CN113107491A - 一种老顶破断步距控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及煤矿灾害防治技术领域，具体公开了一种老顶破断步距控制方法及其应用。本发明实施例提供的老顶破断步距控制方法通过基于关键层O‑X型破断平面结构设计多种钻孔以切断与边界保护煤柱的联系，使工作面推进后老顶更容易破断，促进O‑X型破断平面结构及早形成与发育，有效减少悬顶面积，缩短了老顶初次破断步距，解决了煤矿开采中的工作面初采初放期间大多存在老顶初次破断步距过长的问题，具有广阔的应用前景。

Description

一种老顶破断步距控制方法及其应用

技术领域

本发明实施例涉及煤矿灾害防治技术领域，具体是一种老顶破断步距控制方法及其应用。

背景技术

在煤矿开采中，安全性一直是至关重要的一环。受地质条件和开采条件等众多因素的影响，后期的采掘工作面(工作面是指直接开采矿物或岩石的工作地点，随着采掘进度而移动)冲击地压显现较为剧烈，时常对巷道及设备造成破坏，并可能发生人员伤亡和破坏生产系统事故。因此，需要进行煤矿灾害防治工作。

目前，通过引进冲击地压监测设施，制定并完善管理制度，优化冲击地压防治措施，冲击地压显现剧烈的局面得到有效控制，但仍不能完全杜绝。特别是上分层工作面回采期间，因上覆厚层坚硬岩层的运动及周期破断，一方面覆岩运动会造成工作面前方应力集中，另一方面顶板的破断会产生大量势能，对工作面及前方巷道造成破坏，当工作面初采初放期间(即工作面初次采矿及初次放顶煤期间)因老顶(煤层顶板由下而上有伪顶、直接顶和老顶，老顶也叫基本顶)与周围煤岩体处于比较稳定的固支状态，其破断步距将大于工作面回采后期周期破断步距，危害更大。

因此，工作面初采初放期间，老顶初次破断步距的控制是防冲工作的重点。但是，现有技术中施工方法对于工作面基本顶初次破断时的破断步距无法进行有效控制，大多在工作面初采初放期间存在老顶初次破断步距过长的问题，容易诱发大能量冲击对工作面安全生产造成威胁。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种老顶破断步距控制方法，以解决上述背景技术中提出的煤矿开采中的工作面初采初放期间大多存在老顶初次破断步距过长的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种老顶破断步距控制方法，其是将待破断岩层在破断平面结构上至少分别设置第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔；

然后分别将第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔与第四爆破孔中安装爆炸材料，将爆炸材料引爆以制造破断平面结构的中心线；其中所述第一爆破孔用于将开切眼老顶与相邻工作面老顶进行预裂分割；所述第二爆破孔用于在开切眼的一侧进行切顶爆破；所述第三爆破孔用于破坏开切眼的支护结构；所述第四爆破孔用于缩短待破断老顶的初次破断步距。

本发明实施例的另一目的在于提供一种所述的老顶破断步距控制方法在煤矿开采和/或矿物开采中的应用。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供的老顶破断步距控制方法通过基于关键层O-X型破断平面结构设计多种钻孔(至少包括第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔)，以切断与边界保护煤柱的联系，使工作面推进后老顶更容易破断，促进O-X型破断平面结构及早形成与发育，有效减少悬顶面积，缩短了老顶初次破断步距，解决了煤矿开采中的工作面初采初放期间大多存在老顶初次破断步距过长的问题，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的老顶破断步距控制方法中基于O-X型破断平面结构钻孔位置布置示意图。

