CN116464444B - 一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，该机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法包括一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压装置，该卸压装置包括智能定向钻胀机，该钻机整机具有前后移动、前后摆动、左右移动、左右摆动、左右扭转等功能，通过角度平衡仪和定向钻臂，精准控制切顶角度，实现多方位快速定位，便于钻孔施工。本发明采用上述一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，利用智能定向钻胀机钻孔最终形成的网面结构切断了采空区顶板与巷道顶板间的覆岩传递路径，通过支架反复承载进一步弱化空间连接，在工作面回采后，采空区顶板能够在自重及矿山压力作用下，沿钻孔网面自动垮落形成巷帮，从而达到切顶卸压的目的。
Description
技术领域
本发明涉及无煤柱自成巷开采技术领域，尤其是涉及一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法。
背景技术
无煤柱自成巷是一种煤矿新型无煤柱采煤方法，由传统“一面两巷”的采掘模式改变为“一面一巷”模式，通过预裂爆破切顶卸压技术，切断工作面顶板应力传递，同时采用高预紧力恒阻锚索对巷道顶板进行加固控制，当工作面开采后，在矿山压力作用下，工作面后方顶板岩层垮落碎胀，充填采空区，实现自动成巷和无煤柱开采。无煤柱自成巷开采技术可以有效减弱周期来压、减少采空区瓦斯、降低煤层自燃倾向，且能够大幅度降低回采巷道掘进率、提高煤炭资源回收率、降低煤炭开采成本，是我国煤炭实现绿色可持续发展的重要途径，被誉为第三次矿业技术变革。
无煤柱自成巷开采方法区别于传统留煤柱开采最典型的特点是需要切顶卸压并留巷，而在这个过程中需要对顶板进行切顶作业。定向切缝施工包括切缝孔施工和沿着切缝孔定向切割连通切缝孔两个过程。目前切顶卸压均采用双向聚能爆破预裂技术，于顶板钻孔后，将特定规格的炸药装在两个设定方向有聚能效应的聚能装置中，炸药起爆后，炮孔围岩在非设定方向上均匀受压，而在设定方向上集中受拉，依靠岩石抗压怕拉的特性，使岩体按预裂方向拉裂成型。该技术对于切断顶板应力传递路径具有优良成效，但仍存在以下不足：（1）切顶卸压时，目前主要通过炸药爆破来实现，炸药爆破管控严格，运输及使用过程需要大量人力、物力，经济投入大；（2）炸药火工品爆破存在一定安全隐患，爆破后易产生有毒有害气体，威胁矿工健康；（3）采用传统切缝钻机效率低，钻臂无法灵活调整与顶板预定工作位点的夹角，难以满足无煤柱自成巷快速施工特殊要求，工作面推采速度过快时，顶板钻孔和爆破工序复杂，易影响工作面生产。
针对以上的局限性，需要解决以下技术问题：
（1）如何在不使用炸药的情况下，切断巷道顶板和采空区顶板间的覆岩应力传递路径，达到定向卸压和安全切顶的目的；
（2）如何实现钻进方位和角度的精准定位调节和控制，提高切顶施工效率和施工质量，从而提高工作面生产效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供了一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压装置，包括智能定向钻胀机，智能定向钻胀机上设置有安装底座、前后滑移座、前后摆动座、左右滑移座、钻臂前后滑移油缸、钻臂扭转油缸、钻臂、钻臂前后摆动油缸、钻臂左右摆动油缸、钻臂左右滑移油缸、扭转座、左右摆动座、定向钻臂、液压系统、水路系统、电气系统、滑移胀裂器；
安装底座上设置有钻臂前后滑移油缸，钻臂前后滑移油缸与用于带动钻臂前后移动的前后滑移座传动连接，前后滑移座与用于带动钻臂前后摆动的前后摆动座连接，钻臂前后摆动油缸与前后摆动座传动连接，钻臂前后摆动油缸设置在前后滑移座上；
