水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法及致裂装置与流程

本发明属于巷道掘进技术领域，具体涉及一种水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法及致裂装置。

背景技术：

在煤炭开采的过程中，有时难免会遇到坚硬的煤岩，此时采用常规的机械采煤无法满足要求，必须先采用松动、破裂的方式以降低顶煤强度，然后再进行机械开采。经过对现有技术文献检索发现，中国专利申请号201610500132.x，发明名称：一种水压致裂分段爆破快速掘进巷道的方法，公开号cn106150507a，该专利自述为：本发明专利涉及一种矿井下硬岩中巷道快速掘进的方法，包括以下步骤：(1)在超前掘进面上钻5个与掘进面方向相平行的钻孔，外边四个钻孔的布置方式呈现棱形布置，最后一个孔位于棱形中间布置，并在所述钻孔中由钻孔的孔底依次向孔口开设若干个楔形环槽，每个楔形环槽相隔一定的距离；(2)将注水封孔器连通于高压管及高压水泵，由孔底依次逐个将每个楔形环槽进行预裂，在高压预裂过程中，要对水压实时监测；(3)对所述呈菱形设置的四个孔装药，所述装药的层数与楔形环槽的个数相等，所述装药的位置是在任意两个所述楔形环槽的中间位置，所述装药的步骤是将药卷送入孔内紧密相连，后再送入炮泥压实，完成第一层装药，再重复以上步骤，直至所有的钻孔装满，完成装药后，用炮泥进行封孔，连接爆破网络，采用毫秒爆破进行施爆；(4)向中间的钻孔注入相应的化学溶液，实现快速掘进巷道。

现有技术方案存在的主要缺点是在掘进面布设的5个钻孔装药爆破难以控制开挖面的轮廓形状，同时极有可能出现欠挖的现象，极大地影响了掘进速度，从而增加了施工成本。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法及致裂装置，以较好地控制裂纹的扩展方向，率先在隧道工作轮廓面形成一道宽大裂缝，将开采区和非开采区分离开，有效地防治其他方向裂纹的扩展，同时将初步水压致裂、定向爆破致裂、再次水压致裂相结合，极大地提高了裂纹扩展深度和宽度，使得硬质煤岩变得更加松散，既便于开采，又能提升煤层的透气性；另外本发明在整个爆破孔长度上可以设置多段该种致裂装置，并分段进行密封，可以多段爆破装置同时起爆，实现毫秒延时爆破，从而实现对煤岩体的多次扰动。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法，该方法包括步骤：

s1，沿煤岩工作面周边钻设轮廓爆破孔，在轮廓爆破孔中放入一段或多段致裂装置，将所述致裂装置中的x聚能槽的开口方向沿着工作面外围轮廓面设置，y聚能槽的方向朝向工作面内；

s2，向所述轮廓爆破孔中通入压力致裂水至煤岩出现明显裂纹时，停止注水；致裂水的压力以能够抵抗地应力和破裂煤岩体为准，以便于使爆破孔产生裂纹。

s3，引爆放置于所述轮廓爆破孔中的致裂装置，使煤岩中的裂纹进一步扩大，形成裂缝；

s4，向引爆后的所述轮廓爆破孔内通入压力致裂水，使s3中形成的裂缝进一步扩展；

s5，检查工作面煤岩的破碎程度并进行机械开采，具体如下：

s5a，当煤岩破碎程度满足机械开采要求时，直接进行机械开采；

s5b，当煤岩破碎程度不满足机械开采要求时，在煤岩工作面中部进行破碎爆破至满足机械开采要求，并进行机械开采。

在如上所述的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法中，作为优选方案，s5b具体包括：

s5b1，在煤岩工作面中部钻设破碎爆破孔，并在所述破碎爆破孔内放置致裂装置，该致裂装置上不设x聚能槽和y聚能槽；

s5b2，向放置有致裂装置的破碎爆破孔内通入压力致裂水，至煤岩出现明显裂纹时停止注水；

s5b3，引爆安放置于破碎爆破孔内的致裂装置。

在如上所述的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法中，作为优选方案，s5b还包括：s5b4，检查工作面煤岩的破碎程度；当工作面煤岩的破碎程度满足机械开采要求时直接进行机械开采；当破碎程度不满足机械开采要求时，向破碎爆破孔内通入压力致裂水进行进一步压力致裂。

在如上所述的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法中，作为优选方案，所述s3中的爆破采用自轮廓爆破孔口至孔底的分段毫秒延时爆破，以实现对煤岩的多次扰动。

在如上所述的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法中，作为优选方案，所述轮廓爆破孔的深度大于所述破碎爆破孔的深度。