图2为本发明一实施例中提供的回风顺槽顶板预裂爆破深孔布置剖面示意图。

图3为本发明一实施例中提供的运输顺槽顶板预裂爆破深孔布置剖面示意图。

图4为本发明一实施例中提供的开切眼切顶爆破深孔、支护松动爆破深孔布置剖面示意图。

图5为本发明一实施例中提供的工作面切顶爆破深孔布置剖面示意图。

图6为本发明一实施例中提供的华亭煤矿250106-1工作面老顶初次破断期间微震频次图。

图7为本发明一实施例中华亭煤矿250106-1工作面老顶初次破断期间震动事件时间分布图。

图8为本发明一实施例中华亭煤矿250107-1工作面老顶初次破断期间微震频次图。

图9为本发明一实施例中华亭煤矿250107-1工作面老顶初次破断期间震动事件时间分布图。

图中：1、O-X型破断平面结构三角煤柱侧边界；2、O-X型破断平面结构实体煤侧边界；3、O-X型破断平面结构边界煤柱侧边界；4、O-X型破断平面结构工作面侧边界；5、O-X型破断平面结构中心线；6、开切眼(第二轮)切顶爆破钻孔布置线；7、开切眼；8、边界煤柱；9、三角煤柱；10、回风顺槽；11、运输顺槽；12、老顶；13、直接顶；14、实体煤；15、采空区；16、回风顺槽开切眼段；17、F型结构；18、回风顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔；19、运输顺槽开切眼段；20、运输顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔；21、假想工作面推进后开切眼(实际不存在)；22、第一轮开切眼切断爆破深孔；23、第二轮开切眼切顶爆破深孔；24、开切眼支护松动爆破深孔；25、工作面；26、工作面切顶爆破深孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明实施例，但不以任何形式限制本发明实施例，并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例构思的前提下，可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明实施例的保护范围。

首先，需要说明的是，在煤矿开采中，受地质条件和开采条件等众多因素的影响，后期的采掘工作面冲击地压显现较为剧烈，时常对巷道及设备造成破坏。例如，华亭煤矿煤层厚且厚度变化大，受构造影响，煤层起伏，呈多个向斜、背斜相互交替连接的空间形态。同时受区域构造的影响，整个矿井煤层位于构造应力集中区。自华亭煤矿2501采区开采后，受地质条件和开采条件等众多因素的影响，后期的采掘工作面冲击地压显现较为剧烈，时常对巷道及设备造成破坏，并发生了人员伤亡和破坏生产系统事故。因此，需要进行防冲工作。而工作面初采初放期间，老顶初次破断步距的控制是防冲工作的重点，工作面老顶初次破断步距的控制，对于回采工作面老顶初次破断诱发冲击地压灾害防治具有重大意义。

针对以上问题，本发明实施例提供的一种老顶破断步距控制方法，具体是一种开采矿物或煤矿时工作面老顶初次破断步距控制的方法，其包括以下步骤：

将待破断岩层在破断平面结构上分别设置第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔；

分别将第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔与第四爆破孔中安装爆炸材料(例如炸药等)，将爆炸材料引爆以制造破断平面结构中的中心线，进而提前形成破断平面结构，缩短初次破断步距；

所述第一爆破孔(具体是两顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔)用于预裂爆破以分隔待破断岩层的上覆岩层(包含直接顶及老顶)与相邻工作面，具体是切断上覆岩层与相邻工作面三角煤柱及未采煤体的联系；

所述第二爆破孔(具体是开切眼切顶爆破深孔)用于在开切眼的一侧进行切顶爆破(具体是在开切眼靠近边界保护煤柱的一侧进行切顶爆破)；

所述第三爆破孔(具体是开切眼支护松动爆破深孔)用于破坏开切眼的支护结构，并在两轮预裂爆破深孔(两顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔)下方形成掏槽；

所述第四爆破孔(具体是工作面切顶爆破深孔)用于缩短待破断岩层的老顶初次破断步距。

其中，待破断岩层中设置有运输通道(即运输巷，运输顺槽)和回风通道(即回风巷，回风顺槽)；所述开切眼主要用于回采工作面设备的安装，并与运输通道和回风通道之间连接，形成回风系统。

作为本发明实施例的另一优选实施例，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述破断平面结构是O-X型破断平面结构，剖面结构有F型破断平面结构、T型破断平面结构。这里优选的是O-X型破断平面结构，即以上的四种钻孔(第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔)均基于关键层O-X型破断平面结构设计，一是切断与边界保护煤柱的联系，使工作面推进后老顶更容易破断；二是爆破深孔平面投影要秉着促进O-X结构及早形成及发育的原则，在周边及“X”交汇点处布置。

作为本发明实施例的另一优选实施例，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第四爆破孔(具体是工作面切顶爆破深孔)的设置是从待破断岩层的工作面距煤壁(采煤工作面上待开采的煤体)1-3米处开始施工。