前后摆动座与用于带动钻臂左右滑移的左右滑移座连接，钻臂左右滑移油缸与左右滑移座传动连接，钻臂左右滑移油缸设置在前后摆动座上，左右滑移座上设置有钻臂扭转油缸，钻臂扭转油缸与扭转座连接；
扭转座上设置有钻臂左右摆动油缸，钻臂左右摆动油缸与用于带动钻臂左右摆动的左右摆动座传动连接；
滑移胀裂器包括变直径胀杆，变直径胀杆的底端通过连接螺栓与钻臂连接，变直径胀杆上设置有两个反向楔块，反向楔块通过活动连接件锁紧在变直径胀杆上，反向楔块的底端通过固定肋与钻臂连接。
优选的，左右摆动座上设置有角度平衡仪。
优选的，液压系统与钻臂前后滑移油缸、钻臂前后摆动油缸、钻臂左右摆动油缸、钻臂扭转油缸连接。
优选的，钻臂上均安装有滑移胀裂器，液压系统与滑移胀裂器连接。
本发明还提供了一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，包括以下步骤：
步骤一，对工作面生产地质条件进行探测和岩性测试，分析判断顶板关键岩层的位置；
步骤二，根据工作面生产地质条件探测结果，设计切顶深度、角度、钻孔间距等参数；
步骤三，根据切顶参数施工切顶钻孔；
步骤四，通过滑移胀裂器对岩体进行定向劈裂；
步骤五，智能定向钻胀机完成钻胀后，移动至下一组钻孔处，重复上述操作，最终在钻孔处形成网面结构，完成网面切顶；
步骤六，进行工作面端头支架反复承载顶板；
步骤七，工作面进行回采，采空区顶板在矿压作用下沿着机械式网面钻孔及胀裂缝垮落，形成新的巷帮，完成切顶卸压和留巷工作。
优选的，步骤二中，根据工作面生产地质条件探测的结果，设计切顶深度、切顶角度、钻孔间距关键参数，切顶深度计算方法如下：
；
式中：H为切顶高度，M为采高，为顶板下沉量，/>为底臌量，K为顶板岩体碎胀系数，/>为切顶线与竖直方向夹角，取为10~20°；
每组交叉切顶孔分为左钻孔和右钻孔，各钻孔与水平方向夹角确定方法如下：
左钻孔与水平方向夹角：顶板为砂岩、灰岩等坚硬顶板时，/>取为45~60°；顶板为泥岩等软弱顶板时，/>取为30~45°；
右钻孔与水平方向夹角计算方法：/>；
组内钻孔间距d确定方法主要与顶板的硬度系数f有关，具体方法如下：
硬度系数f=0~2时，钻孔间距取为500mm；
硬度系数f=2~8时，钻孔间距取为400mm；
硬度系数f=8~15时，钻孔间距取为300mm；
硬度系数f>15时，钻孔间距取为100mm。
优选的，步骤三中，利用布设在采掘巷道内的智能定向钻胀机，调整角度平衡仪，精确调整定向钻臂角度，在煤岩顶板上对应施工切顶孔。
优选的，步骤四中，将滑移胀裂器的楔块组插入钻孔中，中间楔块通过液压压力的作用在两个反向楔块之间向前运动，将被劈裂的岩体按预定方向裂开。
优选的，步骤六中，距巷道一个周期来压步距范围内的工作面支架进行反复承载，反复承载次数3~5次。
因此，本发明采用上述一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，具有以下有益效果：
1、本发明中的装置采用智能定向钻胀机施工网面交叉钻孔，该钻机整机具有前后移动、前后摆动、左右移动、左右摆动、左右扭转等功能，通过角度平衡仪和定向钻臂，精准控制切顶角度，实现多方位快速定位，便于钻孔施工；
2、本发明中的方法利用智能定向钻胀机钻孔最终形成的网面结构切断了采空区顶板与巷道顶板间的覆岩传递路径，通过岩体劈裂及支架承载进一步弱化空间连接，在工作面回采后，采空区顶板能够在自重及矿山压力作用下，沿钻孔网面自动垮落形成巷帮，从而达到切顶卸压的目的。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例智能定向钻胀机的正视图；
图2为本发明实施例智能定向钻胀机的侧视图；
图3为本发明实施例网面钻孔平面图；
图4为本发明实施例钻孔切顶效果俯视图；
图5为本发明实施例滑移胀裂器实施岩体劈裂示意图；
图6为本发明实施例支架反复承载示意图；
