CN113898407A - 一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法 - Google Patents

Abstract

一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，涉及科学技术和工程技术领域，本发明为解决巷帮浅部高应力区仍存在，巷帮近场围岩应力集中程度仍较大，两帮深度8‑13m范围内的应力降低不明显；且工程量翻倍增加；工作面前方超前支承压力影响范围大，导致爆破裂缝无法预测的问题，本发明通过构建了高位覆岩应力转移的立项模型，然后提出高位应力源消除与降低周期来压步距的耦合治理方案，再次在坚硬砂岩层中采用了聚能爆破装置进行高位深孔爆破，最后将微震事件监测与定点深孔爆破互相验证的方法，进而实现本发明的阻断相邻老空区的应力转移，采用的装药工具简便，保证了效率，高压的气体产物能够沿着给定的方向将岩石切断的效果。

Description

一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法

技术领域

本发明涉及科学技术和工程技术领域，特别涉及一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法。

背景技术

30202工作面埋深达到630m以上，煤体坚硬，单轴抗压强度约为35.37MPa。煤层上方的顶板为23m的粉砂岩直覆，根据在现场的钻孔触探法测定，粉砂岩岩层强度平均值为61.34MPa，中粒砂岩岩层强度平均值为83.3MPa，根据《30202工作面强矿压危险区评价》报告的评价结果，30202工作面回风巷强危险区6个，中等危险区1个，巷道整体冲击危险性较高，前期为确定回风巷围岩应力分布情况分别于30202面切眼前680m、720m回风巷正帮进行钻孔检验。钻进至6m-20m时出现明显的卡钻现象，表明集中应力在巷道围岩附近，冲击危险性存在，后期在巷道两帮的煤层补打了二轮、三轮大直径卸压孔，钻孔直径由原153mm调整为200mm。

然而巷帮浅部高应力区仍存在，另外，使用探杆对已施工的大直径卸压孔进行探孔试验，仅能探至约8-13m，表明原大直径卸压孔已于约8-13m处发生塌孔闭合，巷帮近场围岩应力集中程度仍较大，两帮深度8-13m范围内的应力降低不明显；施工二轮、三轮卸压孔后卸压效果不理想，且工程量翻倍增加；工作面前方超前支承压力影响范围大，而且在爆破过程中，由于对深孔只是单单的进行爆破管的直径爆破，导致爆破裂缝无法预测，爆破面散，很大一部分的爆轰产物会向外界空气中的释放，降低的爆破效果。

为解决上述问题。为此，提出一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，通过S1：构建了高位覆岩应力转移的立项模型；S2：提出高位应力源消除与降低周期来压步距的耦合治理方案；S3：在坚硬砂岩层中采用了聚能爆破装置进行高位深孔爆破；S4：将微震事件监测与定点深孔爆破互相验证，可以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，具体的实施方法如下步骤：

S1：构建了高位覆岩应力转移的立项模型；

根据矿井的实际情况，侧向支承压力由低位破断覆岩产生的载荷及高位未破断覆岩产生的载荷共同决定。这种载荷传递机制的典型特征是在侧向煤体中产生内、外应力场，即：由低位破断覆岩载荷所控制的内应力场，与高位未破断覆岩载荷相联系的外应力场。内、外应力场是伴生关系，二者同时存在又此消彼长；

S2：提出高位应力源消除与降低周期来压步距的耦合治理方案；

受30201相邻采空区顶板应力传递的影响，是回风巷道两帮变形较大、应力较高的主要因素，需对回风巷顶板采用人工致裂卸压的办法，可将30201老空区的应力阻隔，对巷道煤帮应力解除，避免发生冲击灾害；

S3：在坚硬砂岩层中采用了聚能爆破装置进行高位深孔爆破；

S4：将微震事件监测与定点深孔爆破互相验证；

用微震监测系统捕获的能量事件验证高位深孔爆破效果，用给定的爆破孔坐标和装药层位反向验证微震监测系统的精准度。

进一步地，S1中低位覆岩、高位覆岩产生的附加载荷的计算公式如下，

附加载荷△qi在侧向煤体任一点M处产生的附加应力△σi/M计算为例，建立均布载荷△qi作用下的半无限体应力求解模型，

第一步，先求微集中力dqi：利用dqi＝△qidχ，及几何关系dχ＝rdθ/cosθ，可得：

第二步，求微集中力dqi产生的垂直应力表达式，可得：

第三步，利用积分及应力叠加的观点，可求得第i层岩层附加载荷在侧向煤体中任一点产生的附加应力表达式：

进一步地，聚能爆破装置包括爆破管以及设置在爆破管外侧的导向壳，用于将爆破管包裹在内部，且使得爆轰产物沿着设定的方向释放，爆破管的上端外侧套接有固定部件，用于与覆岩层待爆口进行固定，固定部件的内侧螺纹连接有封堵部件，用于将导线夹紧的同时，进爆破管插口进行封堵。