优选的，所述工作面切顶爆破深孔在工作面距煤壁3米处施工，每10米一孔，在工作面推进15米后施工，主要作用为缩短老顶初次破断步距，促进O-X型破断平面结构尽早形成。

作为本发明实施例的另一优选实施例，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第四爆破孔共有多个，且相邻两个第四爆破孔的间距一般为10米。

作为本发明实施例的另一优选实施例，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第三爆破孔的设置是在第二爆破孔中的爆炸材料引爆结束后进行施工。具体的，所述开切眼支护松动爆破深孔在两轮的开切眼切顶爆破深孔之间施工，每5米一孔，在第二轮开切眼切顶爆破深孔爆破结束后施工，主要作用为破坏开切眼支护结构，并在两轮预裂爆破深孔下方形成掏槽，为覆岩的弯曲下沉提供空间。

作为本发明实施例的另一优选实施例，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第三爆破孔是在待破断岩层工作面生产前进行施工，钻孔间距5米。

作为本发明实施例的另一优选实施例，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述爆炸材料可以是雷管和炸药等产品，也可以是其他的现有产品，只要可以能释放出大量的热能并产生高温高压气体，对周围物质起破坏、抛掷、压缩等作用且满足相关煤矿使用要求即可。

作为本发明实施例的另一优选实施例，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第一爆破孔、第二爆破孔、第四爆破孔的钻孔深度为达到待破断老顶厚度的四分之三以上。

作为本发明实施例的另一优选实施例，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔中爆炸材料的装药长度为贯穿待破断老顶的厚度的一半以上，且满足封孔长度不小于钻孔长度1/3的要求，最后依据装药长度计算装药量。

作为本发明实施例的另一优选实施例，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第一爆破孔共设置至少两组，且每组至少设置三个孔，具体的，所述第一爆破孔主要在开切眼与两顺槽(回风顺槽与运输顺槽)交叉段进行，每10米一组，共两组，每组3孔，主要作用为切断上覆岩层与相邻工作面三角煤柱及未采煤体联系。

本发明实施例还提供一种所述的老顶破断步距控制方法在煤矿开采和/或矿物开采中的应用。其中，尤其适用于煤矿开采，对于煤矿开采中的煤矿灾害防治具有重要意义，可以用于煤矿回采工作面老顶初次破断诱发冲击地压灾害的防治，通过控制老顶破断步距，达到大幅度缩短老顶初次破断步距，降低冲击危险性的目的。

以下通过列举具体实施例对本发明的老顶破断步距控制方法的技术效果做进一步的说明。

实施例1

在本发明实施例中，为了解决工作面初采初放期间，因老顶初次破断步距过长而诱发大能量冲击对工作面安全生产造成威胁的问题，提出一种老顶破断步距控制方法，具体是一种开采煤矿时工作面老顶初次破断步距控制的方法，其包括以下步骤：

步骤一，将待破断岩层(煤层)在O-X型破断平面结构上分别设置第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔；其中，待破断岩层中设置有运输通道(即运输巷，运输顺槽)和回风通道(即回风巷，回风顺槽)。

步骤二，分别将第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔与第四爆破孔中安装炸药，将炸药引爆以制造破断平面结构中的中心线，进而提前形成破断平面结构，缩短初次破断步距。其中，以上的四种钻孔(第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔)参数均基于关键层O-X型破断平面结构设计，一是切断与边界保护煤柱的联系，使工作面推进后老顶更容易破断；二是爆破深孔平面投影要秉着促进O-X型破断平面结构及早形成与及早发育的原则，在周边及“X”交汇点处布置。

在本发明实施例中，所述第一爆破孔具体是两顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔，主要作用为用于预裂爆破以切断待破断岩层的上覆岩层(赋存在煤层之上的岩层是上覆岩层)与相邻工作面三角煤柱及未采煤体的联系；所述两顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔主要在开切眼与两顺槽交叉段进行，每10m一组，共两组，每组3孔。