图7为本发明实施例切顶后采空区垮落成巷效果图。
附图标记
1、安装底座；2、前后滑移座；3、前后摆动座；4、左右滑移座；5、钻臂前后滑移油缸；6、钻臂扭转油缸；7、钻臂；8、钻臂前后摆动油缸；9、钻臂左右摆动油缸；10、扭转座；11、左右摆动座；12、定向钻臂；13、液压系统；14、水路系统；15、电气系统；16、支护结构；17、煤层顶板；18、左钻孔；19、右钻孔；20、下组左钻孔；21、下组右钻孔；22、采空区；23、钻孔；24、钻孔网面；25、顶板；26、工作面液压支架；27、支架顶梁；28、裂隙；29、变直径胀杆；30、连接螺栓；31、反向楔块；32、固定肋；33、活动连接件。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“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。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
图1为本发明实施例智能定向钻胀机的正视图；图2为本发明实施例智能定向钻胀机的侧视图；图3为本发明实施例网面钻孔平面图；图4为本发明实施例钻孔切顶效果俯视图；图5为本发明实施例滑移胀裂器实施岩体劈裂示意图；图6为本发明实施例支架反复承载示意图；图7为本发明实施例切顶后采空区垮落成巷效果图。
如图1、图2所示，本发明所述的一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压装置，包括智能定向钻胀机，智能定向钻胀机上设置有安装底座1、前后滑移座2、前后摆动座3、左右滑移座4、钻臂前后滑移油缸5、钻臂扭转油缸6、钻臂7、钻臂前后摆动油缸8、钻臂左右摆动油缸9、钻臂左右滑移油缸、扭转座10、左右摆动座11、定向钻臂12、液压系统13、水路系统14、电气系统15、滑移胀裂器。
安装底座1上设置有钻臂前后滑移油缸5，钻臂前后滑移油缸5与用于带动钻臂前后移动的前后滑移座2传动连接，前后滑移座2与用于带动钻臂前后摆动的前后摆动座3连接，钻臂前后摆动油缸8与前后摆动座3传动连接，钻臂前后摆动油缸8设置在前后滑移座2上。前后摆动座3与用于带动钻臂左右滑移的左右滑移座4连接，钻臂左右滑移油缸与左右滑移座4传动连接，钻臂左右滑移油缸设置在前后摆动座3上，左右滑移座4上设置有钻臂扭转油缸6，钻臂扭转油缸6与扭转座10连接。扭转座10上设置有钻臂左右摆动油缸9，钻臂左右摆动油缸9与用于带动钻臂左右摆动的左右摆动座11传动连接。液压系统13与钻臂前后滑移油缸5、钻臂前后摆动油缸8、钻臂左右摆动油缸9、钻臂扭转油缸6连接。液压系统13、水路系统14、电气系统15均采用现有的结构。左右摆动座11上设置有角度平衡仪，钻臂7上均安装有滑移胀裂器，液压系统13与滑移胀裂器连接。
滑移胀裂器包括变直径胀杆29，变直径胀杆29的底端通过连接螺栓30与钻臂7连接，变直径胀杆29上设置有两个反向楔块31，反向楔块31通过活动连接件33锁紧在变直径胀杆29上，反向楔块31的底端通过固定肋32与钻臂7连接。变直径胀杆29通过液压系统13给液压力，实现上下移动，向上移动时直径变粗，外扩从而胀裂岩体。变直径胀杆29向上移动时，活动连接件33可根据变直径胀杆29直径变化自动扩缩。固定肋32的作用是通过螺栓与钻臂7连接。
智能定向钻胀机整机具有前后移动、前后摆动、左右移动、左右摆动、左右扭转等功能，通过角度平衡仪和定向钻臂12，精准控制切顶角度，实现多方位快速定位，便于钻孔23施工。
本发明所述的一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，包括以下步骤：
步骤一，对工作面生产地质条件进行探测和岩性测试，分析判断顶板关键岩层的位置。
具体地，每隔50~100m对巷道顶板25地质条件进行钻孔23窥视探测，进行岩性力学参数测试，沿巷道掘进方形进行顶板25分区，同时分析判断顶板25关键岩层的位置。