进一步地，导向壳包括第一防护壳以及通过磁性柱连接的第二防护壳，磁性柱活动设置在第一防护壳上端，且另一端插入第二防护壳内部，用于在爆破前将爆破管包覆在其内部。

进一步地，第一防护壳与第二防护壳的连接处开设有凹槽。

进一步地，固定部件包括延伸套盘以及设置在延伸套盘一侧的第一夹紧块，延伸套盘上开设有贯穿孔，用于贯穿固定钉，将延伸套盘固定在覆岩层上，延伸套盘的一侧内部还开设有螺纹槽，与第一夹紧块相对的延伸套盘还设置有第二夹紧块。

进一步地，第一夹紧块和第二夹紧块的末端外侧设置有卡紧钉，第一夹紧块和第二夹紧块的内侧包围成锥形槽。

进一步地，封堵部件包括旋转盘以及设置在旋转盘一侧的第一挤压块，旋转盘上横向贯穿开设有贯穿槽，旋转盘的一侧还设置有螺纹圈，螺纹圈与螺纹槽匹配连接。

进一步地，位于第一挤压块一侧的旋转盘上设置有第二挤压块，第一挤压块与第二挤压块构成的圆柱直接大于锥形槽外侧端的直径。

进一步地，第一挤压块与第二挤压块的内侧设置有橡胶垫，橡胶垫的中部构成导线贯穿槽，且直径略大于导线的直径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提出的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，首次提出了从源头上消除应力积聚的理念,将老空区应力集中传递路径的阻断，在回风巷高位覆岩上方顶板进行预裂，人为的沿着工作面走向制造一条裂缝带，阻断相邻老空区的应力转移。

2.本发明提出的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，探索了一套高位覆岩高效深孔爆破装药工艺。高位覆岩每组50米+30米深的炮孔，每个小班可完成6-8个孔的装药爆破工作，采用的装药工具简便，保证了效率。

3.本发明提出的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，在坚硬砂岩层中采用了聚能“凹槽”爆破筒；当炸药起爆后，产生的高温高压的爆轰产物会优先沿着聚能槽的方向释放，即大部分能量朝着给定方向，可按照设定方向对岩石拉裂成缝,高压的气体产物能够沿着给定的方向将岩石切断；更为关键的是，此外将导线放在凹槽内可避免将线路弄断、杜绝了残炮等现象。

4.本发明提出的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，用微震监测系统捕获的能量事件验证高位深孔爆破效果，用给定的爆破孔坐标和装药层位反向验证微震监测系统的精准度。

5.本发明提出的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，将导向壳放入到待爆破的深孔中，然后将第一夹紧块和第二夹紧块插入深孔口，再将固定钉贯穿贯穿孔，将延伸套盘固定在覆岩层上，然后使用钢筋插入贯穿槽将螺纹圈在螺纹槽内旋转，随着第一挤压块和第二挤压块在锥形槽内移动，进而将第一挤压块和第二挤压块向外侧挤压，此时卡紧钉插入覆岩层内部，进一步提高固定部件的稳定性，同时，由于第一挤压块和第二挤压块反挤压连力，使得第一夹紧块和第二夹紧块向内挤压，进而将导线夹紧固定，且使得深孔口被封闭，使得爆轰产物不会向外界空气中的释放，进一步提高爆破效果。