在本发明实施例中，所述第二爆破孔具体是开切眼切顶爆破深孔，主要用于在开切眼靠近边界保护煤柱的一侧进行切顶爆破；所述开切眼是待破断岩层中的运输通道和回风通道之间形成的回风系统，即开切眼是在运输巷和回风巷之间顺煤层掘进一条巷道，使其形成一套独立的回风系统；开切眼切顶爆破深孔共两轮，每10m一孔，第一轮在开切眼掘进期间施工，第二轮在支架安装结束后施工，主要作用为切断上覆岩层与边界保护煤柱的联系。

在本发明实施例中，所述第三爆破孔具体是开切眼支护松动爆破深孔，用于破坏开切眼的支护结构，并在两轮预裂爆破深孔(两顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔)下方形成掏槽。通过在两轮的开切眼切顶爆破深孔之间施工，每5m一孔，在第二轮开切眼切顶爆破深孔爆破结束后施工，主要作用为破坏开切眼支护结构，并在两轮预裂爆破深孔下方形成掏槽，为上覆岩层的弯曲下沉提供空间。

在本发明实施例中，所述第四爆破孔具体是工作面切顶爆破深孔，所述工作面切顶爆破深孔在工作面距煤壁3m处施工，每10m一孔，在工作面推进15m后施工，主要作用为缩短待破断岩层的老顶初次破断步距，促进O-X结构尽早形成。

实施例2

一种老顶破断步距控制方法，具体是一种开采煤矿时工作面老顶初次破断步距控制的方法，其实际操作位置在华亭煤矿2501采区，具体包括以下步骤：

步骤一，将待破断岩层(煤层)在O-X型破断平面结构上分别设置第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔；其中，待破断岩层中设置有运输通道和回风通道。

步骤二，分别将第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔与第四爆破孔中安装炸药，将炸药引爆以制造破断平面结构中的中心线，进而提前形成破断平面结构，缩短初次破断步距。其中，参照图1-5所示，以上的四种钻孔(第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔)均基于关键层O-X型破断平面结构设计，一是切断与边界保护煤柱的联系，使工作面推进后老顶更容易破断；二是爆破深孔平面投影要秉着促进O-X型破断平面结构及早形成与及早发育的原则，在周边及“X”交汇点处布置。

在图1中，回风顺槽10与11运输顺槽之间形成的最大矩形框表示，华亭煤矿2501采区的250107-1工作面，250107-1工作面上方的矩形框表示250106-1采空区。

在图1、图2与图3中，所述第一爆破孔包括回风顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔18与运输顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔20，其中回风顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔18与O-X型破断平面结构三角煤柱侧边界1对应设置，运输顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔20与O-X型破断平面结构实体煤侧边界2对应设置。

所述第二爆破孔具体是开切眼切顶爆破深孔，参照图4所示，开切眼切顶爆破深孔包括第一轮开切眼切断爆破深孔22与第二轮开切眼切顶爆破深孔23；

参照图4与图5所示，所述第三爆破孔具体是开切眼支护松动爆破深孔24；所述第四爆破孔具体是工作面切顶爆破深孔26。

所述开切眼切顶爆破深孔(第一轮开切眼切断爆破深孔22与第二轮开切眼切顶爆破深孔23)及开切眼支护松动爆破深孔24与O-X型破断平面结构边界煤柱侧边界3对应设置、工作面切顶爆破深孔26与O-X型破断平面结构中心线5对应设置。

实施例3

与实施例1相比，在本发明实施例中，回风顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔18每组主要有三孔。首先在回风顺槽10外帮侧垂直巷道走向布置一孔，钻孔倾向三角煤柱9一侧；其次在巷道顶部向上垂直巷道走向布置一孔，正对F型结构17长臂受力段正中部；最后在靠近工作面侧垂直巷道走向布置一孔。

实施例4

与实施例3相比，在本发明实施例中，还包括运输顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔20每组主要有三孔。首先在运输顺槽11巷道中部垂直巷道走向倾向实体煤14一侧布置一孔，钻孔末端到达老顶12上部位置且垂直投影处于巷道外帮处；在垂直巷道走向向工作面25方向布置一孔，钻孔末端到达老顶12上部位置垂直投影巷道内帮处；其次，在靠近工作面25一侧垂直巷道走向布置一孔，钻孔末端位于F型结构长臂端部。

