CN109556470A - 基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法 - Google Patents

基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，属于降低煤矿厚硬顶板破断致灾技术领域。主要包括以下步骤，在煤矿工作面的顺槽或者工艺巷、顶抽巷内，超前工作面钻出若干组扇形炮孔，根据需要在每个炮孔内不同位置布置两个或两个以上的高精度雷管或电子雷管，装填炸药、堵塞、爆破网络连接后，最后采用齐发爆破的方式引爆炸药，因为爆轰波碰撞聚能效应，导致在两个起爆点的中间位置产生长度较长的裂缝，达到分层致裂的目的。本发明基于爆轰波碰撞聚能效应，只是通过增加起爆点的方法，工艺简单、可操作性强、效果好，可降低厚硬顶板破断时的致灾风险，最终实现煤矿安全生产。

Description

基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法
技术领域
本发明涉及降低煤矿厚硬顶板破断致灾的方法，具体为一种基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿分层致裂爆破方法。
背景技术
目前，很多矿区煤层上部赋存着厚硬顶板，厚硬顶板的存在极有可能会造成煤矿开采过程中液压支架压死、巷道底鼓，甚至发生冲击矿压及煤与瓦斯突出等灾害，给安全生产带来严重的安全隐患。减小煤层上覆厚硬顶板的破断距是降低厚硬顶板破断致灾比较行之有效的方法，减小厚硬顶板的破断距的主要手段主要有：顶板注水软化、水压致裂、超前工作面深孔致裂爆破等。这些方法都取得了很好的成效，但任何手段都不是万能的，都有一定的适用条件。顶板注水软化对顶板的矿物组成有较大要求，且遇到构造发育强烈时实施较为困难，并且注水软化后还需要爆破弱化顶板，水压致裂受应力方向及裂纹发育方向影响较大。爆破方法受厚硬顶板的应力方向、裂隙发育方向影响较小，对煤矿地质赋存条件有较大的适应性，但其弱化范围受到一定的限制。
根据顶板的破断距计算公式：
固支梁：，简支梁：，悬臂梁：
其中为顶板的破断距，m；为岩层厚度，m；为上覆岩层载荷MPa；为顶板岩层抗拉强度MPa。从公式中可以看出破断距与岩层的厚度、成正比例关系，与成反比例关系，故通过减小岩层厚度是减小岩层破断距最方便的方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，利用爆轰波碰撞聚能效应，增加了在爆轰波碰撞位置处的裂纹长度，在各个炮孔的碰撞处形成裂纹面，达到厚硬岩层分层的目的，最终减小厚硬顶板的破断距，降低其破断致灾风险。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，
包括以下步骤：
步骤（1）、在煤矿工作面的顺槽内超前工作面钻若干组扇形炮孔，每组扇形炮孔中：炮孔长度、炮孔角度、炮孔数量、炮孔组间距由煤矿工作面长度、厚硬顶板与煤矿工作面的相对位置及其物理力学参数、炸药参数综合确定。
步骤（2）、根据厚硬顶板的实际情况，在每组的炮孔内布置2个或2个以上雷管，并保证每个炮孔内的两个雷管连线的中点处所在的垂直于炮孔的截面与相邻炮孔的两个雷管连线的中点处所在的垂直于炮孔的截面基本在同一个平面内；扇形炮孔布置时，使相邻炮孔的碰撞面所形成角度尽可能大。
步骤（3）、对所有炮孔进行装药、封孔、然后连线进行齐发爆破，利用爆轰波碰撞的聚能效应在爆轰波碰撞位置处形成一个贯通面，从而实现厚硬顶板的分层，最终实现分层破断。
进一步地，所述步骤（1）中，根据煤矿开采的实际条件，所述的炮孔位置替换为在工作面的工艺巷或顶抽巷位置。
进一步地，所述步骤（2）中，如果厚硬顶板的厚度过大，进行2分层致裂爆破后，岩层的破断距仍然较大时，在每个炮孔布置3个或3个以上的雷管，进行3分层或3分层以上的爆破。
进一步地，所述步骤（2）中，布置在炮孔内的雷管要求起爆时间精度为1ms，最好选用高精度雷管或电子雷管。进一步地，在总药量不超过一次起爆安全药量情况下，对两组或两组以上的的扇形炮孔组进行齐发爆破。
进一步地，所述每组扇形炮孔中的每个炮孔的直径为50mm～120mm。
本发明的有益效果是：
本发明利用爆轰波碰撞聚能效应，并且充分考虑相邻炮孔碰撞截面处聚能效应的相互作用，增加了在爆轰波碰撞位置处的裂纹长度，在各个炮孔的碰撞处形成裂纹面，达到厚硬岩层分层的目的，最终减小厚硬顶板的破断距，降低其破断致灾风险。由爆轰波传播理论可知：多点同时起爆时，各起爆点产生的爆轰波均在两起爆点的对称平面处发生碰撞，在碰撞很窄的区域内产生极高的压力，可达到CJ压力的2倍以上，从而在爆轰波的碰撞位置产生的裂纹较长，进而在各个炮孔碰撞处产生的裂纹相互贯通，形成裂纹面，达到厚硬岩层分层的目的，最终减小厚硬顶板的破断距，降低其破断致灾风险，如附图图1所示。
本发明包括顺槽（工艺巷、顶抽巷）二分层致裂爆破、顺槽（工艺巷、顶抽巷）多分层致裂爆破。本发明只在合理的炮孔位置处增加了雷管（起爆点）个数，不改变原有的爆破工艺，充分利用煤矿开采中的已有巷道，避免了在煤矿上覆厚硬顶板中重新开凿一条岩巷而造成的成本增加，可操作性强，效果及经济效益好，可大大降低厚硬顶板破断致灾风险，从而实现煤矿安全生产。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是爆轰波碰撞聚能效应示意图。
图2是分层致裂爆破裂缝面形成示意图。
图中：1、2为工作面顺槽；3为炮孔堵塞段；4为裂缝面；5为雷管；6为爆轰波传播方向。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
参考说明书附图的图1、图2，一种基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，
包括以下步骤：
步骤（1）、在煤矿工作面的顺槽内超前工作面钻若干组扇形炮孔，每组扇形炮孔中：炮孔长度、炮孔角度、炮孔数量、炮孔组间距等参数由煤矿工作面长度、厚硬顶板与煤矿工作面的相对位置及其物理力学参数、炸药参数综合确定。
步骤（2）、根据厚硬顶板的实际情况，在每组的炮孔内布置2个或2个以上雷管，并保证每个炮孔内的两个雷管连线的中点处所在的垂直于炮孔的截面与相邻炮孔的两个雷管连线的中点处所在的垂直于炮孔的截面基本在同一个平面内；扇形炮孔布置时，使相邻炮孔的碰撞面所形成角度尽可能大，如图1所示。
步骤（3）、对所有炮孔进行装药、封孔、然后连线进行齐发爆破，利用爆轰波碰撞的聚能效应在爆轰波碰撞位置处形成一个贯通面，从而实现厚硬顶板的分层，最终实现分层破断。
进一步地，所述步骤（1）中，步骤（1）中所述的炮孔位置在工作面的两顺槽内，也可以根据煤矿开采的实际条件在工作面的工艺巷或顶抽巷等位置。
进一步地，所述步骤（2）中，如果厚硬顶板的厚度过大，进行2分层致裂爆破后，岩层的破断距仍然较大时，可以在每个炮孔布置3个或以上的雷管，进行3分层或3分层以上的爆破。
进一步地，所述步骤（2）中，布置在炮孔内的雷管要求起爆时间精度为1ms，最好选用高精度雷管或电子雷管。
进一步地，在总药量不超过一次起爆安全药量情况下，对两组或两组以上的的扇形炮孔组进行齐发爆破。
进一步地，所述每组扇形炮孔中的每个炮孔的直径为50mm～120mm。
具体实施时应注意：
1、利用煤矿岩层控制方面的相关知识判断煤层上覆厚硬顶板的破断距，根据液压支架特性、煤岩物理力学特性及赋存位置综合判断厚硬顶板破断时的致灾风险。
2、如有致灾风险，计算二分层致裂爆破是否满足要求，如果不满足要求，需要考虑多分层致裂爆破。
3、根据煤矿工作面的情况在工作面两顺槽（工艺巷、顶抽巷）内打扇形钻孔组，扇形钻孔组之间的间距根据厚硬顶板赋存特性、液压支架特性等综合确定。
4、根据分层的个数及各分层的厚度，确定扇形炮孔组中每个炮孔中雷管的位置。
5、对炮孔进行装药、堵塞，堵塞长度一般不小于10米，随后连接起爆网络，最后对炮孔进行齐发爆破。
6、爆破后，在炮孔一定距离处（100倍左右孔径）打探查钻孔，利用钻孔电视，观察爆破后的裂纹扩展情况，并结合液压支架压力曲线、地应力大小等，综合评价分层致裂效果。