附图说明

图1为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的覆岩形成的附加载荷示意图；

图2为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的应力求解模型示意图；

图3为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的双向耦合卸压解危示意图示意图；

图4为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的聚能爆破装置设置在岩石内部平面示意图；

图5为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的聚能爆破装置立体结构示意图；

图6为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的导向壳爆炸瞬间平面结构示意图；

图7为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的固定部件一侧立体结构示意图；

图8为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的固定部件另一侧立体结构示意图；

图9为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的封堵部件一侧立体结构示意图；

图10为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的封堵部件另一侧立体结构示意图；

图11为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的裂缝带切顶卸压前应力集中变化示意图；

图12为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的裂缝带切顶卸压后应力集中变化示意图；

图13为本发明高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法的大能量事件远离回风巷示意图。

图中：1、爆破管；2、导向壳；21、第一防护壳；22、第二防护壳；23、磁性柱；24、凹槽；3、固定部件；31、延伸套盘；311、贯穿孔；312、螺纹槽；32、第一夹紧块；33、第二夹紧块；34、卡紧钉；35、锥形槽；4、封堵部件；41、旋转盘；411、贯穿槽；412、螺纹圈；42、第一挤压块；43、第二挤压块；44、橡胶垫；45、导线贯穿槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决然而巷帮浅部高应力区仍存在，另外，使用探杆对已施工的大直径卸压孔进行探孔试验，仅能探至约8-13m，表明原大直径卸压孔已于约8-13m处发生塌孔闭合，巷帮近场围岩应力集中程度仍较大，两帮深度8-13m范围内的应力降低不明显；施工二轮、三轮卸压孔后卸压效果不理想，且工程量翻倍增加；工作面前方超前支承压力影响范围大，而且在爆破过程中，由于对深孔只是单单的进行爆破管的直径爆破，导致爆破裂缝无法预测的技术问题，如图1-4和11-13所示，提供以下优选技术方案：

一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，包括如下步骤；

首先构建了高位覆岩应力转移的立项模型；

根据矿井的实际情况，侧向支承压力由低位破断覆岩产生的载荷及高位未破断覆岩产生的载荷共同决定。这种载荷传递机制的典型特征是在侧向煤体中产生内、外应力场，即：由低位破断覆岩载荷所控制的内应力场，与高位未破断覆岩载荷相联系的外应力场。内、外应力场是伴生关系，二者同时存在又此消彼长；

经计算分别得到低位覆岩、高位覆岩产生的附加载荷，如图1所示；

附加载荷△qi在侧向煤体任一点M处产生的附加应力△σi/M计算为例，建立均布(附加)载荷△qi作用下的半无限体应力求解模型，如图2所示；

第一步，先求微集中力dqi：利用dqi＝△qidχ，及几何关系dχ＝rdθ/cosθ，可得：

第二步，求微集中力dqi产生的垂直应力表达式，可得:

第三步，利用积分及应力叠加的观点，可求得第i层岩层附加载荷在侧向煤体中任一点产生的附加应力表达式：

根据计算，低位岩层附加载荷不是侧向浅部煤体高应力主要原因，高位岩层附加载荷是侧向深部煤体高应力的主因，覆岩破断高度越大，附加应力在侧向煤体中传播距离越远。而本煤层水平孔卸压容易塌孔、卡钻，卸压效果治标不治本。并且30202高应力区主要为回风巷一侧，说明主要原因是30201工作面顶板未及时充分垮落造成。

然后提出高位应力源消除与降低周期来压步距的耦合治理方案；

受30201相邻采空区顶板应力传递的影响，是回风巷道两帮变形较大、应力较高的主要因素，需对回风巷顶板采用人工致裂卸压的办法，可将30201老空区的应力阻隔，对巷道煤帮应力解除，避免发生冲击灾害。

如图3所示，从顶板的角度进行应力集中卸压应包括两部分，老空区高位应力源传递路径的阻断和本工作面的超前支承压力传递路径的弱化。

其次在坚硬砂岩层中采用了聚能爆破装置进行高位深孔爆破；

聚能爆破装置包括爆破管1以及设置在爆破管1外侧的导向壳2，用于将爆破管1包裹在内部，且使得爆轰产物沿着设定的方向释放，爆破管1的上端外侧套接有固定部件3，用于与覆岩层待爆口进行固定，固定部件3的内侧螺纹连接有封堵部件4，用于将导线夹紧的同时，进爆破管插口进行封堵，降低爆轰产物向空气中的释放。

导向壳2包括第一防护壳21以及通过磁性柱23连接的第二防护壳22，磁性柱23活动设置在第一防护壳21上端，且另一端插入第二防护壳22内部，用于在爆破前将爆破管1包覆在其内部，第一防护壳21与第二防护壳22的连接处开设有凹槽24。

