CN113123790B - 一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法，属于采矿工程矿山压力与岩层控制技术领域，可解决煤矿井下长壁回采工作面回采后沿采场周边顶板形成悬臂岩体梁难以垮落的问题。本发明是通过在顶板悬臂岩体梁按预设计断裂线布置钻孔，钻孔内安置液爆管（管状橡胶囊）注入高压乳化液膨胀做功，高压乳化液的循环脉动压力形成脉动“捶击力”，使顶板岩体按设计顶板断裂线形成断裂缝，属于抽伸作用原理，从而使顶板岩体沿断裂缝断裂失稳垮落，达到强制切断悬臂梁传导应力之目的。本发明装置结构简单、安装方便、安全可靠，可广泛推广。
Description
技术领域
本发明属于采矿工程矿山压力与岩层控制技术领域，具体涉及一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法。
背景技术
煤矿井下长壁回采工作面回采后，沿采场周边顶板垮落带（层）形成悬臂岩体梁，其重力及上覆岩层应力通过悬臂梁传导作用在采场周边形成应力集中带，对采场周边的采掘活动带来极大危害。通常采用增大煤柱的方法加以解决但易造成资源损失。目前多采用切顶卸压的方法切断悬臂梁，阻断应力传导。回采工作垮落带若为坚硬顶板岩层时极易形成大面积垂悬顶，易发生整体垮落，造成灾难性事件，需要采取强制放顶的方法得以解决。放顶煤综采工作面在初次顶板来压之前不能进行放顶煤作业，造成资源损失，仍需采用强制放顶得以解决。为了切实有效的避免安全事故，需要安全可靠、效果更佳的解决方法。
现阶段控制悬臂梁顶板垮落的方法主要有******法和水压致裂法。聚能管***超前预裂***与水压超前预裂均在原岩体中进行。***预裂***为瞬时做功，作用能量要在克服岩体的抗压强度之后才能产生裂隙，而且所形成的裂隙不完整，只是由于形成了部***隙，削弱了岩体断裂面（设计断裂线）的完整性和整体抗压强度。******使用双向聚能管，在***瞬间沿聚能穴产生***能量切线切割岩体产生切缝，因能量不足而需缩小***孔间距，否则切缝切不通，且若未达到效果则需要重新布置钻孔，补充***。聚能管的安装精度要求高，双向聚能管安装时必须与设计切顶线一致，且聚能管需逐根对接送入，最后炮泥封孔，安装工序繁琐。切顶卸压***孔的高度要大于顶板冒落带的高度，而在高瓦斯矿井使用******则需要采取防治瓦斯相应措施；水压预裂在形成部***隙后，采用保压注水克服岩体的抗剪切强度加宽加深裂隙，一旦形成通道注水压力就消失，其作用力随之消失。且水压预裂在施工钻孔时需使用特制钻头，在孔内进行横向切槽，同时还需配高压力水泵监测设备，施工复杂，投入费用高。
发明内容
本发明针对工作面采场周边顶板形成悬臂岩体梁难以垮落的问题，提供一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法。
本发明采用如下技术方案：
一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法，包括如下步骤：
第一步，在回采工作面端头回采巷道顶板按照设计断裂线布置施工钻孔，并使用静压水自孔底向孔口反复冲洗，孔内不得残留岩渣，以防扎破液爆管；
第二步，将液爆管送入钻孔内，液爆管的一端顶死钻孔底部，液爆管的另一端连接液爆注液管，液爆注液管伸出钻孔孔口；
第三步，将封孔管送入钻孔内，封孔管的一端顶死液爆管设有液爆注液管的一端，封孔管的另一端连接封孔注液管，封孔注液管伸出钻孔孔口；
第四步，液爆注液管和封孔注液管与乳化液泵站的注液管连接，先给封孔管注入高压乳化液，达到设计压力后关闭封孔管的注液阀门，封孔管注入高压乳化液膨胀后压住液爆注液管，封孔管的端部顶住液爆管，阻止液爆管伸长或破损崩出；
第五步，打开液爆管的注液阀门，向液爆管内注入高压乳化液，达到设计压力后关闭液爆管的注液阀门；
第六步，高压乳化液膨胀做功，高压乳化液的循环脉动压力形成脉动“捶击力”，由膨胀与锤击力共同产生撞楔作用克服岩体的抗拉强度，形成断裂缝，顶板岩体沿断裂缝断裂失稳垮落，达到强制切断悬臂梁传导应力之目的。