实施例5

与实施例4相比，在本发明实施例中，还包括开切眼切顶爆破深孔的设置，包括第一轮开切眼切断爆破深孔22与第二轮开切眼切顶爆破深孔23；开切眼切顶爆破深孔主要在开切眼7靠近边界保护煤柱一侧进行，共两轮。首先在开切眼7距煤柱侧1m巷顶垂直开切眼7走向朝向煤柱侧布置第一轮开切眼切断爆破深孔22，为不影响工作面安装进度，此轮钻孔在开切眼7掘进期间施工，钻孔间距10m。其次在开切眼7距煤壁侧1m顶板上垂直开切眼7走向朝向煤柱侧布置第二轮开切眼切顶爆破深孔23，为避免对开切眼支护造成破坏，影响后期设备安装，此轮钻孔在工作面支架安装完毕后施工，钻孔间距10m。

最后，在开切眼7距煤壁侧3m顶板上垂直开切眼7走向朝向煤柱侧布置开切眼支护松动爆破深孔24，钻孔深度以钻孔底部到达锚索底部为宜，为避免过早施工造成开切眼7顶部松动，氧气进入造成煤层自燃，此轮钻孔在工作面生产前进行施工，钻孔间距5m。

实施例6

与实施例5相比，在本发明实施例中，还包括工作面切顶爆破深孔26的设置，在工作面25推进15m后在工作面25距煤壁侧1.5m处垂直开采线向采空区15每隔10m布置一轮钻孔。

本发明实施例中两顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔(18、20)、开切眼切顶爆破深孔(22、23)及工作面切顶爆破深孔26孔深均基于覆岩F型结构进行设计，在角度使钻孔到达既定位置时，钻孔深度顶煤、直接顶13、老顶12厚度进行设计，要求钻孔达到老顶12厚度3/4以上。装药长度应贯穿直接顶一半以上至孔底，且满足封孔长度不小于钻孔长度1/3的要求，最后依据装药长度计算装药量。

本发明实施例，工作原理具体如下：

本发明实施例四种钻孔位置均基于关键层O-X型破断平面结构设计，一是切断与边界保护煤柱的联系，使工作面推进后老顶更容易破断；二是爆破深孔平面投影要秉着促进O-X型破断平面结构及早形成及发育的原则，在周边及“X”交汇点处布置。

本发明实施例的回风顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔18中回风顺槽10外帮侧垂直巷道走向钻孔主要作用有三个：一是将装药中心布置在F型结构17短臂端部，工作面推进后促进直接顶13(直接顶是指直接位于矿层之上，且在放顶时能及时冒落下来的岩层)垮落；二是将钻孔末端布置在F型结构17长臂端将长臂受力端，爆破后在受力段形成薄弱点，在自重力作用下更容易垮断；三是通过爆破改变煤柱上覆煤岩体的结构，降低其储能能力，并转移应力集中。巷道顶部向上垂直巷道走向钻孔主要作用是将装药段布置在老顶12整个岩层及直接顶13上部，正对F型结构17长臂受力段正中部，促进老顶12的直接垮落。工作面侧垂直巷道走向钻孔，主要作用有两个，一是装药结构贯穿整个直接顶13，使直接顶13破碎后形成矸石垫层，降低老顶12破断的势能；二是将钻孔末端布置于F型结构17长臂端部，切断与采空区覆岩的关系，缩小其破断面积。

本发明实施例的运输顺槽开切眼段顶板预裂爆破深孔20的运输顺槽11巷道中部两孔主要作用有三个：一是切断与实体煤14侧覆岩联系，将钻孔布置末端在巷道外帮正上方，可使老顶12预裂点不被煤体承载的同时避免形成悬臂梁；二是切断巷道上方覆岩与采空区15侧覆岩联系，降低巷道上方顶板弯曲下沉带来压力；三是使两个钻孔裂隙区相连，增大薄弱点范围，促进顶板垮断。靠近工作面25的一侧垂直巷道走向钻孔，主要作用有两个，一是装药结构贯穿整个直接顶13，使直接顶13破碎后形成矸石垫层，降低老顶12破断的势能；二是将钻孔末端布置于F型结构17长臂端部，切断与采空区15的覆岩的关系，缩小其破断面积。