具体的，在坚硬砂岩层中采用了聚能“凹槽”爆破部件；当炸药起爆后，产生的高温高压的爆轰产物会优先沿着凹槽24的方向释放，即大部分能量朝着给定方向，可按照设定方向对岩石拉裂成缝，高压的气体产物能够沿着给定的方向将岩石切断；更为关键的是，此外将导线放在凹槽内可避免将线路弄断、杜绝了残炮等现象。

老空区应力集中传递路径的阻断，主要是在回风巷斜上方顶板进行预裂，人为的沿着工作面走向形成一条裂缝带。通过数值模拟可见该裂缝带能够明显降低煤柱内应力集中分布情况，如图11-12所示。

本工作面超前顶板卸压，人为的将厚层坚硬顶板弱化，不但降低周期来压强度和缩小周期来压步距，而且能够避免应力累积形成“见方性”强矿压。此外，对本工作面的顶板预裂后，能够消除大采高工作面超前支承压力的传递路径，做到从本质上卸压。顶板人为制造预裂区后，对周期性来压的缓解，并且能够阻断本煤层超前支承压力向前传递。

最后将微震事件监测与定点深孔爆破互相验证；

用微震监测系统捕获的能量事件验证高位深孔爆破效果，用给定的爆破孔坐标和装药层位反向验证微震监测系统的精准度，如图13所示。

30202工作面切眼往外在回风巷约1000m开始施工深孔爆破卸压工程，在10月24日机尾开始陆续进入深孔爆破卸压区域。

根据微震事件监测发现，深孔爆破后大能量级事件(1*105J)多发生在2-2中煤层的上方20-50m，且离回风巷距离较远，可见是更高位覆岩的断裂造成的。

中能量级的事件(1*103J-1*104J)从每天发生的次数上有所增多，且事件空间位置向回风巷一侧偏移，说明大能量在分解、缓释。

受30201相邻采空区顶板应力传递的影响，是回风巷道两帮变形较大、应力较高的主要因素，需对回风巷顶板采用人工致裂卸压的办法，将30201老空区的应力源头阻隔，对巷道煤帮应力解除，避免了发生冲击灾害。

为了解决爆破面散，很大一部分的爆轰产物会向外界空气中的释放，降低的爆破效果的技术问题，如图5-10所示，提供以下优选技术方案；

固定部件3包括延伸套盘31以及设置在延伸套盘31一侧的第一夹紧块32，延伸套盘31上开设有贯穿孔311，用于贯穿固定钉，将延伸套盘31固定在覆岩层上，延伸套盘31的一侧内部还开设有螺纹槽312，与第一夹紧块32相对的延伸套盘31还设置有第二夹紧块33，第一夹紧块32和第二夹紧块33的末端外侧设置有卡紧钉34，第一夹紧块32和第二夹紧块33的内侧包围成锥形槽35。

封堵部件4包括旋转盘41以及设置在旋转盘41一侧的第一挤压块42，旋转盘41上横向贯穿开设有贯穿槽411，旋转盘41的一侧还设置有螺纹圈412，螺纹圈412与螺纹槽312匹配连接，位于第一挤压块42一侧的旋转盘41上设置有第二挤压块43，第一挤压块42与第二挤压块43构成的圆柱直接大于锥形槽35外侧端的直径，第一挤压块42与第二挤压块43的内侧设置有橡胶垫44，橡胶垫44的中部构成导线贯穿槽45，且直径略大于导线的直径。

具体的，将导向壳2放入到待爆破的深孔中，然后将第一夹紧块32和第二夹紧块33插入深孔口，再将固定钉贯穿贯穿孔311，将延伸套盘31固定在覆岩层上，然后使用钢筋插入贯穿槽411将螺纹圈412在螺纹槽312内旋转，随着第一挤压块42和第二挤压块43在锥形槽35内移动，进而将第一挤压块42和第二挤压块43向外侧挤压，此时卡紧钉34插入覆岩层内部，进一步提高固定部件3的稳定性，同时，由于第一挤压块42和第二挤压块43反挤压连力，使得第一夹紧块32和第二夹紧块33向内挤压，进而将导线夹紧固定，且使得深孔口被封闭，使得爆轰产物不会向外界空气中的释放，进一步提高爆破效果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，具体的实施方法如下步骤：

