CN113090263A - 一种高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于定向爆破技术领域，具体涉及一种高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法。该施工方法包括以下步骤：第一步，加强对巷道的支护；第二步，恒阻锚索加强支护，在工作面回采前，通过恒阻锚索对巷道的顶板进行加固，在恒阻锚索上添加钢带；第三步，在巷道顶板进行预裂爆破钻孔施工及顶板预裂爆破施工，施工预裂钻孔，利用高压水射流在预裂钻孔中切割水射流切缝，水射流切缝沿预裂钻孔的轴向方向延伸，多个水射流切缝沿多个预裂钻孔的排布方向并列布置；对预裂钻孔进行爆破，形成切顶卸压预裂切顶线；第四步，完成切顶卸压，工作面进行回采工作。该施工方法能够有效降低施工成本，同时还具有较高的施工效率。
Description
技术领域
本发明属于定向爆破技术领域，具体涉及一种高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法。
背景技术
无煤柱切顶留巷开采取消了工作面煤柱留设，消除常规沿空留巷构筑的人工充填体，极大简化了施工工艺，具有重要的实用意义和广泛的应用前景。其核心工艺为超前工作面采用预裂爆破切断巷道顶板与采空区顶板力学联系，达到卸压效果。
在爆破顶板时，为了实现顶板的定向爆破会采用聚能爆破的方法，其在炮孔中装入爆破聚能管，爆破聚能管两侧开有V形聚能槽，利用聚能槽的聚能效应对顶板进行破坏故称其为爆破聚能管。其爆破机理是在药包爆炸后，靠近聚能穴的爆炸能量会朝向穴的轴线方向汇聚，形成一股高密度、高速度、高压力的气体射流。换句话说，当药包存在聚能穴时，在聚能穴方向可以局部聚集、产生超常规的爆破能量，因此聚能爆破所形成的高密度、高速度、高压力的气体射流能够提高炸药的爆炸功率。该项技术在某些军事民报火工产品中都有广泛的应用。但是采用爆破聚能管无疑增加了施工的成本。
除了采用爆破的方式切割顶板之外，还能够采用高压水射流来对顶板进行切割。高压水射流是运用液体增压原理，通过特定的装置(增压口或高压泵)，将动力源的机械能转换成压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴(又一换能装置)，再将压力能转变成动能，从而形成高速射流。高压水射流能够完美的实现对顶板的定向切割，达到预期的切割效果，但是利用高压水射流来切割顶板其效率太低，会严重影响整个施工工程的进度。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，以至少解决目前聚能爆破的施工成本较高，而高压水射流切割的效率过低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，该施工方法包括以下步骤：
第一步，加强对巷道煤柱帮的支护，在巷道煤柱帮上铺设钢筋网并增加锚杆，以对煤柱帮进行加固；
第二步，利用恒阻锚索加强支护巷道顶板，在工作面回采前，通过恒阻锚索对巷道的顶板进行加固，并在恒阻锚索上添加钢带以提高整体支护性能，钢带沿巷道走向方向延伸；
第三步，在巷道顶板进行预裂爆破钻孔施工及顶板预裂爆破施工，在工作面回采前，使用钻机进行预裂钻孔施工；然后利用高压水射流在预裂钻孔中切割水射流切缝，水射流切缝沿预裂钻孔的轴向方向延伸，多个水射流切缝沿多个预裂钻孔的排布方向并列布置；按预裂钻孔施工的先后顺序，对预裂钻孔进行爆破，形成切顶卸压预裂切顶线；
第四步，完成切顶卸压，工作面进行回采工作。
如上所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，优选地，第三步具体包括以下步骤，
步骤S301，钻孔：在巷道的顶板上沿切顶线钻取多个预裂钻孔，多个预裂钻孔沿切顶线延伸方向并列排布；
步骤S302，水力割缝：利用高压水射流在预裂钻孔中切割水射流切缝，水射流切缝沿所述预裂钻孔的轴向延伸，多个水射流切缝均位于切顶线上；
步骤S303，装药：在预裂钻孔中装填药卷，并填充炮泥以封堵预裂钻孔；
步骤S304，爆破：封孔完成后撤离现场人员，引爆炸药，进行定向爆破。