本发明实施例的开切眼切顶爆破深孔的主要作用有四个，一是通过爆破切断老顶12与煤柱侧联系，工作面推进后通过自重应力作用于爆破点自行垮落；二是将钻孔朝向煤柱侧，避免在煤柱侧形成较长悬臂梁结构，给相邻砚北煤矿三条大巷造成应力集中。三是将钻孔布置在F型结构17长臂受力段的中部，促使主关键层更容易垮断；四是与第一轮开切眼切断爆破深孔22对应，构成不规则的倒梯形结构，与第一轮开切眼切断爆破深孔22松动圈连为整体，促进钻孔之间及下方覆岩冒落。开切眼支护松动爆破深孔24主要有两个作用，一是通过爆破使原有的支护锚杆、锚索松动，破坏开切眼支护体系；二是与第一轮开切眼切断爆破深孔22、第二轮开切眼切断爆破深孔23相互作用，在两轮钻孔中部构成漏冒区，形成掏槽效应。

本发明实施例的工作面切顶爆破深孔26主要作用为人为制造O-X型破断平面结构中心线5，促进O-X型破断平面结构的提前形成，缩短初次破断步距。

实施例7

在本实施例中，参照实施例6中的方法，工作面25推进15-20m左右后，工作面25的直接顶13及下部煤层已经垮落，老顶12处于弯曲下沉状态，基于设想的覆岩结构，设计如下：

在工作面25距煤壁侧1.5m处垂直开采线向采空区15每隔10m布置一轮钻孔，主要作用是通过人为布置钻孔，人为制造O-X型破断平面结构中心线5，促进O-X型破断平面结构的提前形成，缩短初次破断步距。

同时，工作面25推进过程中，为破坏两隅角支护，促进两隅角顶板下沉，基于工作面25过渡架及两顺槽巷道支架，设计了破顶装置，随支架推移可将顶煤破碎，将W型钢带打断并将网片撕裂，支架推移后顶煤随之自行冒落。

其中，顶板爆破预裂钻孔深度设计时，钻孔最小深度选取老顶12厚度以上。钻孔最大深度施工至老顶12上部即可，加深施工无实际意义。

炸药装药量的确定受限于孔径、药卷直径和炸药性能，在耦合度和自由面调整范围不大的情况下，爆破效果只能通过控制装药量来实现。为使断顶爆破效果最大化，在能起到切断老顶12的同时要破碎老顶12中下方及直接顶13，形成矸石垫层，降低顶板垮落的势能，进而降低诱发冲击地压的能量。因此，装药应贯穿直接顶12一半以上至孔底。同时，装药长度还必须满足使得封孔长度不小于三分之一钻孔深度的要求，故装药长度计算完毕后，需验证封孔长度是否满足不小于三分之一钻孔深度的要求，不能满足要求时，需适当减少装药量。

实施例8

参照实施例6的方法，对于华亭煤矿2501采区的250107-1工作面以及250107-1工作面上方的250106-1工作面进行震动统计分析，参照GB/T25217.4-2019《冲击地压测定﹑监测与防治方法》第四部分：

其中，250106-1工作面自2016年7月5日开始生产，累计推进37m后老顶开始初次破断(7月25日)，累计推进至51.5m(7月30日)破断结束，期间共发生矿震702次，其中1.0E+04J以上矿震4次，1.0E+03J至1.0E+04J矿震47次，其余矿震能量全部在1.0E+03J以下。矿震总能量3.26E+05J。破断期间发生1次冲击地压显现，具体情况为：2016年7月27日15时29分，250106-1工作面回风顺槽发生冲击地压显现，造成回风顺槽140米至160米共20米巷道底鼓0.2米。能量1.6E+4J。震源位于250104-1采空区内，距250106-1工作面开切眼168米，距250106-1工作面回风顺槽外帮8米。其初次破断期间震动频次如图6所示，可以看出，250106-1工作面初始生产期间，震动频次及震动能量整体平稳，波动幅度不大。老顶初次破断前期，大能量震动较之前明显增多，大部分震源向工作面前方转移，且形成条带分布。