第一步中所述钻孔布置在工作面后方悬臂梁顶板，钻孔方向与顶板夹角为60°，向远离工作面的方向倾斜。
第一步中所述钻孔的孔距和直径根据顶板岩体单轴抗压强度确定，岩体单轴抗压强度低于70MPa时，孔径采用φ42mm，孔距6m；单轴抗压强度大于70MPa但小于120MPa时，孔径采用φ60mm，孔距5m；单轴抗压强度大于120MPa时，孔径采用φ80mm，孔距4m。
所述液爆管和封孔管均为耐酸防腐的橡胶管，膨胀率不小于12%，大于15%时不破裂，液爆管的直径与钻孔直径相同，长度为钻孔深度的1/3，封孔管的直径小于液爆管的直径，长度为钻孔深度的2/3。
所述液爆管的两端分别设有橡胶垫层，其中，连接有液爆注液管的一端的橡胶垫层的数量为两个，另一端的橡胶垫层的数量为一个，橡胶垫层的直径与液爆管的直径相同，橡胶垫层的两侧分别设有钢板。
所述封孔管的两端分别设有橡胶垫层，数量均为两个，橡胶垫层的两侧分别设有钢板，封孔管内设有钢绞线，钢绞线的一端与封孔管一端最外侧的橡胶垫层内侧的钢板连接，另一端依次穿过中间两个橡胶垫层的钢板后，与封孔管另一端的橡胶垫层内侧的钢板连接，封孔管的直径小于液爆管的直径。
本发明的原理如下：
1．液爆原理：悬臂岩体梁其状态处于自然极限崩落状态，岩体力学中称之为弹性状态。处于弹性状态的岩体悬臂梁自支撑煤柱起沿崩落角往上至岩体悬臂梁上端面，其自重与上覆岩层的压力共同作用与断裂的拉伸自作用力自下而上呈逐步增大现象，因此在其沿崩落角方向的上部施以外力最容易破坏岩体悬臂梁的弹性状态，使其断裂崩落。同时岩体力学论证同一岩体随崩落角变小，其抗拉强度越小越容易断裂。钻孔内安置液爆管注入高压乳化液膨胀做功，使顶板岩体按设计顶板断裂线形成断裂缝，属于抽伸作用原理，从而使顶板岩体沿断裂缝断裂失稳垮落，达到强制切断悬臂梁传导应力之目的。
2．可塑性原理：利用岩体的可塑性原理沿设计岩体断裂线均匀布置液爆钻孔，实施液爆作业，使其沿断裂线形成裂缝断裂。
3．膨胀力作用原理（克服抗拉强度）：钻孔内安置液爆管，注入高压乳化液后液爆管膨胀做功于钻孔周围，使得岩体胀裂。目前煤矿井下综采工作面乳化液泵提供的乳化液公称压强为30MPa，因此液爆管膨胀后产生的压力是巨大的。
φ42mm孔：4.2cm×3.14×100cm×30MPa=3956.4kN；
φ60mm孔：6.0cm×3.14×100cm×30MPa=5652kN；
φ80imn孔：8.0cm×3.14×100cm×30MPa=7536kN；
按照总膨胀力一半作用于原岩体，一半作用于悬臂梁体克服抗拉强度使用断裂考虑。膨胀力延米即为φ42mm孔1978.2kN，φ60mm孔2826kN，φ80mm孔3768kN。
4. 捶击力作用原理（动能量）：煤矿井下综采工作面乳化液泵通常采用径向注塞泵，工作时提供的乳化液有循环脉动压力，其压力为30MPa。乳化液泵站通常采用五缸径向注塞泵，转速650转/min，即产生3250次/min脉动压，形成高频率脉动“捶击力”。与膨胀形成合力共同克服抗拉强度。
脉动压力频率650转/min÷60s×5缸=54.17次/s；
冲程单位时间1÷54.17=0.0185s/次；
冲程速度0.066m÷2÷0.0185s/次=7.135m/s；
则延米捶击力（动能量）为：
φ42mm孔：1978.2kN×7.135m/s=14114kN·m/s；
φ60mm孔：2826kN×7.135m/s=20163kN·m/s；
φ80mm孔：3768kN×7.135m/s=26884kN·m/s。
本发明的有益效果如下：
1. 液爆法是在岩处于悬臂梁的弹性状态时，仅克服岩体的抗拉强度，直接形成断裂缝，所用能量小，岩体断裂更加容易，且能形成完整裂缝；
2. 液爆管除利用产生巨大动能量，充分利用岩石抗压不抗拉的特性，由膨胀与锤击力共同产生撞楔作用“拉”岩石，形成裂缝，属于对岩体产生抽伸作用原理，并且可以减少布置***孔的数量；
3. 液爆管可持续注入高压乳化液，脉动压力产生的锤击撞楔作用随着橡胶管膨胀直径逐渐增大，而乳化液公称压强不变，其作用力成比例增大；
