CN114033375A - 一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于矿井坚硬顶板卸压技术领域，具体为一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，用于煤矿工作面坚硬顶板造缝切顶，解决了背景技术中的技术问题，其首先采用水力切割枪形成放射性预制裂缝切槽，其次将助推剂塞入钻孔内引爆后形成高压气体，高压气体沿着预制裂缝扩展裂缝在相邻钻孔间形成贯穿连续的裂缝，裂缝扩展形态可实现精准控制，卸压效果好。本发明所述的造缝方法成本低，操作工艺简单。
Description
技术领域
本发明属于矿井坚硬顶板卸压技术领域，具体为一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，用于煤矿工作面坚硬顶板造缝切顶，从而控制采场强矿压。
背景技术
坚硬顶板指的是采场中强度高、完整性好的岩层，一般为砂岩层、粉砂岩等。当工作面推进过程中，坚硬顶板因其独有的特性会出现大面积悬顶、不能及时的垮落。当坚硬顶板悬顶空间达到破断临界值后，突然垮落造成工作面和巷道出现大面积来压。因此坚硬顶板强矿压难题一直是煤矿亟待解决的主要问题之一。
目前针对坚硬顶板问题一般采用加强支护或者切顶卸压两种手段。加强支护通常在工作面选择高支护阻力的液压支架；在巷道内采用高强度锚杆锚索支护。这种方式为典型的被动增加采场承受强矿压能力，虽然能够起到一定的效果，但是一次性投入成本大，且存在安全隐患。切顶卸压属于主动治理方法，一般采用水压致裂或者聚能爆破。采用水力压裂技术控制坚硬顶板时，压裂裂缝扩展受岩层三向应力分布状态直接影响，扩展形态无法控制；采用爆破手段不仅钻孔、装药、连线等操作工艺复杂、机械化程度低，无法保证相邻钻孔裂缝贯穿。因此，目前急需一种成本低、操作简单，同时能够保证裂缝贯穿的造缝方法。
发明内容
本发明旨在解决坚硬顶板采用水压致裂卸压时扩展形态无法控制、采用爆破手段卸压时操作工艺复杂，机械化程度低，无法保证相邻钻孔裂缝贯穿的技术问题，提供了一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，具有成本低，操作简单，能够保证相邻钻孔裂缝贯穿等效果。
本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，包括以下步骤：
步骤一、在巷道靠近煤壁一侧的顶板上向上钻取一列间距为L3、直径为D1的钻孔，钻孔的顶端钻入厚度为H1的坚硬顶板中，钻孔在坚硬顶板中的深度为H2；步骤二、在钻孔的位于坚硬顶板处的孔段中，通过水力沿钻孔周向均匀切割深度为L1，宽度为L2的n条裂缝，裂缝以钻孔轴心呈放射状排列，相邻裂缝之间的夹角为α；步骤三、在步骤二处理后的钻孔中放入直径为D2、高度为H3、爆速为v、爆压为P的圆柱形助推剂，同一钻孔中放入的圆柱形助推剂累计高度达到H4；步骤四、引出导爆索后封孔；步骤五、引爆导爆索；步骤六、反复执行步骤一至步骤五进行下一列钻孔施工，直到完成坚硬顶板内所有钻孔间造缝。该方法中首先采用水力切割枪形成放射性预制切槽，其次将圆柱形助推剂塞入钻孔内引爆后形成高压气体，将水力切槽与高压劈裂耦合，裂缝扩展形态可实现精准控制，高压气体沿着预制裂缝扩展裂缝在相邻钻孔间形成贯穿连续的裂缝，卸压效果好。
优选的，步骤一中，钻孔直径D1与坚硬顶板的单轴抗压强度σ、坚硬顶板埋深H相关：当0<H<350m时，
当350m≤H<800m时，
当H≥800m时，
式中σ0＝10MPa/mm，D1的单位为mm，σ的单位为MPa。首先，这是为了保证钻孔在不同埋深和坚硬顶板强度下，钻孔内炸药产生的裂缝贯彻，同时控制对围岩扰动和爆破成本。其次是为了保证水力切割具有足够的空间。
优选的，步骤一中，钻孔深度H2与坚硬顶板厚度H1的关系为：H2＝(0.75～0.85)H1。这是为了保证顶板能够及时的断裂的同时，爆破气体不在顶板交界面上窜出。优选的，同一列的钻孔间距L3与坚硬顶板的抗拉强度σt存在如下关系：