步骤二，根据工作面生产地质条件探测结果，设计切顶深度、角度、钻孔23间距等参数。切顶深度计算方法如下：
；
式中：H为切顶高度，M为采高，为顶板25下沉量，/>为底臌量，K为顶板25岩体碎胀系数，/>为切顶线与竖直方向夹角，取为10~20°。
每组交叉切顶孔分为左钻孔18和右钻孔19，各钻孔23与水平方向夹角确定方法如下：
左钻孔18与水平方向夹角：顶板25为砂岩、灰岩等坚硬顶板25时，/>取为45~60°；顶板25为泥岩等软弱顶板25时，/>取为30~45°。
右钻孔19与水平方向夹角计算方法：/>。
组内钻孔23间距d确定方法主要与顶板25的硬度系数f有关，具体方法如下：
硬度系数f=0~2时，钻孔23间距取为500mm；
硬度系数f=2~8时，钻孔23间距取为400mm；
硬度系数f=8~15时，钻孔23间距取为300mm；
硬度系数f>15时，钻孔23间距取为100mm。
图3中包括左钻孔18和右钻孔19，左钻孔18钻孔深度H，与竖向方向成，与水平方向夹角为/>；右钻孔19钻孔深度H，与竖向方向成/>，与水平方向夹角为/>。左钻孔18和右钻孔19同时施工，施工完成后，将智能定向钻胀机移至下一钻孔23处组内钻孔23间距为d，重复上述操作，形成下组左钻孔20和下组右钻孔21。
步骤三，根据切顶参数施工切顶钻孔23。利用布设在采掘巷道内的智能定向钻胀机，调整角度平衡仪，精确调整定向钻臂12角度，在煤岩顶板25上对应施工切顶孔。智能定向钻胀机布置每次施工1组2个钻孔23，左钻臂7和右钻臂7与竖直方向夹角均为，左钻臂7与水平方向夹角为/>，右钻臂7与水平方向夹角为/>。两钻臂同时作业，钻孔23深度为H。
步骤四，通过滑移胀裂器对岩体进行定向劈裂。将滑移胀裂器的楔块组（楔块组包括一个中间楔块和两个反向楔块31，中间楔块为变直径胀杆29，见图5）插入钻孔23中，中间楔块通过液压压力的作用在两个反向楔,31之间向前运动，将被劈裂的岩体按预定方向裂开。
步骤五，智能定向钻胀机完成钻孔23后，移动至下一组钻孔23处，重复上述操作，最终在钻孔23处形成网面结构，完成网面切顶。
具体地，待钻孔23深度达到预定要求，卸钻杆，降下顶部支撑，一次钻孔23结束。智能定向钻胀机完成钻孔23后，移动至下一钻孔23处，重复上述操作，完成网面切顶。
图4中包括垮落后的顶板25采空区22、钻孔23、钻孔网面24和保留巷道的顶板25。
步骤六，进行工作面端头支架反复承载顶板25。距巷道一个周期来压步距范围内的工作面支架进行反复承载，反复承载次数3~5次，进一步弱化网面钻孔23空间连接（见图6）。图6中包括顶板25网面钻孔23、工作面液压支架26、支架顶梁27、支架承载滋生裂隙28、采空区22。
步骤七，工作面进行回采，采空区22顶板25在矿压作用下沿着机械式网面钻孔23及胀裂缝垮落，形成新的巷帮，完成切顶卸压和留巷工作（见图7）。图7中包括采空区22、钻孔网面24、顶板25加强支护结构16以及不同岩性及层位的煤层顶板17。
因此，本发明采用上述一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，利用智能定向钻胀机钻孔最终形成的网面结构切断了采空区顶板与巷道顶板间的覆岩传递路径，通过支架反复承载进一步弱化空间连接，在工作面回采后，采空区顶板能够在自重及矿山压力作用下，沿钻孔网面自动垮落形成巷帮，从而达到切顶卸压的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，其特征在于：该机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法使用一种机械式非爆破网面钻胀切顶卸压装置，机械式非爆破网面钻胀切顶卸压装置包括智能定向钻胀机，智能定向钻胀机上设置有安装底座、前后滑移座、前后摆动座、左右滑移座、钻臂前后滑移油缸、钻臂扭转油缸、钻臂、钻臂前后摆动油缸、钻臂左右摆动油缸、钻臂左右滑移油缸、扭转座、左右摆动座、定向钻臂、液压系统、水路系统、电气系统、滑移胀裂器；
