CN110847910B - 采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采矿技术领域，提出一种采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法。该方法中一面破碎一面完整瞬时胀裂器为管状结构，且该瞬时胀裂器管体的一侧具有多排通孔；该方法包括：在顶板上确定钻孔位置并加工出钻孔；将一面破碎一面完整瞬时胀裂器安装在钻孔内，并采用化学炮泥进行封孔；启动一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶；在切顶完成后观测钻孔中破碎部分与完整部分交界处的切缝率；若切缝率在第一预设范围内，则完成切顶。相较于现有技术，该方法具有安全高效简便的特点。化学炮泥能够防止发生爆炸，其次爆破后化学炮泥为雾状，能够降低粉尘浓度和有害气体的浓度。该方法对切缝率进行测试，能够提高切顶的精度。
Description
技术领域
本发明涉及采矿技术领域，尤其涉及一种采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法。
背景技术
顶板预裂切缝技术是无煤柱自成巷的关键技术之一。目前主要采用双向聚能拉伸爆破在顶板岩层中进行切缝。如果顶板是坚硬顶板，双向聚能拉伸爆破后只能切出一道裂缝，使顶板垮落，但是煤层上方的顶板较为坚硬，垮落后的矸石尺寸较大，根据现场实测，最大的矸石块度长达十几米，这种矸石垮落后，冲击较大，且易破坏挡杆支护结构。因此在坚硬顶板进行切顶卸压无煤柱自动成巷时，需要使得切缝面煤壁侧的顶板破碎，同时切缝面巷道侧的顶板完整。
目前，为了解决坚硬顶板的切顶问题，先采用炸药聚能爆破技术，然后再在煤层上方另外打一排爆破孔，进行松动爆破。该方法施工程序多、操作麻烦，并且炸药爆破切顶危险性较大，且审批手续复杂，浪费大量的时间。
因此，有必要设计一种新的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法。
所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术切顶方法危险性大、费时费力，操作较为复杂的不足，提供一种危险性小、操作简单的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一个方面，一种采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器为管状结构，且所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器管体的一侧具有多排通孔，包括：
在所述顶板上确定钻孔位置并加工出钻孔；
将所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器安装在所述钻孔内，并采用化学炮泥进行封孔；
启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶；
在切顶完成后观测所述钻孔中破碎部分与完整部分交界处的切缝率；
若切缝率在第一预设范围内，则完成切顶。
在本公开的一种示例性实施例中，所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器包括：
管体，在管体的一侧管壁上开设有多个贯穿管壁的通孔；
胀裂剂，固定于所述管体内部且不凸出于所述管体的两端，所述胀裂剂能够瞬间产生大量气体；
引发头，设于所述胀裂剂内部，用于刺激所述胀裂剂在瞬间产生大量气体；
两根第一引线，连接于所述胀裂剂，且伸出所述胀裂剂；
电流引发装置，连接于两根所述第一引线，能够与两根所述第一引线以及所述引发头形成闭合回路。
在本公开的一种示例性实施例中，两根所述第一引线分别从所述胀裂剂的两端伸出，所述胀裂器还包括：
第二引线，设于所述管体内壁与所述胀裂剂之间，且所述第二引线贯穿所述管体的两端，所述第二引线、所述第一引线、所述引发头以及所述电流引发装置能够形成闭合回路；
其中两个所述第一引线分别从胀裂剂两端伸出。
在本公开的一种示例性实施例中，所述胀裂剂采用塑料膜包覆，固定在所述管体内部。
在本公开的一种示例性实施例中，所述管体的材料包括加有阻燃材料的PVC材料。