4. 液爆法工序简单、投入费用低，液爆管安装方便，一次性将管送入孔底注液即可；
5. 可靠性强，安全度高，适用范围广，可在高瓦斯矿井使用；
6. 爆液效果不需另布钻孔检验，可实现动态监测。
附图说明
图1为悬臂梁顶板结构示意图；
图2为钻孔布置平面图；
图3为钻孔布置剖面图；
图4为液爆管安装示意图；
图5为液爆管结构示意图；
图6为封孔管结构示意图；
其中：1-悬臂梁顶板；2-工作面；3-钻孔；4-液爆管；5-液爆注液管；6-封孔管；7-封孔注液管；8-橡胶管；9-橡胶垫层；10-钢板；11-钢绞线。
具体实施方式
结合附图，对本发明做进一步说明。
利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法，包括钻孔、液爆管、液爆注液管、封孔管、封孔注液管、乳化液泵等装置。
所述钻孔倾角60°，孔距和钻孔直径根据顶板岩体单轴抗压强度确定，岩体单轴抗压强度低于70MPa时孔径采用φ42mm，孔距6m；单轴抗压强度大于70MPa但小于120MPa时孔径采用φ60mm，孔距5m；单轴抗压强度大于120MPa时孔径采用φ80mm，孔距4m；
所述液爆管材质为耐酸防腐蚀的橡胶材料，橡胶管的膨胀率应不小于12%，大于15%时不破裂，直径与钻孔直径相同，长度为钻孔深度的1/3。液爆注液管与综采工作面液压管路制作标准一致，管路接头通用，选用φ10高压液管。
所述封孔管长度为钻孔深度的2/3，内设钢绞线，钢绞线穿孔封孔管两侧的钢板并焊接。封孔管其他材质要求同液爆管。
所述乳化液泵站采用BRW400/31.5NB型煤矿用五缸径向注塞泵，其参数为：缸数5个，柱塞行程66mm，，公称压强30MPa，转速650转/min，即产生3250次/min脉动压，形成高频率脉动“捶击力”。
如图1所示，悬臂梁顶板结构示意图。工作面回采后，沿采场周边顶板垮落带（层）形成悬臂岩体梁，其状态处于自然极限崩落状态，岩体力学中称之为弹性状态。处于弹性状态的岩体悬臂梁自支撑煤柱起沿崩落角往上至岩体悬臂梁上端面，其自重与上覆岩层的压力共同作用与断裂的拉伸自作用力自下而上呈逐步增大现象，因此在其沿崩落角方向的上部施以外力最容易破坏岩体悬臂梁的弹性状态，使其断裂崩落。同时岩体力学论证同一岩体随崩落角变小，其抗拉强度越小越容易断裂。
如图2所示，钻孔布置平面图。钻孔布置在工作面后方悬臂梁顶板，孔距和钻孔直径根据顶板岩体单轴抗压强度确定，岩体单轴抗压强度低于70MPa时孔径采用φ42mm，孔距6m；单轴抗压强度大于70MPa但小于120MPa时孔径采用φ60mm，孔距5m；单轴抗压强度大于120MPa时孔径采用φ80mm，孔距4m。
如图3所示，钻孔布置剖面图。钻孔方向与顶板夹角为60°，向远离工作面的方向倾斜。
如图4所示，液爆管安装示意图。安装时液爆管顶死钻孔底部，液爆注液管伸出钻孔孔口。封孔管顶死液爆管，不留液爆管可伸长空间，封孔注液管伸出钻孔孔口。
如图5所示，液爆管结构示意图，L1组件和L2组件分别表示橡胶垫层，L1组件和L2组件直径与橡胶管直径相等。L1组件橡胶垫与液爆注液管一同压制，L2橡胶垫属增厚部位，防止孔底尖石扎伤。橡胶材料要耐酸防腐蚀，橡胶管的膨胀率应不小于12%，大于15%时不破裂。液爆注液管与综采工作面液压管路制作标准一致，管路接头通用，选用φ10高压液管。
如图6所示，封孔管结构示意图，L3组件与L4组件分别表示橡胶垫层，组件L3与L4直径要小于橡胶管直径，确保安装时留足液爆注液管位置空间。注液管与组件L3压制于一体，不易拽出。L3与L4组件通过加工与橡胶管粘接牢固，不易破裂，钢板与橡胶垫有机结合，钢绞线穿孔钢板且两侧焊接。钢绞线破断拉力不低于轴向理论伸长拉力的5倍，保证封孔管注液时不伸长，迫使橡胶管膨胀。橡胶管直径应与配套使用的液爆管直径（液暴孔施钻头直径）相等。其他与液爆管的功能和制作设计相关内容一致。
一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法，包括如下步骤：