如上所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，优选地，在每个预裂钻孔中均切割两条水射流切缝，两条水射流切缝沿预裂钻孔的轴线对称分布。
如上所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，优选地，相邻的两个预裂钻孔之间的间距范围为400-1000mm。
如上所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，优选地，预裂钻孔中的药卷对应所述水射流切缝设置。
如上所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，优选地，每次爆破相邻的一组预裂钻孔，间隔一个预裂钻孔，再起爆下一组预裂钻孔；
优选地，一组预裂钻孔的数量为3-5个。
如上所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，优选地，水射流切缝沿轴向上的长度为预裂钻孔长度的2/3，水射流切缝从距离预裂钻孔的孔口1/3长度处延伸至预裂钻孔的孔底。
如上所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，优选地，第一步中，在煤柱帮上铺设钢筋网，在原有的两列相邻玻璃钢锚杆之间增设一列玻璃钢锚杆，在原有的两列相邻玻璃钢锚杆的两侧各增设一列螺纹钢锚杆。
如上所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，优选地，新增设的一列玻璃钢锚杆与两列螺纹钢锚杆在每一排上并列设置，新增设的三列锚杆与原有的两列玻璃钢锚杆在并列方向上相互错开布置。
如上所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，优选地，在巷道内布置3列单体柱，同一排的三个单体支柱顶部均顶撑在同一个π型梁上，以形成一梁三柱的支撑结构。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
该高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，在预裂钻孔的两侧切割出两条水射流切缝，预先切割的水射流切割就相当于预裂缝，当预裂钻孔在爆破时，裂缝会首先沿着水射流切缝的方向进行延伸，从而达到定向爆破的效果。也就是说，设置有水射流切缝的预裂钻孔就相当于是具有切缝的聚能爆破管，而直接在预裂钻孔中水射流切缝的位置对应设置药卷，从而能够最大程度的发挥药卷的爆破能量；相比于利用聚能爆破管爆破，降低了施工成本。而与仅仅利用高压水射流切割顶板相比，大大提高了施工效率；也即高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法能够有效降低施工成本，同时还具有较高的施工效率。
在预裂钻孔中预先切割出水射流切缝，能够实现爆破时按照水射流割缝的延伸方向开裂；这也就大大提高了爆破的效率，进而能够加大相邻的预裂钻孔之间的间距，这也就能够减少钻取的预裂钻孔的总量，同时减少了这部分预裂钻孔的填药量，从而能够进一步减少了该施工方法的施工成本。
附图说明
图1为本发明具体实施例中在预裂钻孔中施工水射流切缝的示意图；
图2为本发明具体实施例中巷道煤柱帮铺网、锚杆补强的示意图；
图3为本发明具体实施例中巷道起始位置的锁口加固区域锚索补强支护平面图；
图4为本发明具体实施例中巷道中间段加固区域锚索补强支护平面图。
图中：1、预裂钻孔；2、水射流切缝；3、原有玻璃钢锚杆；4、新增玻璃钢锚杆；5、钢筋网；6、螺纹钢锚杆；7、恒阻锚索；8、W钢带；10、切顶线；20、巷道。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
根据本发明的具体实施例，如图1所示，本发明提供一种高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，该施工方法包括以下步骤：
第一步，对煤柱帮进行加固，煤柱帮铺网、锚杆补强支护，在工作面回采前完成锚杆补强支护。