通过对其震动震源高程分布分析可知，顶板破断周期期间大部分震动来之顶板，也证明了在此期间，老顶的运动及破断为工作面震动主要来源。

通过对其相邻震动时间间隔分析可知，老顶初次破断期间，较正常工作面回采期间，相邻震动间隔时间明显缩小，且大能量震动明显增多，250106-1工作面老顶初次破断期间震动事件时间分布图见图7所示。

其中，250107-1工作面自2020年9月1日开始生产，回采至9月24日，运输顺槽累计推进42.8米，回风顺槽累计推进32.7米，工作面累计推进37.8米。工作面推进37.8m后老顶开始初次破断，推进至42.6m(9月27日)后破断结束。期间共发生矿震114次(爆破除外)，能量均在1.0E+04J以下，最大能量为8.93E+03J，震动总能量为1.51E+05J，未发生冲击地压显现。

250107-1工作面初始生产期间，震动频次及震动能量整体平稳，波动幅度不大。老顶初次破断前期，震动频次变化不大，但震动能量较为显著增加。250107-1工作面老顶初次破断期间微震频次图如图8所示，与250106-1工作面相比较，震动主要分布在回风顺槽开切眼外错及开采线附近，且集中程度很高。

通过对其震动震源高程分布分析可知，顶板破断周期期间绝大部分震动来之顶板，也证明了在此期间，老顶的运动及破断为工作面震动主要来源。

通过对其相邻震动时间间隔分析可知，250107-1工作面老顶初次破断期间，相邻震动间隔时间明显缩小，250107-1工作面老顶初次破断期间震动事件时间分布图见图9所示。

实施例9

根据实施例8的数据进行分析，250106-1工作面与250107-1工作面初次破断震动情况统计见表1所示。

表1 250106-1工作面与250107-1工作面初次破断震动情况统计见表

工作面	250106-1工作面	250107-1工作面
			冲击地压显现	1次	0次
震动总频次	702	114次
			震动总能量	3.26E+05J	1.51E+05J
1.0E+04J以上震动	4次	0次

从表1数据可以看出，无论是震动频次、震动能量还是大能量震动次数，相较于250106-1工作面，250107-1工作面老顶初次破断期间均有了显著下降(250107-1工作面开切眼外错是初采初放期间震动事件的主要影响因素之一，若剔除开切眼外错影响，效果更佳)，且老顶初次破断未造成冲击地压显现，由此可见，通过对工作面老顶初次破断控制措施进行优化布局、调整参数，使其预裂老顶效果最大化，经现场应用，效果显著，为工作面初采初放期间工作面安全回采提供了保障。依据对250107-1工作面老顶初次及周期破断步距理论计算可知，在不采取主动控制措施情况下，老顶初次破断步距为68.2m，在采取一系列控制措施及手段后，老顶实际初次破断步距控制在37.8m，成效显著。

其中，250106-1工作面初采初放期间，因老顶破断对砚北煤矿三条大巷造成冲击，致使砚北煤矿三条大巷不同程度底鼓、巷帮移近。250107-1工作面初采初放期间，在实施控制措施后，顶板悬顶面积显著减少，其弯曲下沉导致的应力传递效应也显著减弱，且破断时造成的冲击能量也大幅度降低，有效保护了相邻矿井人身安全。

实施例10

与实施例1相比，除了破断剖面结构是F型破断结构外，其他与实施例1相同。

实施例11

与实施例1相比，除了破断剖面结构是T型破断结构外，其他与实施例1相同。

实施例12

与实施例6相比，除了工作面切顶爆破深孔26的设置是在工作面25推进15m后在工作面25距煤壁侧1-5m处垂直开采线向采空区15每隔10m布置一轮钻孔外，其他与实施例6相同。

实施例13

与实施例6相比，除了工作面切顶爆破深孔26的设置是在工作面25推进15m后在工作面25距煤壁侧1-5m处垂直开采线向采空区15每隔10m布置一轮钻孔外，其他与实施例6相同。

实施例14

与实施例6相比，除了工作面切顶爆破深孔26的设置是在工作面25推进15m后在工作面25距煤壁侧1-5m处垂直开采线向采空区15每隔10m布置一轮钻孔外，其他与实施例6相同。