Claims (6)

1.一种基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤（1）、在煤矿工作面的顺槽内超前工作面钻若干组扇形炮孔，每组扇形炮孔中：炮孔长度、炮孔角度、炮孔数量、炮孔组间距由煤矿工作面长度、厚硬顶板与煤矿工作面的相对位置及其物理力学参数、炸药参数综合确定；
步骤（2）、根据厚硬顶板的实际情况，在每组的炮孔内布置2个或2个以上雷管，并保证每个炮孔内的两个雷管连线的中点处所在的垂直于炮孔的截面与相邻炮孔的两个雷管连线的中点处所在的垂直于炮孔的截面基本在同一个平面内；扇形炮孔布置时，使相邻炮孔的碰撞面所形成角度尽可能大；
步骤（3）、对所有炮孔进行装药、封孔、然后连线进行齐发爆破，利用爆轰波碰撞的聚能效应在爆轰波碰撞位置处形成一个贯通面，从而实现厚硬顶板的分层，最终实现分层破断。
2.根据权利要求1所述的基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，其特征在于：所述步骤（1）中，根据煤矿开采的实际条件，所述的炮孔位置替换为在工作面的工艺巷或顶抽巷位置。
3.根据权利要求1所述的基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，其特征在于：所述步骤（2）中，如果厚硬顶板的厚度过大，进行2分层致裂爆破后，岩层的破断距仍然较大时，在每个炮孔布置3个或3个以上的雷管，进行3分层或3分层以上的爆破。
4.根据权利要求1所述的基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，其特征在于：所述步骤（2）中，布置在炮孔内的雷管要求起爆时间精度为1ms，选用高精度雷管或电子雷管。
5.根据权利要求1所述的基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，其特征在于：在总药量不超过一次起爆安全药量情况下，对两组或两组以上的的扇形炮孔组进行齐发爆破。
6.根据权利要求1所述的基于爆轰波碰撞聚能效应的煤矿厚硬顶板分层致裂方法，其特征在于：所述每组扇形炮孔中的每个炮孔的直径为50mm～120mm。
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