本发明还提供一种水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进致裂装置，该致裂装置具体包括水致裂设备和爆破设备；所述水致裂设备包括封孔装置、高压导流管和高压水泵站，所述封孔装置设置在煤孔内，封孔装置将煤孔内部封闭为密闭腔体，所述高压导流管的一端与所述密闭腔体连通，另一端与所述高压水泵站连接，高压水泵站用于向所述密闭腔体内通入压力致裂水；所述爆破设备包括爆破装置和起爆装置，所述爆破装置设置在煤孔内，爆破装置通过电雷管脚线与所述起爆装置连接；所述爆破装置包括承压爆破管、炸药和电雷管，所述承压爆破管为密闭腔体，所述承压爆破管可承受的外界压强大于压力致裂水的压强，炸药和电雷管密闭填装在所述承压爆破管内，所述承压爆破管的侧壁设置有沿所述承压爆破管长度方向的v型内凹槽，分别为y聚能槽和x聚能槽，所述x聚能槽和所述y聚能槽的开口中心线位于所述承压爆破管的中心线上。

在如上所述的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进致裂装置中，作为优选方案，所述x聚能槽有两个，两个所述x聚能槽位于所述承压爆破管截面的同一直径上，且开口方向相向；优选地，所述y聚能槽的开口中心线与两个所述x聚能槽的连线垂直。

在如上所述的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进致裂装置中，作为优选方案，所述爆破装置还包括聚能管，所述炸药和所述电雷管设置在所述聚能管内，所述聚能管设置在所述承压爆破管内，所述聚能管的侧壁上设置有与所述x聚能槽和所述y聚能槽对应的v型槽，所述承压爆破管包括筒体和盖板，所述筒体包括筒壁与筒底，所述x聚能槽和所述y聚能槽设置在所述筒壁上，所述盖板盖设在所述筒体上，所述盖板上设置有电雷管脚线穿过孔；优选地，所述盖板上设置有凸出于所述盖板表面的连接部，所述连接部的外部轮廓与所述筒体的开口内壁尺寸相对应，安装时所述盖板的所述连接部套入所述筒体内，实现所述筒体与所述盖板的连接；优选地，所述连接部与所述筒体之间密封连接，该密封连接方式可以是胶粘连接，胶粘的目的是为了实现更好的密封。

在如上所述的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进致裂装置中，作为优选方案，所述封孔装置设置有多个，多个所述封孔装置沿所述煤孔的长度方向间隔设置，多个封孔装置将所述煤孔分为多段密闭的爆破区间，多个爆破区间分别与高压水泵站连通；多个爆破区间内分别设置有爆破装置，爆破装置分别与起爆装置连接。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

1、本发明克服了现有技术中裂缝扩展的随意性，采用先注高压水致裂、再聚能爆破加宽裂缝、最后再注高压水的复合致裂方式，使得开采工作轮廓面能够产生宽大裂缝，有效地隔离工作面开采区和非开采区，增加了未开采区煤岩的稳定性。

2、该复合致裂方式由于致裂效果好且致裂方向可控，适用于超长钻孔，大进尺地爆破施工，可以实现巷道的快速掘进。

3、本发明的致裂装置中加入聚能管可以控制大裂缝的方向和趋势。避免了现有技术中爆破产生的裂缝方向的不确定性。

4、本发明采用多段致裂装置，由外而内分段进行毫秒延时爆破，增加爆破对煤岩的扰动次数，不断地增加煤岩的松散程度，避免了现有技术爆破中产生欠挖现象而影响掘进速度，极大地提高了煤岩开采地效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例的煤岩钻孔内部致裂装置布置图；

图2为本发明实施例的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进致裂装置结构示意图；

图3为本发明实施例的爆破装置示意图；

图4为本发明实施例中进行轮廓爆破后的煤岩裂缝分布图；

图5为本发明实施例1的煤孔布置图；

图6为本发明实施例中爆破装置的截面图。

图中：1、轮廓爆破孔；2、致裂水；3、破碎爆破孔；4、封孔装置；5、高压导流管；6、高压水泵站；7、起爆装置；8、承压爆破管；801、筒体；802、盖板；803、连接部；804、电雷管脚线穿过孔；9、爆破装置；10、电雷管脚线；11、y聚能槽；12、x聚能槽；13、聚能管；14、开采区煤岩；15、非开采区煤岩。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