安装底座上设置有钻臂前后滑移油缸，钻臂前后滑移油缸与用于带动钻臂前后移动的前后滑移座传动连接，前后滑移座与用于带动钻臂前后摆动的前后摆动座连接，钻臂前后摆动油缸与前后摆动座传动连接，钻臂前后摆动油缸设置在前后滑移座上；
前后摆动座与用于带动钻臂左右滑移的左右滑移座连接，钻臂左右滑移油缸与左右滑移座传动连接，钻臂左右滑移油缸设置在前后摆动座上，左右滑移座上设置有钻臂扭转油缸，钻臂扭转油缸与扭转座连接；
扭转座上设置有钻臂左右摆动油缸，钻臂左右摆动油缸与用于带动钻臂左右摆动的左右摆动座传动连接；
滑移胀裂器包括楔块组，楔块组包括一个中间楔块和两个反向楔块，中间楔块为变直径胀杆，变直径胀杆的底端通过连接螺栓与钻臂连接，两个反向楔块设置在变直径胀杆上，反向楔块通过活动连接件锁紧在变直径胀杆上，反向楔块的底端通过固定肋与钻臂连接；
该机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法包括以下步骤：
步骤一，对工作面生产地质条件进行探测和岩性测试，分析判断顶板关键岩层的位置；
步骤二，根据工作面生产地质条件探测结果，设计切顶参数，切顶参数包括切顶深度、角度、钻孔间距；
步骤三，根据切顶参数施工切顶钻孔；
步骤四，通过滑移胀裂器对岩体进行定向劈裂；
步骤五，智能定向钻胀机完成钻胀后，移动至下一组钻孔处，重复上述操作，最终在钻孔处形成网面结构，完成网面切顶；
步骤六，进行工作面端头支架反复承载顶板；
步骤七，工作面进行回采，采空区顶板在矿压作用下沿着机械式网面钻孔及胀裂缝垮落，形成新的巷帮，完成切顶卸压和留巷工作；
步骤二中，根据工作面生产地质条件探测的结果，设计切顶参数，切顶深度计算方法如下：
；
式中：H为切顶高度，M为采高，为顶板下沉量，/>为底臌量，K为顶板岩体碎胀系数，/>为切顶线与竖直方向夹角，取为10~20°；
每组交叉切顶孔分为左钻孔和右钻孔，各钻孔与水平方向夹角确定方法如下：
左钻孔与水平方向夹角：顶板为砂岩、灰岩坚硬顶板时，/>取为45~60°；顶板为泥岩软弱顶板时，/>取为30~45°；
右钻孔与水平方向夹角计算方法：/>；
组内钻孔间距d确定方法与顶板的硬度系数f有关。
2.根据权利要求1所述的机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，其特征在于：左右摆动座上设置有角度平衡仪。
3.根据权利要求1所述的机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，其特征在于：液压系统与钻臂前后滑移油缸、钻臂前后摆动油缸、钻臂左右摆动油缸、钻臂扭转油缸连接。
4.根据权利要求1所述的机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，其特征在于：钻臂上均安装有滑移胀裂器，液压系统与滑移胀裂器连接。
5.根据权利要求2所述的机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，其特征在于：步骤三中，利用布设在采掘巷道内的智能定向钻胀机，调整角度平衡仪，精确调整定向钻臂角度，在煤岩顶板上对应施工切顶孔。
6.根据权利要求5所述的机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，其特征在于：步骤四中，将滑移胀裂器的楔块组插入钻孔中，中间楔块通过液压压力的作用在两个反向楔块之间向前运动，将被劈裂的岩体按预定方向裂开。
7.根据权利要求6所述的机械式非爆破网面钻胀切顶卸压方法，其特征在于：步骤六中，距巷道一个周期来压步距范围内的工作面支架进行反复承载，反复承载次数3~5次。
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