在本公开的一种示例性实施例中，所述胀裂器还包括：
耦合介质，填充于所述管体开口与所述胀裂剂之间。
在本公开的一种示例性实施例中，启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶，包括：
将两个所述第一引线连接于所述电流引发装置，并启动所述电流引发装置。
在本公开的一种示例性实施例中，所述预设范围大于为切缝率大于等于80％。
在本公开的一种示例性实施例中，所述化学炮泥包括硅酸钠和硫酸铵。
在本公开的一种示例性实施例中，在启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶之前，还包括：
检测周边预设距离内的瓦斯浓度，所述瓦斯浓度处于第二预设范围内时，启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶。
由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：
本发明采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，首先在顶板上确定出钻孔位置，并加工出钻孔，然后将一面破碎一面完整瞬时胀裂器安装在所述钻孔内，并采用化学炮泥进行封孔，启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶；在切顶完成后观测所述钻孔中破碎部分与完整部分交界处的切缝率；若切缝率在第一预设范围内，则完成切顶。相较于现有技术，一方面，采用了一面破碎一面完整瞬时胀裂器，具有安全高效简便的特点。另一方面，化学炮泥在工作时不会有火花产生，能够防止发生爆炸；其次，爆破后化学炮泥为雾状，能够降低粉尘浓度；并且其可以降低有害气体的浓度。再一方面，该方法对切缝率进行测试，能够提高切顶的精度。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是本发明实施例中采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法的流程图；
图2是本发明实施例中在顶板上开设钻孔后岩层的示意图；
图3是本发明实施例中钻孔排列方式的结构示意图；
图4是本发明实例中一面破碎一面完整瞬时胀裂器结构示意图；
图5是本发明实施例中一面破碎一面完整瞬时胀裂器中管体的结构示意图；
图6是图5中沿A-A断面的剖面图；
图7是本发明实施例中一面破碎一面完整瞬时胀裂器装入钻孔后的截面示意图；
图8是本发明实施例中多个一面破碎一面完整瞬时胀裂器串联的原理图；
图9是本发明实施例中多个一面破碎一面完整瞬时胀裂器串联后应用于多个钻孔的原理图；
图10是本发明实施例中完成切顶之后的岩层的示意图。
图中主要元件附图标记说明如下：
1、管体；11、通孔；2、胀裂剂；21、塑膜；3、引发头；
4、第一引线；5、第二引线；6、耦合介质；7、钻孔；8、化学炮泥；
9、电流引发装置；
91、底板；92、煤层；93、顶板；94、破碎岩体。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
本发明首先提供一种采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，参照图1所示，该采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法可以包括以下步骤：
步骤S110，在所述顶板上确定钻孔位置并加工出钻孔；
步骤S120，将所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器具安装在所述钻孔内，并采用化学炮泥进行封孔；
步骤S130，启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶；
步骤S140，在切顶完成后观测所述钻孔中破碎部分与完整部分交界处的切缝率；
步骤S150，若所述切缝率在第一预设范围内，则完成切顶。
相较于现有技术，一方面，采用了一面破碎一面完整瞬时胀裂器，具有安全高效简便的特点。另一方面，化学炮泥在工作时不会有火花产生，能够防止发生爆炸；其次，爆破后化学炮泥为雾状，能够降低粉尘浓度；并且其可以降低有害气体的浓度。再一方面，该方法对切缝率进行测试，能够提高切顶的精度。