在本申请的具体实施例中，煤柱帮原支护仅采用两列玻璃钢锚杆支护，且未挂设金属网，每排两根锚杆，锚杆均垂直巷帮布置。考虑此巷道20在留巷和复用期间会受到两次采动影响，巷道20必然会出现片帮，甚至出现帮部诱导型失稳，给巷道20维护带来很大困难，尤其是接替工作面回采期间会造成端头煤体破坏、片帮，严重影响工作面正常回采，为确保留巷成功，特提出以下补强方案：
1)铺钢筋网5，在本实施例中，钢筋网5规格为：采用6mm的钢筋焊接而成，网孔规格100mm×100mm，当个钢筋网5的网片规格(即长×宽)2000mm×1300mm，网片搭接长度为100mm。
2)补打锚杆。
①采用螺纹钢锚杆6和玻璃钢锚杆补强(2根螺纹钢锚杆6，1根玻璃钢锚杆)，“3-2-3”布置方式，如图2所示，在煤柱帮上铺设钢筋网5，在相邻的两列原有玻璃钢锚杆3之间增设一列新增玻璃钢锚杆4，在相邻的两列原有玻璃钢锚杆3的两侧各增设一列螺纹钢锚杆6。新增设的一列玻璃钢锚杆与两列螺纹钢锚杆6在每一排上并列设置，新增设的三列锚杆与原有的两列玻璃钢锚杆在并列方向上相互错开布置。也即沿原每两排锚杆中心线位置均补打3根锚杆。
②螺纹钢锚杆6采用钢材，锚杆垂直巷帮布置。
③玻璃钢锚杆锚固力不小于70kN。
④锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂。
⑤螺纹钢锚杆6预紧力矩≥200N·m；玻璃钢锚杆预紧力矩≥50N·m。
可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
其中，补强锚杆施工工艺流程为：敲帮问顶→挂网→打补强锚杆眼→装锚固剂、锚杆→充分搅拌锚固剂锚固锚杆→安装锚杆托盘、螺母→施加预紧力矩至规定值→清理现场。
第二步，利用恒阻锚索7加强支护巷道顶板，在工作面回采前施工恒阻锚索7加固巷道的顶板，并在切缝侧恒阻锚索7上添加钢带以提高整体支护性能，钢带沿巷道走向方向延伸，在本实施例中，钢带为W钢带8。
恒阻锚索7加固分为两个区域，第一个区域为沿空留巷起始位置的锁口加固区域，如图3所示；第二个区域为沿空留巷中间段加固区域，如图4所示。
锁口加固区域加固：顶板采用恒阻锚索7补强支护，钢绞线采用Ф21.8×8300m，每排4根，间距1m，排距1m，恒阻锚索7垂直于顶板方向布置，用W钢带8相连接。在本实施例中，锚固剂采用三根树脂锚固剂。恒阻器长500mm，最大外径88mm，恒阻值为350kN±20kN，预紧力不小于280kN。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
沿空留巷中间段加固：在沿空留巷的中间段打设恒阻锚索7加固。暂定顶板共打设2列恒阻锚索7，在本实施例中，锚索直径为21.8mm，长度为8300mm，第一列恒阻锚索7距留巷帮600mm，排距1000mm；第二列恒阻锚索7距第一列恒阻锚索7间距1300mm，排距2000mm；恒阻锚索7垂直于顶板方向布置。第一列恒阻锚索7相邻锚索之间用W钢带8连接(W钢带8平行于巷道20走向)。锚固剂采用三根树脂锚固剂。恒阻器长500mm，最大外径88mm，恒阻值为350kN±20kN，预紧力不小于280kN。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
其中，补强锚索施工工艺流程为：定眼位→准备钻具→敲帮问顶→打锚索眼→扩恒阻器安装孔→装锚固剂、钢绞线→充分搅拌锚固剂锚固锚索→安装W钢带8→安装锚索托盘→安装恒阻器→安装锁具→施加预紧力→清理现场。
在本申请的具体实施例中，补强锚索施工工艺如下：
①标定锚索眼位置：根据测量给定的巷道20中线，按照设计要求标出锚索安装位置。
②准备工具：将锚杆钻机、钻杆、吹管、风水管及手镐、铁锨等工具运至施工地点，钻机接通风水管路后，靠巷道20一侧摆放整齐，工具必须完好能够正常使用。
③打眼前要先敲帮问顶，仔细检查顶帮围岩情况，找掉活矸、危岩，确认安全后、方可开始打眼。
④施工人员将锚杆机调正，打眼时点眼工协助锚杆机操作工将钻具支设好，将钻头对准眼窝并顶紧。然后点眼工撤到锚杆机操作工后部负责观察。
⑤更换扩孔钻头，将导向杆插入钻孔内，沿着锚索钻孔导向对钻孔表面进行扩孔。
⑥将3条锚固剂逐条装入锚索眼内，然后用钢绞线将锚固剂轻轻顶入孔底。
⑦更换锚索搅拌器，开动锚索钻机带动锚索旋转，边旋转边推进，直至锚索达到设计深度，搅拌时间60～180s后停止搅拌，等待5min(具体搅拌时间和凝固时间务必以实际使用的锚固剂型号为准)后撤下钻机。一般情况下，恒阻锚索7外露250～350mm为宜。