S1：构建了高位覆岩应力转移的立项模型；

根据矿井的实际情况，侧向支承压力由低位破断覆岩产生的载荷及高位未破断覆岩产生的载荷共同决定。这种载荷传递机制的典型特征是在侧向煤体中产生内、外应力场，即：由低位破断覆岩载荷所控制的内应力场，与高位未破断覆岩载荷相联系的外应力场。内、外应力场是伴生关系，二者同时存在又此消彼长；

S2：提出高位应力源消除与降低周期来压步距的耦合治理方案；

受30201相邻采空区顶板应力传递的影响，是回风巷道两帮变形较大、应力较高的主要因素，需对回风巷顶板采用人工致裂卸压的办法，可将30201老空区的应力阻隔，对巷道煤帮应力解除，避免发生冲击灾害；

S3：在坚硬砂岩层中采用了聚能爆破装置进行高位深孔爆破；

S4：将微震事件监测与定点深孔爆破互相验证；

用微震监测系统捕获的能量事件验证高位深孔爆破效果，用给定的爆破孔坐标和装药层位反向验证微震监测系统的精准度。

2.如权利要求2所述的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，S1中低位覆岩、高位覆岩产生的附加载荷的计算公式如下，

附加载荷△qi在侧向煤体任一点M处产生的附加应力△σi/M计算为例，建立均布载荷△qi作用下的半无限体应力求解模型，

第一步，先求微集中力dqi：利用dqi＝△qidχ，及几何关系dχ＝rdθ/cosθ，可得：

第二步，求微集中力dqi产生的垂直应力表达式，可得：

第三步，利用积分及应力叠加的观点，可求得第i层岩层附加载荷在侧向煤体中任一点产生的附加应力表达式：

3.如权利要求1所述的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，聚能爆破装置包括爆破管(1)以及设置在爆破管(1)外侧的导向壳(2)，用于将爆破管(1)包裹在内部，且使得爆轰产物沿着设定的方向释放，爆破管(1)的上端外侧套接有固定部件(3)，用于与覆岩层待爆口进行固定，固定部件(3)的内侧螺纹连接有封堵部件(4)，用于将导线夹紧的同时，进爆破管插口进行封堵。

4.如权利要求3所述的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，导向壳(2)包括第一防护壳(21)以及通过磁性柱(23)连接的第二防护壳(22)，磁性柱(23)活动设置在第一防护壳(21)上端，且另一端插入第二防护壳(22)内部，用于在爆破前将爆破管(1)包覆在其内部。

5.如权利要求4所述的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，第一防护壳(21)与第二防护壳(22)的连接处开设有凹槽(24)。

6.如权利要求5所述的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，固定部件(3)包括延伸套盘(31)以及设置在延伸套盘(31)一侧的第一夹紧块(32)，延伸套盘(31)上开设有贯穿孔(311)，用于贯穿固定钉，将延伸套盘(31)固定在覆岩层上，延伸套盘(31)的一侧内部还开设有螺纹槽(312)，与第一夹紧块(32)相对的延伸套盘(31)还设置有第二夹紧块(33)。

7.如权利要求6所述的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，第一夹紧块(32)和第二夹紧块(33)的末端外侧设置有卡紧钉(34)，第一夹紧块(32)和第二夹紧块(33)的内侧包围成锥形槽(35)。

8.如权利要求7所述的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，封堵部件(4)包括旋转盘(41)以及设置在旋转盘(41)一侧的第一挤压块(42)，旋转盘(41)上横向贯穿开设有贯穿槽(411)，旋转盘(41)的一侧还设置有螺纹圈(412)，螺纹圈(412)与螺纹槽(312)匹配连接。

9.如权利要求8所述的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，位于第一挤压块(42)一侧的旋转盘(41)上设置有第二挤压块(43)，第一挤压块(42)与第二挤压块(43)构成的圆柱直接大于锥形槽(35)外侧端的直径。

10.如权利要求9所述的一种高位覆岩应力源消除冲击危险区深孔爆破解危方法，其特征在于，第一挤压块(42)与第二挤压块(43)的内侧设置有橡胶垫(44)，橡胶垫(44)的中部构成导线贯穿槽(45)，且直径略大于导线的直径。

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