下面对上述步骤进行详细介绍。
在步骤S110中，在所述顶板上确定钻孔位置并加工出钻孔；
参照图2与图3所示，岩层包括底板91、煤层92、以及顶板93，在拟要切顶的巷道煤壁侧打一排钻孔7，即在顶板93形成钻孔7，钻孔7连线为直线，钻孔7的深度、角度、间距由具体的地质情况确定，具体如下：
钻孔深度：H＝(M-ΔH1-ΔH2)/(K-1)。
其中，M表示采高；ΔH1表示顶板下沉量，单位为m；ΔH表示底臌量，单位为m；K表示残余碎胀系数；钻孔角度大约为10°～20°；当顶板93为坚硬顶板时，钻孔间距大约为400-500mm。
在步骤S120中，将所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器安装在所述钻孔内，并采用化学炮泥进行封孔。
在本示例实施方式中，参照图4所示，一面破碎一面完整瞬时胀裂器可以包括管体1、胀裂剂2、引发头3、两根第一引线4以及电流引发装置9。在管体1的一侧管壁上开设有多个贯穿管壁的通孔11；胀裂剂2固定于管体1内部且不凸出于管体1的两端，胀裂剂2能够瞬间产生大量高温气体；引发头设于胀裂剂2内部，用于刺激胀裂剂2在瞬间产生大量气体；两根第一引线4连接于胀裂剂2，且伸出胀裂剂2；电流引发装置9连接于两根第一引线4，能够与两根第一引线4以及引发头形成闭合回路。
参照图5和图6所示，管体1的截面可以是圆形，也可以是矩形、六边形等，在本示例实施方式中不做具体限定。管体1两端均具有开口，管体1的材料可以是加有阻燃材料的PVC管，在管体1一侧具有多排通孔11，另一侧是完整的管壁，通孔11所在的一侧为上述一面破碎一面完整瞬时胀裂器破碎区，在使用时，需要将上述通孔11所在一侧朝向需要破碎的岩壁。其中，通孔11贯穿该侧的管体1的管壁，通孔11的形状可以是圆形，也可以是三角形、四边形、六边形等，在本示例实施方式中不做具体限定。管体1的内径可以是36.5mm，也可以根据具体的需求进行调整。参照图7所示，一面破碎一面完整瞬时胀裂器设于钻孔7内部，且一侧能够对钻孔7外岩石进行破碎。
参照图4所示，胀裂剂2固定于管体1内部且不凸出于管体1的两端，胀裂剂2能够瞬间产生大量气体，胀裂剂2可以是黑色圆柱形颗粒，直径3mm，长度7mm，胀裂剂2可以由塑膜21进行包裹后装入上述管体1内部，胀裂剂2可以位于管体1中间位置。塑膜21两端可以采用铁丝固定，塑膜21的材料可以是塑料，一方面，用来装胀裂剂2，由于胀裂剂2颗粒较小，无法直接固定在管体1中，需要装到塑膜21中才可以固定；另一方面，塑膜21能够起到防水防潮的作用，由于有些巷道或者隧道的钻孔7中会有一些水。当管体1的内径为36.5mm，所以塑膜21的直径在32-35mm之间。在胀裂剂2的量的多少可以依据现场岩性的强度和地应力的大小决定。
参照图4所示，引发头3位于胀裂剂2内部，可以设置于胀裂剂2内部中心位置，具体而言，用尺子测量塑膜21的中间位置，使得引发头3位于塑膜21中间，接着把塑膜21一端用细铁丝或铝丝封口，接着开始装入胀裂剂2，胀裂剂2装完后再对另一端进行封口。引发头可以是铜片，也可以是其他导电性能较好的金属片，例如，银片、金片等。
一面破碎一面完整瞬时胀裂器还可以包括耦合介质6，填充于管体开口和胀裂剂之间，耦合介质6可以为水，沙，土，岩棉，膏体等，在本示例实施方式中不做具体限定。能够防止胀裂剂在管体内部的移动，达到轴向限位的作用。
参照图4所示，两个第一引线4连接于引发头3，且伸出装胀裂剂2的塑膜21。两个第一引线4的颜色可以不同，例如一根为黄色，另一根为绿色，具体颜色在本示例实施方式中不做具体限定，第一引线4可以是常用的矿用导线。
在一种示例实施方式中，两根第一引线4同时从相同的方向伸出上述胀裂剂2；两根第一引线4分别与电流引发装置9连接，在启动时只要启动电流引发装置9即可。
在另一种示例实施方式中，参照图4和图8所示，两根第一引线4分别从不同的方向伸出胀裂剂2，此时本发明还可以包括第二引线5，第二引线5设于胀裂剂2与管体1之间，且两端均伸出管体1此时，一端的第一引线4与第二引线5连接，另一端的第一引线4和第二引线5同时连接于电流引发装置9。此时多个一面破碎一面完整瞬时胀裂器可以串联设置以使得对较深的钻孔7进行较高效率的切顶，串联时，多个一面破碎一面完整瞬时胀裂器的不同颜色的第一引线4依次相连，多个一面破碎一面完整瞬时胀裂器的第二引线5也依次相连，使得多个一面破碎一面完整瞬时胀裂器组成一个较长的一面破碎一面完整瞬时胀裂器，启动时可以将最后一个一面破碎一面完整瞬时胀裂器的第一引线4与第二引线5连接，将第一个一面破碎一面完整瞬时胀裂器的第一引线4以及第二引线5同时与电流引发装置9连接。
