一种用于煤矿井下深孔静力破岩法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种深孔静力破岩法，尤其是一种用于煤矿井下对处于三轴应力状态下的天然岩体进行深孔静力破岩法。
【背景技术】
[0002]在煤矿井下开采工作中，虽然机械化程度有了很大提高，但由于地质条件限制或者生产需要，经常需要深孔破岩。如深孔爆破弱化预裂综放工作面开切眼坚硬顶板，减少老顶初次来压步距；巷道内超前深孔预爆破顶板卸压等。目前，煤矿井下使用的深孔破岩方法有钻深孔装炸药爆破破岩和使用深孔注高压水胀裂、软化破岩。但这两种方法在一些具体应用中都存在安全隐患、达不到破岩要求等缺陷。
[0003]在公开文献中可以获得公开号为CN 103924956 A的“一种块煤开采用超前预裂方法”专利，煤岩体水压致裂过程实际上就是在水压驱动下微裂纹萌生、扩展、贯通，直到最后宏观裂纹产生导致失稳破裂的过程。其实质是在一段封闭的钻孔内注入50?60MPa的高压水，高压水膨胀压力使孔壁附近产生大量裂纹，使岩体中原有裂纹张开和扩展。这种水压预裂方法至少存在两个缺点。其一，岩体中包含许多天然缺陷，例如孔隙、微裂缝等，由于水的渗透性很强，在高压水力作用下，这些天然孔隙、裂隙就会成为导水通道，使高压水渗流，压力降低，达不到破岩所需力度。其二，水压致裂通过管路输送压力达50?60MPa的高压水，因此，管路连接处可能存在被冲破的危险，而一旦管路连接处被冲破，压力达到50?60MPa的高压水破坏力很大，会对周围的设备以及施工人员造成一定伤害，存在很大的安全隐患。
[0004]在公开的文献中可以获得公开号为CN 102620612 A的“一种煤矿深孔爆破法”专利，公开号为CN 103244180 A的“一种留小煤柱沿空掘巷围岩控制方法”专利，公开号为CN 103244124 A的“一种煤矿巷道工作面强制放顶卸压过空巷的方法”专利，公开号为CN103278055 A的“一种坚硬顶板深孔预裂爆破切顶卸压方法”专利。这些公开方法的主要措施都是钻深孔装入烈性炸药，利用炸药爆炸瞬间产生的巨大威力来破碎岩体。以上专利所述方法虽被广泛使用，但存在很多不足之处。炸药是瞬间爆炸，气体膨胀作用破岩，过程不易控制，炸药爆炸瞬间释放的巨大能量产生剧烈的震动，有时地表都有震感，会对煤矿井下及地面建筑物、构筑物产生一定的破坏；炸药爆炸瞬间产生冲击波和飞石，可能崩倒、崩坏周围支架和设备，造成人员伤亡，此类事件时有发生；炸药破岩还会产生粉尘、炮烟等有毒有害气体，恶化井下生产环境，危害工人身体健康；更为严重的是炸药破岩可能存在瞎炮、残爆、爆燃等不可预测的隐患。
[0005]现有技术静力破碎法，主要用于闹市区的拆除破碎工程，厂房内的混凝土基础拆除和建筑石材如大理石、花岗岩的开采等，破碎对象是处于二维应力状态下的有自由面的小范围岩体。这些应用的破碎对象范围小，处于二维应力状态且存在自由面，易于实施。在公开的文献中可以获得题为“静态胀裂剂(SCA)的研究进展”的论文，主要从破碎原理、配方组成及施工方法等方面进行了综述，评述了静态胀裂剂的研究进展和发展方向。但仅此对小范围内的混凝土、建筑石材如大理石、花岗岩的开采等进行钻孔静力破碎。
[0006]为了满足煤矿井下开采过程中所遇到的破岩需求，消除安全隐患，减少对设备以及人员的危害，迫切需要寻求一种用于煤矿井下深孔静力破岩法。
【发明内容】
[0007]基于目前煤矿井下破岩所公开和实际应用的现有技术，本发明要解决的具体技术问题是如何使用胀裂剂的膨胀压力在煤矿井下进行深孔破岩，并提供一种用于在煤矿井下安全、温和、可控而又有效的深孔静力破岩法，尤其是一种用于高瓦斯矿井的深孔静力破岩法。
[0008]实现上述本发明所提供的一种用于煤矿井下深孔静力破岩法的具体技术方案如下。
[0009]一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，其所述破岩法是按下列步骤进行的:
(1)根据被破岩体的普氏硬度系数(f)，在被破岩体上按不同结构布设主孔和辅孔: 当被破岩体是软岩f < 4时，按主辅直线结构布孔；
当被破岩体是中硬岩4 < f < 8时，按主辅菱形结构布孔；
当被破岩体是硬岩f > 8时,按主辅五花结构布孔；
(2)按孔径35?50mm,
孔距a=q2(t)/|> (0.025 σ c+0.0014)2],式中，σ。为被破岩体的单轴抗压强度，q (t)为胀裂剂随时间变化产生的膨胀压力；
孔深是按被破岩体深度减去Im计算；
孔角度是孔轴线与水平面的夹角，取25°?45°，主孔和辅孔角度相同；
(3)在主孔内装填胀裂剂，其装填方式按注浆法或药卷法装填，单孔装填时间小于30分钟；注浆法利用注浆泵通过封孔器向主孔内注浆，药卷法将胀裂剂装入长0.5m,直径比主孔直径小10_的透水袋中，浸水后装入主孔内并封孔；
(4)注浆法单孔装填胀裂剂量按下面公式计算:
Q=K131 (Φ/2)2(Η-1ι)
式中化为注衆损失系数1.1?1.2 ;Φ为钻孔直径,单位m ;Η为孔深,单位m ;h为封孔长度，0.5m ；Q为胀裂剂浆体量，单位m3;
药卷法单孔装填胀裂剂量按下面公式计算:
Q=K2 ( φ /2)2 (H-h)
式中=K2为装药不耦合系数，Φ/Φ;Φ为钻孔直径，Φ为药卷直径，单位m;H为孔深，单位m ；h为封孔长度，0.5m ；Q为胀裂剂浆体量，单位m3;
(5)当多排孔布置时，等间距布设主孔与辅孔，相邻排距按下面公式计算:
L=20k0
式中:L为同方向孔排距，单位m ; Φ为孔口直径，单位m ；k为钻孔密度调整系数0.8?