⑧安装W钢带8。
⑨安装锚索托盘。
⑩安装恒阻器，将锚索穿过恒阻器并安装锁具固定，再使用锚索张拉机进行预紧力施加，预紧力不小于280kN，锚索预紧力必须根根验收，挂牌管理，做好施工记录。
第三步，顶板预裂爆破钻孔施工及顶板预裂爆破施工，在工作面回采前，使用钻机，进行预裂钻孔1施工。切缝爆破位置超前工作面至少50m，按预裂钻孔1施工先后顺序，对预裂钻孔1进行爆破，形成切顶卸压预裂切顶线10。
在本申请的实施例中，超前支护区进行加强支护。此段巷道20位于工作面超前动压影响区，需要超前加强支护。结合工作面现有设备条件，采用单体柱+π型梁“一梁三柱”进行超前支护。遇巷道20超宽或巷帮片帮严重应增设贴帮柱，遇超前顶板破碎时，必须采用增设单体柱、缩小排距、架棚等方式加强支护。
架后维护区进行补强支护。此段巷道20位于工作面架后影响区，采空区顶板岩石垮落会对巷道20顶板产生一定的摩擦作用，同时切落巷帮顶板垮落松散不密实，受采动动压影响明显，顶板压力较大。因此，工作面后方采用单体柱+π型梁“一梁四柱”对顶板进行架后临时支护。即在超前支护的基础上，再增加1列单体支柱。另外，在架后区域采取临时支护的同时，还要采取顶板窥视手段，时刻观测巷道20围岩变化情况，及时采取巷道20补强措施。
第三步中顶板预裂爆破钻孔施工及顶板预裂爆破施工的具体方案如下：
步骤301，钻孔：在巷道20的顶板上沿切顶线10钻取多个预裂钻孔1，多个预裂钻孔1沿切顶线10延伸方向并列排布。
钻孔位置：爆破钻孔与回采帮距离S的范围为150-250mm，钻孔深度根据顶板厚度及实际地层情况确定。相邻的两个所述预裂钻孔1之间的间距范围为400-1000mm。
在本实施例中此距离S＝200mm；钻孔深度为7.3m；钻孔倾角：向采空区偏转15°；预裂钻孔1的直径：42mm；钻孔间距为500mm，根据爆破试验结果确定最佳钻孔间距。
超前预裂钻孔1施工工艺流程为：交接班→检查钻机→挪移钻机→标定眼位→检查瓦斯→手动操作→调整钻机角度→所打孔成线调整→钻机撑顶固定→钻进→卸钻杆。
相邻的两个预裂钻孔1之间的间距范围为400-1000mm，而通常爆破施工中预裂钻孔1的间距范围在400mm之内，本施工方法中的预裂钻孔1间距增加，进而能够减少预裂钻孔1钻取的数量，从而也减少了这部分预裂钻孔1中的填药量，这也就降低了该施工方法的施工成本。
步骤S302，水力割缝：利用高压水射流在预裂钻孔1中切割水射流切缝2，水射流切缝2沿预裂钻孔1的轴向延伸，多个水射流切缝2均位于切顶线10上；在每个预裂钻孔1中均切割两条水射流切缝2，两条水射流切缝2沿预裂钻孔1的轴线对称分布。水射流切缝2的长度(即沿预裂钻孔1的轴线方向的长度)为预裂钻孔1长度的2/3左右，水射流切缝2从距离预裂钻孔的孔口1/3长度处延伸至预裂钻孔的孔底，水射流切缝2的宽度(即沿预裂钻孔1的径向方向的深度)为50-100mm(可选的50mm、60mm、90mm、100mm等)。
步骤S303，装药：在预裂钻孔1中装填药卷，药卷对应水射流切缝2的位置设置，以使药卷爆破产生的能量更好的作用于水射流切缝2，从而起到更好的定向爆破的作用，并在预裂钻孔1的孔口位置填充炮泥以封堵预裂钻孔1。
装药结构：在预裂钻孔1中装入矿用三级乳化炸药，装药量为2.4～2.6kg。
采用囊袋灌浆封孔或炮泥封孔，封孔长度1m～1.5m，根据爆破试验结果确定最优封孔方式及长度。封孔部分不切割水射流切缝，也即预裂孔口至预裂孔深度1/3位置不切缝水射流切缝，以保证封孔具有更好效果。
爆破预裂切缝施工工艺流程为：交接班→敲帮问顶→检查瓦斯→装药连线→检查瓦斯→爆破→检查瓦斯和爆破情况→敲帮问顶→收尾工作。
步骤S304，爆破：封孔完成后撤离现场人员，引爆炸药，进行定向爆破。
起爆方式：每次爆破相邻的一组预裂钻孔1，间隔一个预裂钻孔1，再起爆下一组预裂钻孔1，一组预裂钻孔1的数量为3-5个。在本实施例中，5个预裂钻孔1连爆，间隔一孔，根据爆破试验结果确定最佳起爆方式；也即每次爆破5个炮孔(即填充有药包的预裂钻孔1)，在进行爆破的5个炮孔前后分别设置空孔。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