根据本发明的具体实施例，如图1至6所示，提供了一种水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法，包括如下步骤：

s1，沿煤岩工作面周边钻设轮廓爆破孔1，在轮廓爆破孔1中放入一段或多段致裂装置，将致裂装置中的x聚能槽12的开口方向沿着工作面外围轮廓面设置，y聚能槽11的方向朝向工作面内；轮廓爆破孔1的内径优选为φ60mm，致裂装置的外径优选为φ35mm。在本实施例中，轮廓爆破孔指的是沿工作面轮廓钻设的煤孔。

s2，向轮廓爆破孔1中通入压力致裂水2至煤岩出现明显裂纹时，停止注水；

s3，引爆放置于轮廓爆破孔1中的致裂装置；如图4所示，通过爆破使s2中水压裂产生的细微裂纹进一步扩大形成裂缝，且多个轮廓爆破孔1内的致裂装置的x聚能槽12开口方向连接形成一个轮廓，使开采区的煤岩与非开采区的煤岩之间形成一个明显的裂缝，将开采区与非开采区分离开来。在爆破过程中，由于s2中产生的裂缝和煤孔中充满有致裂水2，爆破时利用水的不可压缩性传能效率高，减少过度粉碎。该次爆破过程中y聚能槽11的开口方向朝向工作面内(即朝向开采区)，将工作面内的煤岩爆破出一些裂缝(图中只列出了聚能槽方向产生的较大裂缝，具体细小裂纹未示)。

s4，向引爆后的轮廓爆破孔1内通入压力致裂水2，使s3中形成的裂缝进一步扩展；使得煤岩的裂缝沿着聚能槽方向进一步扩展，形成较宽的水压裂缝，同时又伴随有小裂缝。通过再次水压裂，使开采区煤岩14与非开采区煤岩15之间的裂缝更宽，同时使开采区的工作面内的裂纹更宽、更多，开采区煤岩14的进一步破碎，便于后续进行机械开采。

s5，检查工作面煤岩的破碎程度并进行机械开采，具体如下：

s5a，当煤岩破碎程度满足机械开采要求时，直接进行机械开采；

s5b，当煤岩破碎程度不满足机械开采要求时，在煤岩工作面中部进行破碎爆破至满足机械开采要求，并进行机械开采。此处的机械开采要求指的是作用于该工作面的开采机械可以进行正常开采时的煤岩破碎程度，该步骤具体包括：

s5b1，在煤岩工作面中部钻设破碎爆破孔3，并在破碎爆破孔3内放置致裂装置，该致裂装置上不设x聚能槽12和y聚能槽11，即致裂装置的筒体801外表面为圆柱状，从而不刻意约束爆破方向，使爆破时对孔周边的破碎效果更好；在本实施例中，破碎爆破孔指的是工作面内钻设的煤孔。

s5b2，向放置有致裂装置的破碎爆破孔3内通入压力致裂水2，至煤岩出现明显裂纹时停止注水；

s5b3，引爆安放置于破碎爆破孔3内的致裂装置。

进一步地，s5b还包括：

s5b4，检查工作面煤岩的破碎程度；

当工作面煤岩的破碎程度满足机械开采要求时，直接进行机械开采；当破碎程度不满足机械开采情况时，向破碎爆破孔3内通入压力致裂水2进行进一步压力致裂。

进一步地，s3中的爆破采用自轮廓爆破孔1口至孔底的分段毫秒延时爆破(即沿孔口至孔底逐渐爆破)，以实现对煤岩的多次扰动。

进一步地，轮廓爆破孔1的深度大于破碎爆破孔3的深度。因为轮廓爆破孔1的主要目的是将待开采的煤岩与周边非开采区的煤岩分离，防止爆破影响周边非开采区煤岩15的稳定性，此处设置轮廓爆破孔1的深度大于破碎爆破孔3的深度，可以有效削减工作面中部煤岩的裂纹扩展到非开采区。

在本实施例中，煤孔(包括轮廓爆破孔1和破碎爆破孔3)进行爆破后还需进行水压力致裂时，如果爆破后的煤孔口破碎严重造成漏水，可以将封孔装置4往煤孔里面推送一端距离，使该煤孔满足注水致裂条件。

本发明还提供一种上述方法中所采用的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进致裂装置，该致裂装置包括：

水致裂设备，水致裂设备包括封孔装置4、高压导流管5和高压水泵站6，封孔装置4设置在煤孔内，封孔装置4将煤孔内部封闭为密闭腔体，高压导流管5的一端与密闭腔体连通，另一端与高压水泵站6连接，高压水泵站6用于向密闭腔体内通入压力致裂水2。