式中L0＝0.15m，σt的单位为MPa，σ1＝4.0MPa。这是为了保证钻孔在坚硬顶板强度下，钻孔内炸药产生的裂缝贯彻，同时控制对围岩扰动和爆破成本。
优选的，步骤二中的裂缝的切割深度L1、宽度L2与坚硬顶板的水平应力σx相关，具体关系如下：当0<σx<8.5MPa时，L1≥0.2m、L2≥8mm；当8.5MPa≤σx<15MPa时，L1≥0.3m、L2≥10mm；当15MPa≤σx<25MPa时，L1≥0.35m、L2≥12mm；当σx≥25MPa时，L1≥0.4m、L2≥15mm。这是为了保证不同应力环境下，水力切割形成的裂缝能够对爆破起到扩展和导向作用。
优选的，步骤二中的相邻裂缝之间的夹角α和同一钻孔周向上的裂缝条数n与坚硬顶板的普氏系数f相关，具体关系如下：当0<f<8时，α＝60°、n＝6；当8≤f<12时，α＝45°、n＝8；当f≥12时，α＝30°、n＝12。这是为了在不同顶板条件下，水力切割形成的裂缝在爆破中能够贯穿，同时最大程度的控制成本。
优选的，步骤二中采用水力切割枪进行裂缝切割。采用水力切割枪操作方便。
优选的，步骤三中，圆柱形助推剂的爆速v≥2500m/s，爆压P≥8GPa。这是为了保证爆破能够产生足够的围岩损伤，从而钻孔间的裂缝能完全贯穿。
优选的，步骤三中，圆柱形助推剂的直径D2与钻孔直径D1存在如下关系：D2＝(0.75～0.85)D1；圆柱形助推剂的高度H3为15mm。这是为了保证助推剂的耦合系数，同时便于顺利送入到孔道底部。
优选的，步骤三中，同一钻孔中的圆柱形助推剂累计高度H4与钻孔深度H2的关系为：H4＝0.75H2。这是为了进一步保证产生适量的高压气体，在保证裂缝贯穿的同时不出现冲孔现象。
本发明的有益效果是：本发明提供一种采用水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，成本低，操作工艺简单，首先采用水力切割枪形成放射性预制切槽，其次将助推剂塞入钻孔内引爆后形成高压气体，高压气体沿着预制裂缝扩展裂缝在相邻钻孔间形成贯穿连续的裂缝，裂缝扩展形态可实现精准控制，卸压效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法的工艺图。
图2为本发明中所述钻孔放置圆柱形助推剂后的平面布置示意图。
图3为本发明所述钻孔完成切缝后的裂缝平面示意图。
图4为水力切割枪的结构示意图。
图中：1、坚硬顶板；2、钻孔；3、裂缝；4、圆柱形助推剂；5、导爆索；6、炮泥。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
晋能控股集团同忻煤矿某工作面上覆存在一层厚度为18m、埋深为400m的砂岩层。砂岩层的单轴抗压强度σ为90MPa、普氏系数f为9、抗拉强度σt为7.2MPa，所处位置的水平应力σx为10MPa；通过本发明所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法进行造缝卸压，工艺图见图1具体包括以下步骤：
步骤一、在巷道靠近煤壁一侧的顶板上向上钻取一列间距为0.873m、直径为72mm的钻孔2，钻孔2的顶端钻入厚度为18m的坚硬顶板1中，钻孔2在坚硬顶板1中的深度为14.4m；
步骤二、在钻孔2的位于坚硬顶板1处的孔段中，采用水力切割枪沿钻孔2周向均匀切割深度为0.3m，宽度为10mm的8条裂缝3，裂缝3以钻孔2轴心呈放射状排列，相邻裂缝3之间的夹角为45°，如图2和图3所示，水力切割枪见图4；
步骤三、在步骤二处理后的钻孔2中放入直径为57.6mm、高度为15mm、爆速为3000m/s、爆压为10GPa的圆柱形助推剂4，同一钻孔2中放入的圆柱形助推剂4累计高度达到10.8mm；
步骤四、引出导爆索5后，采用炮泥6封孔；
步骤五、引爆导爆索5；
