）每隔31m各对应布置一组炮孔的起爆顺序是从切眼的中部向两端，每次起爆1个炮孔；所述的起爆的顺序为第四炮孔（14），第三炮孔（13），第二炮孔（12），第一炮孔（11）和第五炮孔（15）。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤矿采场坚硬顶板超前预裂控制放顶的方法，其特征在于：所述的孔内装药的装药量计算方法为：
式中：Q——线装药密度值 g/m；
Rc——岩石饱和极限抗压强度 100MPa；
——孔距 cm；
K——岩石脆性系数，K=RT/Rc，无量纲
RT——岩石抗拉强度，MPa。
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