第一步，在回采工作面端头回采巷道顶板按照设计断裂线布置施工钻孔，并使用静压水自孔底向孔口反复冲洗，孔内不得残留岩渣，以防扎破液爆管；
第二步，将液爆管送入钻孔内，液爆管的一端顶死钻孔底部，液爆管的另一端连接液爆注液管，液爆注液管伸出钻孔孔口；
第三步，将封孔管送入钻孔内，封孔管的一端顶死液爆管设有液爆注液管的一端，封孔管的另一端连接封孔注液管，封孔注液管伸出钻孔孔口；
第四步，液爆注液管和封孔注液管与乳化液泵站的注液管连接，先给封孔管注入高压乳化液，达到设计压力后关闭封孔管的注液阀门，封孔管注入高压乳化液膨胀后压住液爆注液管，封孔管的端部顶住液爆管，阻止液爆管伸长或破损崩出；
第五步，打开液爆管的注液阀门，向液爆管内注入高压乳化液，达到设计压力后关闭液爆管的注液阀门；
第六步，高压乳化液膨胀做功，高压乳化液的循环脉动压力形成脉动“捶击力”，由膨胀与锤击力共同产生撞楔作用克服岩体的抗拉强度，形成断裂缝，顶板岩体沿断裂缝断裂失稳垮落，达到强制切断悬臂梁传导应力之目的。
Claims (5)
1.一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，在回采工作面端头回采巷道顶板按照设计断裂线布置施工钻孔，并使用静压水自孔底向孔口反复冲洗，孔内不得残留岩渣，以防扎破液爆管；
所述钻孔布置在工作面后方悬臂梁顶板，钻孔方向与顶板夹角为60°，向远离工作面的方向倾斜；
第二步，将液爆管送入钻孔内，液爆管的一端顶死钻孔底部，液爆管的另一端连接液爆注液管，液爆注液管伸出钻孔孔口；
第三步，将封孔管送入钻孔内，封孔管的一端顶死液爆管设有液爆注液管的一端，封孔管的另一端连接封孔注液管，封孔注液管伸出钻孔孔口；
第四步，液爆注液管和封孔注液管与乳化液泵站的注液管连接，先给封孔管注入高压乳化液，达到设计压力后关闭封孔管的注液阀门，封孔管注入高压乳化液膨胀后压住液爆注液管，封孔管的端部顶住液爆管，阻止液爆管伸长或破损崩出；
第五步，打开液爆管的注液阀门，向液爆管内注入高压乳化液，达到设计压力后关闭液爆管的注液阀门；
第六步，高压乳化液膨胀做功，高压乳化液的循环脉动压力形成脉动“捶击力”，由膨胀与锤击力共同产生撞楔作用克服岩体的抗拉强度，形成断裂缝，顶板岩体沿断裂缝断裂失稳垮落，达到强制切断悬臂梁传导应力之目的。
2.根据权利要求1所述的一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法，其特征在于：第一步中所述钻孔的孔距和直径根据顶板岩体单轴抗压强度确定，岩体单轴抗压强度低于70MPa时，孔径采用φ42mm，孔距6m；单轴抗压强度大于70MPa但小于120MPa时，孔径采用φ60mm，孔距5m；单轴抗压强度大于120MPa时，孔径采用φ80mm，孔距4m。
3.根据权利要求1所述的一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法，其特征在于：所述液爆管和封孔管均为耐酸防腐的橡胶管，膨胀率不小于12%，大于15%时不破裂，液爆管的直径与钻孔直径相同，长度为钻孔深度的1/3，封孔管的直径小于液爆管的直径，长度为钻孔深度的2/3。
4.根据权利要求1所述的一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法，其特征在于：所述液爆管的两端分别设有橡胶垫层，其中，连接有液爆注液管的一端的橡胶垫层的数量为两个，另一端的橡胶垫层的数量为一个，橡胶垫层的直径与液爆管的直径相同，橡胶垫层的两侧分别设有钢板。
5.根据权利要求1所述的一种利用液爆控制悬臂梁顶板垮落的方法，其特征在于：所述封孔管的两端分别设有橡胶垫层，数量均为两个，橡胶垫层的两侧分别设有钢板，封孔管内设有钢绞线，钢绞线的一端与封孔管一端最外侧的橡胶垫层内侧的钢板连接，另一端依次穿过中间两个橡胶垫层的钢板后，与封孔管另一端的橡胶垫层内侧的钢板连接，封孔管的直径小于液爆管的直径。
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