CN114111482A - 一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于矿井坚硬顶板卸压技术领域，具体为一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，解决了背景技术中的技术问题，其首先在顶板上钻取一列钻孔，钻孔的顶端位于坚硬顶板中；将分为第一组钻孔和第二组钻孔，在第一组钻孔的位于坚硬顶板处的孔段中放入圆柱形复合切缝器，按顺序将导爆索引爆；再在第二组钻孔的位于坚硬顶板处的孔段中放入圆柱形炸药，按顺序引爆导爆索，然后重复以上步骤。本发明通过聚能爆破和复合爆破在引爆时序和安装位置上相互配合、关键参数的限定，够实现裂缝连续性和定向性，实现了造缝成本低、裂缝扩展长、裂缝定向连续等目标。
Description
技术领域
本发明属于矿井坚硬顶板卸压技术领域，具体为一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，用于煤矿工作面坚硬岩层造缝切顶。
背景技术
煤炭被誉为黑色的金子，是人类目前最为主要的一次能源之一。如何将煤炭安全高效的开采出来是采矿科技工作者和现场实践者最为基础的任务。岩层控制是实现煤矿安全高效开采的核心。目前针对坚硬岩层控制一般采用聚能爆破和水压致裂手段，二者虽然能在一定程度上实现造缝切顶的目的，但是难以保证裂缝的定向性和连续性。因此，急需一种定向连续的造缝切顶技术。聚能爆破成本低，但是定向性和连续性差，而复合爆破的定向性和连续性好、裂缝扩展长，但成本又偏高。如何在时间和空间上将二者结合，实现低成本的定向连续造缝是目前亟待解决的难题。
发明内容
本发明旨在解决聚能爆破定向性和连续性差，而复合爆破成本又偏高的技术问题，提供了一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法。
本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，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L1、直径为D1的钻孔，钻孔的顶端位于厚度为H1的坚硬顶板中，钻孔在坚硬顶板中的深度为H2，钻孔的编号分别为1、2、3、…、2n；
步骤二、将编号为2、4、6、…、2n的钻孔选为第一组钻孔，在第一组钻孔的位于坚硬顶板处的孔段中放入直径为d1、高度为h1、爆速为v1、爆压为p1的圆柱形复合切缝器，直到放入的圆柱形复合切缝器累计高度达到q1；
步骤三、从第一组钻孔中引出导爆索，并采用长度为L2的炮泥封孔；
步骤四、将第一组钻孔中引出的导爆索按编号顺序每m1根分为一小组，再依次引爆各小组导爆索，同一小组导爆索同时引爆，，第一组钻孔处形成导向裂缝；
步骤五、将编号为1、3、5、…、2n-1的钻孔选为第二组钻孔，在第二组钻孔的位于坚硬顶板处的孔段中放入直径为d2、高度为h2、爆速为v2、爆压为p2的圆柱形炸药，直到放入的炸药累计高度达到q2；
步骤六、从第二组钻孔中引出导爆索，并采用长度为L3的炮泥封孔；
步骤七、将第二组钻孔中引出的导爆索按编号顺序每m2根分为一小组，再依次引爆各小组导爆索，同一小组导爆索同时引爆，在导向裂缝和第二组钻孔间形成孔缝融合的裂缝面；
步骤八、重复执行步骤一至步骤七进行下一列钻孔施工，直到完成坚硬顶板内所有钻孔间连续造缝。
本发明所述定向连续造缝方法将复合爆破和聚能爆破进行结合，在空间上合理分布各钻孔，其次在时间上先通过复合爆破形成定向连续的导向裂缝面，再通过聚能爆破在导向裂缝面和钻孔间形成孔缝融合的裂缝面，具有良好的定向性和连续性，而且工艺操作简单，成本较低。
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<500m时，
当500m≤H<1000m时，
当H≥1000m时，
式中σ0＝10MPa/mm，D1的单位为mm，σ单位为MPa。这样设置是为了保证钻孔在不同埋深和坚硬顶板强度下，钻孔内圆柱形炸药和圆柱形复合切缝器产生的裂缝贯彻，同时控制对围岩扰动和爆破成本。
优选的，步骤一中钻孔在坚硬顶板中的深度H2与坚硬顶板的普氏系数f、坚硬顶板厚度H1相关：当0<f<5时，H2＝0.75H1；当5≤f<10时，H2＝0.80H1；当f≥10时，H2＝0.85H1。这是为了保证顶板能够及时的断裂的同时，复合爆破和聚能爆破气体不在顶板交界面上窜出。优选的，步骤一中钻孔间距L1＝0.8～1.0m。这是为了保证钻孔间的裂缝能够贯彻，同时最大程度上避免钻孔密集带来的岩石大面积损伤和成本高等问题。优选的，步骤二中圆柱形复合切缝器的直径d1与钻孔直径D1的关系为：d1＝0.8D1；步骤五中的圆柱形炸药直径为d2与钻孔直径D1的关系为：d2＝0.75D1。这是为了保证复合切缝器和炸药能够顺利塞入钻孔内，同时控制爆破的耦合系数，达到复合爆破和聚能爆破的效果。优选的，步骤二中，圆柱形复合切缝器的高度h1＝0.25m；步骤五中，圆柱形炸药的高度h2＝0.30m。这样设置能够进一步实现复合爆破和聚能爆破在炸药量上的耦合效果。