爆破设备，爆破设备包括爆破装置9和起爆装置7，爆破装置9设置在煤孔内，爆破装置9通过电雷管脚线10与起爆装置7连接；爆破装置9包括承压爆破管8、炸药和电雷管，承压爆破管8为密闭腔体，承压爆破管8可承受的外界压强大于压力致裂水2的压强，炸药和电雷管密闭填装在承压爆破管8内，承压爆破管8的侧壁设置有沿承压爆破管8长度方向的v型内凹槽，分别为y聚能槽11和x聚能槽12，x聚能槽12和y聚能槽11的开口中心线位于承压爆破管8的中心线上。v型内凹槽的角度为45°～60°(如45°、48°、50°、52°、55°、58°、60°)。在本实施例中，电雷管脚线10包括塑料塞、正极脚线和负极脚线，正极脚线和负极脚线固定在塑料塞内，塑料塞密封安装在电雷管脚线穿过孔内。

进一步地，x聚能槽12设置有两个，两个x聚能槽12位于承压爆破管8截面的同一直径上，且开口方向相向；优选地，y聚能槽11的开口中心线与两个x聚能槽12的连线垂直。

进一步地，爆破装置9还包括聚能管13，炸药和电雷管设置在聚能管13内，聚能管13设置在承压爆破管8内，聚能管13的侧壁上设置有与x聚能槽12和y聚能槽11相对应的v型槽，承压爆破管8包括筒体801和盖板802，筒体801包括筒壁与筒底，x聚能槽12和y聚能槽11设置在筒壁上，盖板802盖设在筒体801上，盖板802上设置有电雷管脚线穿过孔804，便于穿入电雷管脚线10；在使用时，电雷管脚线10的塑料塞安装在电雷管脚线穿过孔804中，并对连接部位进行密封处理。优选地，盖板802上设置有凸出于盖板802表面的连接部803，连接部803的外部轮廓与筒体801的开口内壁尺寸相对应，安装时盖板802的连接部803套入筒体801内，实现筒体801与盖板802的连接。为了使连接更加紧密，筒体801内壁和连接部803的侧壁均涂刷粘接胶，当连接部803套入筒体801内后，通过粘接胶实现密封连接。优选地，盖板802和筒体801均为金属材质，承压爆破管8的抗拉裂能力强于煤岩的抗拉裂极限值，也就是说在进行爆破前的水压力致裂的时候保证承压爆破管8不变形。在本实施例中，聚能管13的外径为33mm，承压爆破管8的长度为3m(也即承压爆破管8的长度为3m)。

进一步地，封孔装置4设置有多个，多个封孔装置4沿煤孔的长度方向间隔设置，多个封孔装置4将煤孔分为多段密闭的爆破区间，多个爆破区间分别与高压水泵站6连通；多个爆破区间内分别设置有爆破装置9，爆破装置9分别与起爆装置7连接。

实施例1

采用如图5所示的炮孔布置图进行爆破掘进施工，图中包括外围的轮廓爆破孔1排布层a，和破碎爆破孔3排布层b、c、d、e；在进行爆破施工的时候，煤孔的钻设顺序为a-b-c-d-e，即首先进行轮廓爆破孔1排布层a的钻设和爆破；然后检查煤岩破碎情况是否满足机械开采条件，当不满足时，再进行破碎爆破孔3排布层b的钻设与爆破；然后再检查煤岩破碎程度，当不满足机械开采条件时，再进行破碎爆破孔3排布层c的钻设与爆破，按照这个原理依次类推，直至进行破碎爆破孔3排布层e的钻设与爆破。本发明的煤孔布置图中y方向聚能槽的指向与各个破碎爆破孔3之间没有对应关系，从而使破碎爆破效果最佳。如图5所示，越靠近掘进轮廓面，破碎爆破孔3排布层之间的距离越短，这样排布的好处在于便于在掘进轮廓面边缘形成连续贯通的大裂缝，起到隔离作用；避免开采区工作面爆破时裂缝以及爆破振动难以传播到工作面煤岩以外，增加了煤矿巷道非开采区的稳定性。

综上所述，本发明提供的水力压裂联合水压爆破巷道大进尺掘进方法克服了现有技术中裂缝扩展的随意性，采用先注高压水致裂、再进行轮廓爆破加宽裂缝、最后再注高压水的复合致裂方式，使得开采工作轮廓面能够产生宽大裂缝，有效地隔离工作面开采区和非开采区，增加了未开采区煤岩的稳定性，该复合致裂方式由于致裂效果好且致裂方向可控，适用于超长钻孔，大进尺的爆破施工，可以实现巷道的快速掘进。本发明的致裂装置中加入设有聚能槽的聚能管，可以控制大裂缝的方向和趋势。避免了现有技术中添加化学药剂作用的不稳定性以及效果的不确定性。本发明采用多段致裂装置，由外而内分段进行毫秒延时爆破，增加爆破对煤岩的扰动次数，不断地增加煤岩的松散程度，极大地提高了煤岩开采效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。