1
[0010]基于上述技术方案，进一步的附加技术方案如下。
[0011]所述胀裂剂的制备方法是按原料的质量比，其组成及其含量是:氧化钙大于90%，余量硅酸三钙、氧化镁、三氧化二铁、水合延缓剂、水硬性物质和减水剂的和小于10% ;膨胀剂与水按质量比为7:3混合，再在10分钟内搅拌成具有流动性的均匀浆体。
[0012]所述的破岩对象是处于三轴应力状态下没有自由面的天然岩体。
[0013]所述深孔静力的破碎范围在主孔和辅孔结构范围内。
[0014]实施本发明上述所提供的一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，与现有技术相比，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果在于:
本发明采用的破岩材料是煤岩胀裂剂，利用胀裂剂的热化学反应体积膨胀产生的膨胀压力来破岩，破岩过程温和、平缓、可控，不会产生剧烈震动以及冲击波、飞石，不会产生有毒有害的粉尘、炮烟，对施工环境如瓦斯、通风、煤尘等基本没有要求，施工过程简单方便，不仅安全性高，生产、运输和使用不受安全条例制约，而且由于破岩材料胀裂剂的主要成分是CaO，成本与炸药相比很低，在安全与经济效益方面具有明显突出优势，是常规爆破方法乃至控制爆破方法无法实现的一种新型煤矿井下深孔破岩方法。
【附图说明】
[0015]图1是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的主辅直线结构布孔图。
[0016]图2是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的主辅菱形结构布孔图。
[0017]图3是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的主辅五花结构布孔图。
[0018]图4是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的直线钻孔结构及装药示意图。
[0019]图5是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的直线钻孔结构及破碎示意图。
[0020]图6是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的沿空留巷顶板卸压示意图。
[0021]图7是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的沿空留巷顶板卸压剖面图。
[0022]图8是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的沿空留巷顶板卸压直线钻孔剖面图。
[0023]图9是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的沿空留巷深孔静力破岩卸压后示意图。
[0024]图10是本发明煤矿井下深孔静力破岩法的工作面初采前顶板预裂示意图。
[0025]图中:1:主孔；2:辅孔；3:封孔器；4:破碎区；5:上区段工作面运输巷道；6:上区段工作面采空区；7:上区段回采工作面；8:上区段工作面回风巷道；9:上区段工作面巷旁支护体；10:下区段工作面运输巷道；11:下区段回采工作面；12:下区段工作面回风巷道；13:下区段工作面巷旁支护体；14:下区段工作面外错尾巷；15:下区段工作面开切眼；16:实体煤；17:沿空巷道；18:巷旁支护体；19:开切眼；20:运输巷道；21:回风巷道。
【具体实施方式】
[0026]下面对本发明的【具体实施方式】作出进一步的说明。
[0027]实施本发明所提供的一种用于煤矿井下深孔静力破岩法，该破岩法的实施对象是在煤矿井下处于三轴应力状态下的天然岩体，此深孔静力破岩法的破碎范围是在主孔和辅孔结构范围内。该破岩方法是按下列步骤进行的:
步骤一、实验测定被破岩体的普氏硬度系数(f)，如被破岩体的普氏硬度系数f < 4，在被破岩体上按主辅直线结构布孔；如被破岩体的普氏硬度系数4 < f < 8，在被破岩体上按主辅菱形结构布孔；如被破岩体的普氏硬度系数f > 8，在被破岩体上按主辅五花结构布孔；
步骤二、主辅直线结构布孔时，孔径取35?40 mm ;主辅菱形结构布孔时，孔径取41?45 mm ;主辅五花结构布孔时,孔径取46?50 mm ； 孔距按Β=(?2α)/[π (0.025 O c+0.0014)2]计算，式中，σ。为被破岩体的单轴抗压强度，q(t)为胀裂剂随时间变化产生的膨胀压力；
孔深按被破岩体深度减去Im计算；
孔角度是孔轴线与水平面的夹角，取25°?45°，主孔和辅孔角度相同；
步骤三、主孔和辅孔按计算的参数钻出