优选的，步骤二中，圆柱形复合切缝器在钻孔中的累计高度q1≥0.70H1；步骤五中，圆柱形炸药在钻孔中的累计高度q2≥0.80H1。这样设置是为了保证裂缝能够贯彻的同时，最大程度的减小复合爆破和聚能爆破对围岩的扰动。优选的，步骤二中圆柱形复合切缝器的爆速2500m/s≤v1≤4500m/s、爆压p1≥5GPa；步骤五中圆柱形炸药的爆速v2≥4500m/s、爆压p2≥8GPa。这是为了进一步保证复合爆破和聚能爆破产生的爆破效果，从而达到孔间裂缝能贯彻的目的。
优选的，步骤四中每一小组同时引爆的导爆索数量m1与工作面是否存在冲击倾向性相关：当工作面存在冲击倾向性时，m1＝6～8；当工作面不存在冲击倾向性时，m1＝10～14；步骤七中每一小组同时引爆的导爆索数量m2与工作面是否存在冲击倾向性相关：当工作面存在冲击倾向性时，m2＝3～5；当工作面不存在冲击倾向性时，m2＝6～8。这样能够避免一次性爆破钻孔数量大诱发冲击地压。优选的，步骤三中炮泥长度L2＝0.4h1、步骤六中炮泥长度L3＝0.5h2。这是为了进一步保证复合爆破和聚能爆破不出现冲孔现象
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，通过聚能爆破和复合爆破在引爆时序和安装位置上相互配合、关键参数的限定，能够实现裂缝连续性和定向性，实现了造缝成本低、裂缝扩展长、裂缝定向连续等目标。
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为本发明所述一种复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法的工艺中在第一组钻孔中放置圆柱形复合切缝器后的结构示意图。
图2为本发明所述一种复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法的工艺中当圆柱形复合切缝器引爆后放置圆柱形炸药的结构示意图。
图3为本发明具体实施中钻孔在坚硬顶板处的平面结构示意图。
图4为本发明所述圆柱形复合切缝器的结构示意图。
图中：1、钻孔；2、坚硬顶板；3、圆柱形复合切缝器；4、导爆索；5、炮泥；6、圆柱形炸药；7、导向裂缝。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
晋能控股集团马道头煤矿某无冲击矿压倾向性工作面上覆存在一层厚度为22m、埋深为438m的砂岩层。该砂岩层的单轴抗压强度σ为73.2MPa、普氏系数f为7.32、抗拉强度为6.3MPa。通过本发明所述的一种复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法进行造缝切顶，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1.0m、直径为30.7mm的钻孔1，钻孔1的顶端位于厚度为22m的坚硬顶板2中，钻孔1在坚硬顶板2中的深度为17.6mm，钻孔1的编号分别为1、2、3、4、5、6、…、30，见图3；
步骤二、将编号为2、4、6、…、30的钻孔1选为第一组钻孔1，在第一组钻孔1的位于坚硬顶板2处的孔段中放入直径为24.56mm、高度为0.25m、爆速为3500m/s、爆压为8GPa的圆柱形复合切缝器3，直到放入的圆柱形复合切缝器3累计高度达到15.4m，见图1；圆柱形复合切缝器是利用聚能射流形成定向切缝，高压气体沿着相邻裂缝劈裂形成孔缝融合的裂缝面的一种装置,其结构是在圆柱形状炸药的两侧对称开三角形槽，并在三角形槽表面涂上一层高密度的金属粉末；复合切缝器的结构如图4所示；
步骤三、从第一组钻孔1中引出导爆索4，并采用长度为6.16m的炮泥5封孔；
步骤四、将第一组钻孔1中引出的导爆索4按编号顺序每10根分为一小组，如果最后几根不够10根，则剩下的几根导爆索4自行组成最后一小组，再依次引爆各小组导爆索4，同一小组导爆索4同时引爆，第一组钻孔处形成导向裂缝7；
步骤五、将编号为1、3、5、…、29的钻孔1选为第二组钻孔1，在第二组钻孔1的位于坚硬顶板2处的孔段中放入直径为23.02mm、高度为0.30m、爆速为6500m/s、爆压为10GPa的圆柱形炸药6，直到放入的炸药累计高度达到17.6m，见图2；
步骤六、从第二组钻孔1中引出导爆索4，并采用长度为8.8m的炮泥5封孔；
步骤七、将第二组钻孔1中引出的导爆索4按编号顺序每6根分为一小组，如果最后几根不够6根，则剩下的几根导爆索4自行组成最后一小组，再依次引爆各小组导爆索4，同一小组导爆索4同时引爆，在导向裂缝和第二组钻孔间形成孔缝融合的裂缝面；
步骤八、重复执行步骤一至步骤七进行下一列钻孔1施工，直到完成坚硬顶板2内所有钻孔1间连续造缝。
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)