其次，参照图9所示，此时上述钻孔7可以为设置为一排连续的钻孔7，多个钻孔中的一面破碎一面完整瞬时胀裂器仍然是串联连接，通过一个电流引发装置9则可以对多个一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行控制，且可以同时完成较大面积的切顶工作，提高了效率，且无需较多的电流引发装置9，节约了成本。
将上述一面破碎一面完整瞬时胀裂器填入上述在步骤S110中形成的钻孔7内，采用化学炮泥8进行封孔。化学炮泥8的成分为硅酸钠和硫酸铵。化学炮泥8参与了胀裂剂2的化学反应，促进CO转换为CO2,降低了CO浓度；且无火花产生，防止瓦斯煤尘爆炸事故，同时在爆破后化学炮泥8成雾状，与粉尘接触，降低粉尘浓度。在安装时可以将上述一面破碎一面完整瞬时胀裂器的破碎区朝向需要破碎的岩壁，即将上述一面破碎一面完整瞬时胀裂器通孔所在的一侧朝向需要破碎的岩壁。
在本示例实施方式中，胀裂剂2可以包括煤粉10～45份、煤矸石粉5～40份、过氧化钙粉15～35份、高氯酸钾粉2～15份和粉末A5～25份；其中粉末A可以是玉米秸秆粉、水稻秸秆粉、木屑粉等，还可以是坚果壳粉等，在本示例实施方式中不做具体限定。其中，各个组份的比例不局限于上述比例，可以根据需求进行调整。
在步骤S130中，启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶；
本发明在启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶之前，还可以包括检测周边预设距离内的瓦斯浓度，当所述瓦斯浓度处于第二预设范围内时，启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶；
其中，预设距离可以为50m，也可以根据需求来进行调整，例如，60米；第二预设范围可以是瓦斯浓度小于0.5％，防止在爆破时产生爆炸，提高该方法的安全性。
启动一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶可以是将上述第一引线4以及第二引线5同时连接于电流引发装置9，即电流引发装置9、第一引线4、第二引线5以及引发头3构成完整回路。
参照图5、图6和图7所示，在管体1一侧具有多排通孔11，另一侧是完整的管壁，通孔11所在的一侧为上述一面破碎一面完整瞬时胀裂器破碎区，在使用时，需要将上述通孔11所在一侧朝向需要破碎的岩壁进行破碎。在破碎过程中，当电流引发装置9、第一引线4、第二引线5以及引发头3构成完整回路时，胀裂剂2中的引发头3被引发，胀裂剂2瞬间产生的高温气体会通过通孔11排出，从而可以在通孔11所在方向的岩壁上定向形成破碎面，即在需要破碎一侧进行较为完全的破碎，形成破碎岩体，而在没有通孔11的一侧，岩体则没有受到破坏。相比于聚能爆破定向切缝技术不能将煤层上方的坚硬顶板破碎，还需再次爆破破碎这些坚硬顶板而言，上述一面破碎一面完整瞬时胀裂器简化了施工工序，节省了大量的施工时间。
在步骤S140中，在切顶完成后观测所述钻孔中破碎部分与完整部分交界处的切缝率。
在步骤S150中，若所述切缝率在第一预设范围内，则完成切顶。
用钻孔7窥视仪观察切缝钻孔7中破碎与完整分界线的裂缝情况，并计算出切缝率(切缝率＝裂缝长度/(钻孔7装有聚能管段的长度×2))。若切缝率处于第一预设范围内时，则按照这个参数引发后续的切缝钻孔7，进行切顶。如若切缝率不在第一预设范围内，则调整胀裂剂2的量再次进行试验，直到切缝率满足第一预设范围。
第一预设范围可以是切缝率大于等于80％，也可以根据需求来进行调整，在本示例实施方式中不做具体限定。
用钻孔7窥视仪观测钻孔7破碎一侧的岩体是否产生多条裂缝，若裂缝较少，需要调整胀裂剂2的量继续试验。
参照图6、图7和图10所示，采用该方法能够在钻孔7内部的一侧，即需要破碎的一侧进行较为完全的破碎，形成破碎岩体94，但是另一侧岩体则没有发生破坏，上述方法精度较高，且危险性较低。