实施例15

与实施例6相比，除了工作面切顶爆破深孔26的设置是在工作面25推进15m后在工作面25距煤壁侧1-5m处垂直开采线向采空区15每隔10m布置一轮钻孔外，其他与实施例6相同。

实施例16

与实施例6相比，除了工作面切顶爆破深孔26的设置是在工作面25推进15m后在工作面25距煤壁侧1-5m处垂直开采线向采空区15每隔10m布置一轮钻孔外，其他与实施例6相同。

需要说明的是，本发明实施例利用四种钻孔(第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔)均基于关键层O-X型破断平面结构设计，切断与边界保护煤柱的联系，使工作面推进后老顶更容易破断，促进O-X结构及早形成及发育，具有以下的有益效果：

1、基于老顶水平面O-X型破断平面结构，优化调整了钻孔施工位置，使爆破后岩层中薄弱点均匀分布在O-X型破断平面结构理论轮廓线上，促进O-X型破断平面结构更早、更容易形成，有效减少悬顶面积。

2、基于老顶水平面O-X型破断平面结构中中心线位置，工作面推进至15-20m时，优化设计了一组切顶爆破深孔，促进中心线岩爆破孔位置尽早形成，有效缩短了老顶初次破断步距。

3、基于覆岩竖直平面内长臂F型结构及短臂F型结构，设计了钻孔倾角、方位角、孔深等施工参数，使装药中心位于F型结构受力点(薄弱点)处，增强了爆破效果。

4、在开切眼内将两轮切顶爆破及一轮支护松动爆破进行时空组合，工作面推过后在下方形成梯形掏槽结构，促进了顶煤及直接顶冒落，为老顶垮落创造空间，对煤炭开发具有重要意义。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明实施例并不限于上述实施方式，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明实施例宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明实施例的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种老顶破断步距控制方法，其特征在于，所述老顶破断步距控制方法包括以下步骤：

将待破断岩层在破断平面结构上至少分别设置第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔；

分别将第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔与第四爆破孔中安装爆炸材料，将爆炸材料引爆以提前制造破断平面结构的中心线及边线；其中

所述第一爆破孔用于将开切眼老顶与相邻工作面老顶进行预裂分割；

所述第二爆破孔用于在开切眼的一侧进行切顶爆破；

所述第三爆破孔用于破坏开切眼的支护结构；

所述第四爆破孔用于缩短待破断岩层的老顶初次破断步距。

2.根据权利要求1所述的老顶破断步距控制方法，其特征在于，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述待破断岩层中设置有运输通道和回风通道；所述开切眼是为回采工作面安装设备设置，并与待破断岩层中的运输通道和回风通道连接形成回风系统。

3.根据权利要求1所述的老顶破断步距控制方法，其特征在于，所述破断平面结构是O-X型破断平面结构，其剖面结构根据岩层位置不同，分为F型破断结构、T型破断结构。

4.根据权利要求1所述的老顶破断步距控制方法，其特征在于，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第四爆破孔的设置是从待破断岩层的工作面距煤壁1-3米处开始施工。

5.根据权利要求4所述的老顶破断步距控制方法，其特征在于，所述第四爆破孔共有多个，且相邻两个第四爆破孔的间距为10米。

6.根据权利要求1所述的老顶破断步距控制方法，其特征在于，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第三爆破孔的设置是在第二爆破孔中的爆炸材料引爆结束后进行施工。

7.根据权利要求1所述的老顶破断步距控制方法，其特征在于，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第一爆破孔、第二爆破孔、第四爆破孔的钻孔深度为达到待破断老顶厚度的厚度的四分之三以上。

8.根据权利要求1所述的老顶破断步距控制方法，其特征在于，在所述的老顶破断步距控制方法中，所述第一爆破孔、第二爆破孔、第三爆破孔、第四爆破孔中爆炸材料的装药长度为贯穿待破断岩层的直接顶的厚度的一半以上。

9.根据权利要求1所述的老顶破断步距控制方法，其特征在于，所述第一爆破孔共设置至少两组，且每组至少设置三个孔。

10.一种如权利要求1-9任一所述的老顶破断步距控制方法在煤矿开采和/或矿物开采中的应用。

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