本发明主要涉及采矿、岩土及边坡工程技术领域，尤其是涉及一种端头坚硬完整性顶板化学膨胀压裂卸压方法。
背景技术：
采动衍生灾害是伴随着采动应力迁移和顶板运动演化的力学行为，保障矿井生产中的安全，高效开采是西北煤炭工业可持续发展的必由之路，综观国内外，特别是对采动煤岩衍生灾害机制的评价及防治研究一直非常重视并积极寻找各种方法解决。近些年，随着煤矿井下巷道支护强度和广度不断加大，工作面端头坚硬完整性较好的直接顶悬顶衍生灾害问题成为煤矿顶板管理中的薄弱环节，制约了工作面安全开采与快速推进及开采的整体水平。
一般来讲，在端头顶板相对坚硬而完整的情况下，即使将锚索(杆)应力解除，有时不能对顶板的垮落起主要作用，工作面回采过后，及时将锚索和锚杆解除，顶板仍不垮落。当端头直接顶难以跨落时，井下一般实施低位密集式强制放顶孔卸压措施，主要将顶板打碎，但效果并不理想，而且施工起来工程量较大，劳动强度、成本及工程量也较高。直接顶不能垮落，易造成端头隅角顶板大面积悬空，上覆老顶也随之不能较好的回转下沉，将荷载直接传递于低位直接顶，增大了对相邻巷道支承压力传导。这些突出的顶板动力问题对矿井安全高效开采提出严峻挑战。
关于坚硬、完整性顶板的卸压方法，国内常见的方法主要有采后两巷断顶法、小孔径浅孔放顶法、采前深孔预裂爆破、co2爆破至裂、高压水压裂以及注水软化至裂等方法，每种方法均有优缺点和适用性。化学膨胀压裂坚硬完整性顶板作为煤矿绿色卸压技术，成本较低，安全问题可控，井下方便作业。目前，如何将化学膨胀压裂坚硬完整性顶板应用在高瓦斯矿井瓦斯抽放和坚硬完整性顶板膨胀压裂中是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于弥补上述不足，提供一种端头坚硬完整性顶板化学膨胀压裂卸压方法，本发明具有井下操作工程量小，劳动强度低、成本低和压裂效果好的特点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种端头坚硬完整性顶板化学膨胀压裂卸压方法，包括以下步骤：
步骤一：在超前工作面沿巷道轴向间隔开设一排顶板压裂孔；
步骤二：每个顶板压裂孔沿巷道轴向在前后方向均开设临空钻孔，临空钻孔的轴线与顶板压裂孔的轴线平行；
步骤三：将压裂效果检测设备设置在第一个顶板压裂孔对应的临空钻孔内，再将带有止浆塞的高压注浆管伸进第一个顶板压裂孔中，向第一个顶板压裂孔注入膨胀浆液，第一个顶板压裂孔为沿着巷道轴向开设的第一个顶板压裂孔；
步骤四，注浆完成后，取出高压注浆管，将止浆塞留在顶板压裂孔中；
步骤五：在顶板压裂孔的孔口注入封孔胶进行封孔；
步骤六，通过压裂效果检测设备观测临空钻孔内的压裂情况，当压裂效果检测设备检测到已开始膨胀压裂后，取出压裂效果检测设备；
步骤七，对下一个顶板压裂孔重复进行步骤三至步骤六，直至所有顶板压裂孔将步骤三至步骤六重复完成。
所述步骤一中，在超前工作面沿巷道轴向每间隔10～20m开设一个顶板压裂孔，孔径为60～75cm。
顶板压裂孔向实体煤侧倾斜20°～45°，顶板压裂孔的孔深为20～40m。
顶板压裂孔的孔口位置距离实体煤侧上方顶板50～100cm。
临空钻孔的孔口与顶板压裂孔的孔口之间的间距为30～70cm。
压裂效果检测设备包括钻孔应力计和钻孔摄像仪，钻孔应力计和钻孔摄像仪分别设置在每个顶板压裂孔前后方向对应的临空钻孔内。
钻孔应力计的个数为1～3个，当钻孔应力计为1个时，钻孔应力计设置在临空钻孔沿孔深方向的中部；当钻孔应力计为2个时，在临空钻孔的上半段和下半段的中部各设置一个钻孔应力计；当钻孔应力计为3个时，临空钻孔沿孔深方向的三分之一段、三分之二段和最上段的中部各设置一个钻孔应力计。
所述步骤六中，当钻孔应力计检测到的应力达到预设的应力值，以及钻孔摄像仪检测到临空钻孔内产生压裂裂纹后，取出钻孔应力计和钻孔摄像仪。
所述步骤三中，膨胀浆液由化学膨胀材料和纯水按照(2.5～3.5):1混合制备而成，化学膨胀材料为静态破碎剂，制备膨胀浆液时，静态破碎剂与水混合后搅拌1～2min，得到膨胀浆液，注入膨胀浆液时，流量为50～110l/min，时间为2～5min。