上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“前”“后”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。
Claims (9)
1.一种采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器为管状结构，且所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器管体的一侧具有多排通孔，其特征在于，包括：
在所述顶板上确定钻孔位置并加工出钻孔；
将所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器安装在所述钻孔内，并采用化学炮泥进行封孔；
启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶；
在切顶完成后观测所述钻孔中破碎部分与完整部分交界处的切缝率；
若所述切缝率在第一预设范围内，则完成切顶；
其中，所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器包括：
管体，在所述管体的一侧管壁上开设有多个贯穿管壁的通孔；
胀裂剂，固定于所述管体内部且不凸出于所述管体的两端，所述胀裂剂能够瞬间产生大量气体；
引发头，设于所述胀裂剂内部，用于刺激所述胀裂剂在瞬间产生大量气体；
两根第一引线，连接于所述胀裂剂，且伸出所述胀裂剂；
电流引发装置，连接于两根所述第一引线，能够与两根所述第一引线以及所述引发头形成闭合回路；
其中，所述胀裂剂包括煤粉10～45份、煤矸石粉5～40份、过氧化钙粉15～35份、高氯酸钾粉2～15份和粉末A5～25份；其中粉末A包括玉米秸秆粉、水稻秸秆粉、木屑粉以及坚果壳粉中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，其特征在于，两根所述第一引线分别从所述胀裂剂的两端伸出，所述胀裂器还包括：
第二引线，设于所述管体内壁与所述胀裂剂之间，且所述第二引线贯穿所述管体的两端，所述第二引线、所述第一引线、所述引发头以及所述电流引发装置能够形成闭合回路；
其中两个所述第一引线分别从胀裂剂两端伸出。
3.根据权利要求1所述的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，其特征在于，所述胀裂剂采用塑膜包覆，固定在所述管体内部。
4.根据权利要求1所述的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，其特征在于，所述管体的材料包括加有阻燃材料的PVC材料。
5.根据权利要求1所述的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，其特征在于，所述胀裂器还包括：
耦合介质，填充于所述管体开口与所述胀裂剂之间。
6.根据权利要求1所述的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，其特征在于，启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶，包括：
将两个所述第一引线连接于所述电流引发装置，并启动所述电流引发装置。
7.根据权利要求1所述的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，其特征在于，所述预设范围为切缝率大于等于80％。
8.根据权利要求1所述的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，其特征在于，所述化学炮泥包括硅酸钠和硫酸铵。
9.根据权利要求1所述的采用一面破碎一面完整瞬时胀裂器对坚硬顶板切顶的方法，其特征在于，在启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶之前，还包括：
检测周边预设距离内的瓦斯浓度，当所述瓦斯浓度处于第二预设范围内时，启动所述一面破碎一面完整瞬时胀裂器进行切顶。
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