步骤六、反复执行步骤一至步骤五进行下一列钻孔2施工，直到完成坚硬顶板1内所有钻孔2间造缝。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在巷道靠近煤壁一侧的顶板上向上钻取一列间距为L3、直径为D1的钻孔(2)，钻孔(2)的顶端钻入厚度为H1的坚硬顶板(1)中，钻孔(2)在坚硬顶板(1)中的深度为H2；
步骤二、在钻孔(2)的位于坚硬顶板(1)处的孔段中，通过水力沿钻孔(2)周向均匀切割深度为L1，宽度为L2的n条裂缝(3)，裂缝(3)以钻孔(2)轴心呈放射状排列，相邻裂缝(3)之间的夹角为α；
步骤三、在步骤二处理后的钻孔(2)中放入直径为D2、高度为H3、爆速为v、爆压为P的圆柱形助推剂(4)，同一钻孔(2)中放入的圆柱形助推剂(4)累计高度达到H4；
步骤四、引出导爆索(5)后封孔；
步骤五、引爆导爆索(5)；
步骤六、反复执行步骤一至步骤五进行下一列钻孔(2)施工，直到完成坚硬顶板(1)内所有钻孔(2)间造缝。
2.根据权利要求1所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，步骤一中，钻孔(2)直径D1与坚硬顶板(1)的单轴抗压强度σ、坚硬顶板(1)埋深H相关：当0<H<350m时，
当350m≤H<800m时，
当H≥800m时，
式中σ0＝10MPa/mm，D1的单位为mm，σ的单位为MPa。
3.根据权利要求2所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，步骤一中，钻孔(2)深度H2与坚硬顶板(1)厚度H1的关系为：H2＝(0.75～0.85)H1。
4.根据权利要求3所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，同一列的钻孔(2)间距L3与坚硬顶板(1)的抗拉强度σt存在如下关系：
式中L0＝0.15m，σt的单位为MPa，σ1＝4.0MPa。
5.根据权利要求1所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，步骤二中的裂缝(3)的切割深度L1、宽度L2与坚硬顶板(1)的水平应力σx相关，关系如下：当0<σx<8.5MPa时，L1≥0.2m、L2≥8mm；当8.5MPa≤σx<15MPa时，L1≥0.3m、L2≥10mm；当15MPa≤σx<25MPa时，L1≥0.35m、L2≥12mm；当σx≥25MPa时，L1≥0.4m、L2≥15mm。
6.根据权利要求5所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，步骤二中的相邻裂缝(3)之间的夹角α和同一钻孔(2)周向上的裂缝(3)条数n与坚硬顶板(1)的普氏系数f相关，关系如下：当0<f<8时，α＝60°、n＝6；当8≤f<12时，α＝45°、n＝8；当f≥12时，α＝30°、n＝12。
7.根据权利要求6所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，步骤二中，采用水力切割枪进行裂缝(3)切割。
8.根据权利要求1所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，步骤三中，圆柱形助推剂(4)的爆速v≥2500m/s，爆压P≥8GPa。
9.根据权利要求8所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，步骤三中，圆柱形助推剂(4)的直径D2与钻孔(2)直径D1存在如下关系：D2＝(0.75～0.85)D1；圆柱形助推剂(4)的高度H3为15mm。
10.根据权利要求9所述的一种水力切槽与高压劈裂耦合的坚硬顶板造缝方法，其特征在于，步骤三中，同一钻孔(2)中的圆柱形助推剂(4)累计高度H4与钻孔(2)深度H2的关系为：H4＝0.75H2。
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