1.一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，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L1、直径为D1的钻孔(1)，钻孔(1)的顶端位于厚度为H1的坚硬顶板(2)中，钻孔(1)在坚硬顶板(2)中的深度为H2，钻孔(1)的编号分别为1、2、3、…、2n；
步骤二、将编号为2、4、6、…、2n的钻孔(1)选为第一组钻孔，在第一组钻孔的位于坚硬顶板(2)处的孔段中放入直径为d1、高度为h1、爆速为v1、爆压为p1的圆柱形复合切缝器(3)，直到放入的圆柱形复合切缝器(3)累计高度达到q1；
步骤三、从第一组钻孔中引出导爆索(4)，并采用长度为L2的炮泥(5)封孔；
步骤四、将第一组钻孔中引出的导爆索(4)按编号顺序每m1根分为一小组，再依次引爆各小组导爆索(4)，同一小组导爆索(4)同时引爆，第一组钻孔处形成导向裂缝(7)；
步骤五、将编号为1、3、5、…、2n-1的钻孔(1)选为第二组钻孔，在第二组钻孔的位于坚硬顶板(2)处的孔段中放入直径为d2、高度为h2、爆速为v2、爆压为p2的圆柱形炸药(6)，直到放入的炸药(6)累计高度达到q2；
步骤六、从第二组钻孔中引出导爆索(4)，并采用长度为L3的炮泥(5)封孔；
步骤七、将第二组钻孔中引出的导爆索(4)按编号顺序每m2根分为一小组，再依次引爆各小组导爆索(4)，同一小组导爆索(4)同时引爆，在导向裂缝和第二组钻孔间形成孔缝融合的裂缝面；
步骤八、重复执行步骤一至步骤七进行下一列钻孔(1)施工，直到完成坚硬顶板(2)内所有钻孔(1)间连续造缝。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，其特征在于，步骤一中，钻孔(1)直径D1与坚硬顶板(2)的单轴抗压强度σ、坚硬顶板(2)埋深H相关：当0<H<500m时，
当500m≤H<1000m时，
当H≥1000m时，
式中σ0＝10MPa/mm，D1的单位为mm，σ单位为MPa。
3.根据权利要求2所述的一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，其特征在于，步骤一中钻孔(1)在坚硬顶板(2)中的深度H2与坚硬顶板(2)的普氏系数f、坚硬顶板(2)厚度H1相关：当0<f<5时，H2＝0.75H1；当5≤f<10时，H2＝0.80H1；当f≥10时，H2＝0.85H1。
4.根据权利要求3所述的一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，其特征在于，步骤一中钻孔(1)间距L1＝0.8～1.0m。
5.根据权利要求4所述的一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，其特征在于，步骤二中圆柱形复合切缝器(3)的直径d1与钻孔(1)直径D1的关系为：d1＝0.8D1；步骤五中的圆柱形炸药(6)直径为d2与钻孔(1)直径D1的关系为：d2＝0.75D1。
6.根据权利要求5所述的一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，其特征在于，步骤二中，圆柱形复合切缝器(3)的高度h1＝0.25m；步骤五中，圆柱形炸药(6)的高度h2＝0.30m。
7.根据权利要求6所述的一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，其特征在于，步骤二中，圆柱形复合切缝器(3)在钻孔(1)中的累计高度q1≥0.70H1；步骤五中，圆柱形炸药(6)在钻孔(1)中的累计高度q2≥0.80H1。
8.根据权利要求6所述的一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，其特征在于，步骤二中圆柱形复合切缝器(3)的爆速2500m/s≤v1≤4500m/s、爆压p1≥5GPa；步骤五中圆柱形炸药(6)的爆速v2≥4500m/s、爆压p2≥8GPa。
9.根据权利要求6所述的一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，其特征在于，步骤四中每一小组同时引爆的导爆索(4)数量m1与工作面是否存在冲击倾向性相关：当工作面存在冲击倾向性时，m1＝6～8；当工作面不存在冲击倾向性时，m1＝10～14；步骤七中每一小组同时引爆的导爆索(4)数量m2与工作面是否存在冲击倾向性相关：当工作面存在冲击倾向性时，m2＝3～5；当工作面不存在冲击倾向性时，m2＝6～8。
10.根据权利要求6所述的一种基于复合聚能时空耦合爆破的定向连续造缝方法，其特征在于，步骤三中炮泥(5)长度L2＝0.4h1、步骤六中炮泥(5)长度L3＝0.5h2。
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