采用液压钻机开设顶板压裂孔和临空钻孔，高压注浆管伸进顶板压裂孔内的位置为距离孔口500～1000mm处。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在超前工作面沿巷道轴向间隔开设一排顶板压裂孔，每个顶板压裂孔沿巷道轴向在前后方向均开设临空钻孔，将压裂效果检测设备设置在第一个顶板压裂孔对应的临空钻孔内，再将带有止浆塞的高压注浆管伸进第一个顶板压裂孔中，向第一个顶板压裂孔注入膨胀浆液，注浆完成后，取出高压注浆管，将止浆塞留在顶板压裂孔中并在顶板压裂孔的孔口注入封孔胶进行封孔，通过压裂效果检测设备观测临空钻孔内的压裂情况，当压裂效果检测设备检测到已开始膨胀压裂后，取出压裂效果检测设备，本发明利用化学材料与水结合产生化学反应，借助反应中形成的体积膨胀力作用对煤矿井下端头坚硬完整性顶板进行膨胀压裂，能够解决端头隅角顶板大面积悬空和放顶难问题，降低隅角顶板大面积回转对相邻巷道支承压力传导强度。本发明相比于密集式强制放顶法，井下操作具有工程量小，劳动强度低、成本低、压裂效果好等特点，实际应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明端头坚硬完整性顶板化学膨胀压裂卸压方法的施工流程图。
图2为本发明所使用的装置组成图。
图3为本发明现场施工的巷道剖面示意图。
图4为本发明钻孔布置及卸压效果检测装置示意图。
图中：1-打孔装备，2-搅拌-注浆设备，3-钻孔作业规程，4-止浆塞，5-快速封孔装置，6-压裂效果检测装置，7-顶板压裂孔，8-止浆塞，9-高压注浆管，10-液压钻机，11-搅拌-注浆一体泵，12-胶枪，13-防爆电子秤，14-临空钻孔，15-钻孔摄像仪，16-钻孔应力计，17-端头顶板，18-煤体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的端头坚硬完整性顶板化学膨胀压裂卸压方法，包括以下步骤：
步骤一：人员、设备、材料提前检查准备齐整，在超前工作面沿巷道轴向间隔采用液压钻机10开设一排顶板压裂孔7，相邻顶板压裂孔7之间的距离为10～20m，顶板压裂孔7向顶板深部实体煤侧倾斜20°～45°，顶板压裂孔7的孔口位置距离实体煤侧上方顶板50～100cm，顶板压裂孔7的孔径为60～75cm，孔深为20～40m；
步骤二：每个顶板压裂孔7沿巷道轴向在前后方向均采用液压钻机开设一个临空钻孔14，临空钻孔14的轴线与顶板压裂孔7的轴线平行，临空钻孔14的孔口与顶板压裂孔7的孔口之间的间距为30～70cm；
步骤三：压裂效果检测设备6包括钻孔应力计16和钻孔摄像仪15，钻孔应力计16和钻孔摄像仪15分别设置在每个顶板压裂孔7前后方向对应的临空钻孔14内；配制膨胀浆液，将静态破碎剂和工业水(工业水选用的是纯水)按照(2.5～3.5):1混合，搅拌1～2min，得到膨胀浆液，一次搅拌容量至少80～220l，工业静态破碎剂为石灰系硅酸盐无机化合物，适用温度范围为-5～40℃，膨胀压力为30～90mpa；再将带有止浆塞8的高压注浆管9伸进第一个顶板压裂孔7中，高压注浆管9伸进顶板压裂孔7内的位置为距离孔口500～1000mm处，第一个顶板压裂孔7为沿着巷道轴向开设的第一个顶板压裂孔7，向第一个顶板压裂孔7注入膨胀浆液，注浆流量为50～110l/min，时间为2～5min；
步骤四，当注浆泵压力表超过正常注浆压力或者注浆终量变小时，停止注浆，取出高压注浆管9，将止浆塞8留在顶板压裂孔7中；
步骤五：接着立即开展胶体封孔工作，采用胶枪12将封孔胶注入顶板压裂孔7的孔口，快速完成封孔工作；
步骤六，待本压裂孔内化学浆液到达预定的反应时间后，观测临空钻孔14内的压裂情况；当钻孔应力计16检测到的应力达到预设的应力值，以及钻孔摄像仪15检测到临空钻孔14内产生压裂裂纹后，取出钻孔应力计16和钻孔摄像仪15，钻孔摄像仪15在膨胀压裂工作完成前后，沿压裂孔内各测试一次，观测方式为整孔移动摄像窥视；在观测过程中，密切持续关注临空钻孔14内的压裂效果检测仪器读数，并注意顶板压裂孔7孔口的密封性，防止孔口发生意外喷孔；
步骤七，对下一个顶板压裂孔7重复进行步骤三至步骤六，直至所有顶板压裂孔7将步骤三至步骤六重复完成。
结合图3和图4，钻孔应力计16的个数为1～3个，当钻孔应力计16为1个时，钻孔应力计16设置在临空钻孔14沿孔深方向的中部；当钻孔应力计16为2个时，在临空钻孔14的上半段和下半段的中部各设置一个钻孔应力计16；当钻孔应力计16为3个时，临空钻孔14沿孔深方向的三分之一段、三分之二段和最上段的中部各设置一个钻孔应力计16。
如图3，搅拌与注浆一体泵11与高压注浆管9连接，搅拌与注浆一体泵11侧接口用螺丝卡口拧紧，出浆口套接止浆塞8，高压注浆管9钢管部分长度为1.5m。
打孔装备主要包括液压坑道钻机(包括履带式)、钻杆及钻头，钻头直径要求为56mm或73mm等工程标准钻头。止浆塞与高压注浆管9紧密连接，并需有一定的粘结力。快速封孔装置主要包括胶枪和快速强力封孔胶。快速强力封孔胶安装在胶枪上，通过胶枪强劲的挤压力将封孔胶压入孔口附近，起到快速、强力封孔目的。
参见图2和图3，用于实施本发明的端头坚硬完整性顶板化学膨胀压裂卸压方法的设备包括：打孔装备1、搅拌-注浆设备2、钻孔作业规程3、第一止浆塞4、快速封孔装置5、胶枪12、防爆电子秤13以及压裂效果检测装置6。