第四步，完成切顶卸压，工作面进行回采工作。
其中第一步、第二步与顶板预裂爆破钻孔可平行施工，即三者可同时施工，相互不影响。
综上所述，本发明提供的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，在预裂钻孔的两侧切割出两条水射流切缝，预先切割的水射流切割就相当于预裂缝，当预裂钻孔在爆破时，裂缝会首先沿着水射流切缝的方向进行延伸，从而达到定向爆破的效果。高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法能够有效降低施工成本，同时还具有较高的施工效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，该施工方法包括以下步骤：
第一步，加强对巷道煤柱帮的支护，在巷道煤柱帮上铺设钢筋网并增加锚杆，以对煤柱帮进行加固；
第二步，利用恒阻锚索加强支护巷道顶板，在工作面回采前，通过恒阻锚索对巷道的顶板进行加固，并在恒阻锚索上添加钢带以提高整体支护性能，钢带沿巷道走向方向延伸；
第三步，在巷道顶板进行预裂爆破钻孔施工及顶板预裂爆破施工，在工作面回采前，使用钻机进行预裂钻孔施工；然后利用高压水射流在预裂钻孔中切割水射流切缝，水射流切缝沿预裂钻孔的轴向方向延伸，多个水射流切缝沿多个预裂钻孔的排布方向并列布置；按预裂钻孔施工的先后顺序，对预裂钻孔进行爆破，形成切顶卸压预裂切顶线；
第四步，完成切顶卸压，工作面进行回采工作。
2.根据权利要求1所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，第三步具体包括以下步骤，
步骤S301，钻孔：在巷道的顶板上沿切顶线钻取多个预裂钻孔，多个预裂钻孔沿切顶线延伸方向并列排布；
步骤S302，水力割缝：利用高压水射流在预裂钻孔中切割水射流切缝，水射流切缝沿所述预裂钻孔的轴向延伸，多个水射流切缝均位于切顶线上；
步骤S303，装药：在预裂钻孔中装填药卷，并填充炮泥以封堵预裂钻孔；
步骤S304，爆破：封孔完成后撤离现场人员，引爆炸药，进行定向爆破。
3.根据权利要求2所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，在每个预裂钻孔中均切割两条水射流切缝，两条水射流切缝沿预裂钻孔的轴线对称分布。
4.根据权利要求2所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，相邻的两个预裂钻孔之间的间距范围为400-1000mm。
5.根据权利要求2所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，预裂钻孔中的药卷对应所述水射流切缝设置。
6.根据权利要求2所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，每次爆破相邻的一组预裂钻孔，间隔一个预裂钻孔，再起爆下一组预裂钻孔；
优选地，一组预裂钻孔的数量为3-5个。
7.根据权利要求1所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，水射流切缝沿轴向上的长度为预裂钻孔长度的2/3，水射流切缝从距离预裂钻孔的孔口1/3长度处延伸至预裂钻孔的孔底。
8.根据权利要求1所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，第一步中，在煤柱帮上铺设钢筋网，在原有的两列相邻玻璃钢锚杆之间增设一列玻璃钢锚杆，在原有的两列相邻玻璃钢锚杆的两侧各增设一列螺纹钢锚杆。
9.根据权利要求8所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，新增设的一列玻璃钢锚杆与两列螺纹钢锚杆在每一排上并列设置，新增设的三列锚杆与原有的两列玻璃钢锚杆在并列方向上相互错开布置。
10.根据权利要求1-9任一所述的高压水射流割缝定向爆破切顶施工方法，其特征在于，在巷道内布置3列单体柱，同一排的三个单体支柱顶部均顶撑在同一个π型梁上，以形成一梁三柱的支撑结构。
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