单裂面瞬时胀裂器定向切顶的方法与流程

本公开涉及采矿技术领域，具体而言，涉及一种单裂面瞬时胀裂器定向切顶的方法。

背景技术：

随着经济的高速发展，人们对矿产资源的需求日益增多，安全稳定的开采煤炭资源显得尤为重要。

在无煤柱自成巷开采煤炭时，顶板预裂切缝是该工艺采煤的核心技术，即需要在顶板岩体中定向切出一个裂缝面。现有技术中心主要采用炸药聚能爆破技术与采用静态破碎剂定向切顶技术，但是炸药聚能爆破技术的炸药爆破切顶危险性较大，且审批手续复杂；采用静态破碎剂定向切顶技术，静态破碎剂反应时间较长，目前反应最快的静态破碎剂也需要四个小时以上的时间，静态破碎剂的膨胀力较小，很难切开强度较大的岩石，现场也很少采用静态破碎剂切顶。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本公开的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种单裂面瞬时胀裂器定向切顶的方法，可提高破岩速度，提高采矿安全性。

根据本公开的一个方面，提供一种单裂面瞬时胀裂器定向切顶的方法，所述胀裂器呈管状结构，且沿其轴向方向设有多个并排设置的聚能孔，所述定向切顶的方法包括：

按照预设角度在待裂体中形成沿预设方向并排设置的多个安装孔；

在每一个所述安装孔中至少安装一个所述胀裂器，各所述聚能孔均朝向所述待裂体的待裂面，且各所述安装孔中的各所述胀裂器均通过引线连接；

通电引发各所述胀裂器，以使各所述胀裂器中的各胀裂剂膨胀；

检测并计算各所述安装孔的切缝率，当所述切缝率在预设范围时完成切顶。

在本公开的一种示例性实施例中，所述定向切顶的方法还包括：

在向所述胀裂器通电前，采用炮泥封闭所述安装孔。

在本公开的一种示例性实施例中，所述胀裂器包括：

聚能管，所述聚能孔设于所述聚能管的侧壁上，并沿所述聚能管的轴向方向等间距均匀分布；

填料管，设于所述聚能管内，用于填充所述胀裂剂；

第一引线、引发头及第二引线，所述第一引线与所述第二引线分别与所述引发头的正负极连接，且分别从所述填料管的两端引出；

第三引线，贯穿所述聚能管，且位于所述填料管的外壁与所述聚能管的内壁之间，并与所述第一引线或所述第二引线连接。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述安装孔均包括多个所述胀裂器，各所述胀裂器沿所述安装孔的延伸方向由前到后依次排列，且各所述胀裂器的各第三引线均连通并从所述安装孔的开口穿出；

在相邻两个胀裂器中，前方的所述胀裂器的第二引线与后方的所述胀裂器的第一引线连接，且各所述胀裂器中最靠近所述安装孔开口处的胀裂器的第一引线穿出所述安装孔。

在本公开的一种示例性实施例中，所述预设范围包括大于或等于百分之八十。

在本公开的一种示例性实施例中，所述检测并计算各所述安装孔的切缝率，当所述切缝率在预设范围时完成切顶包括：

采用钻孔窥视仪测试所述安装孔的裂缝长度；

根据切缝率与裂缝长度的对应关系计算切缝率；

将计算出的切缝率与预设范围进行比较，当切缝率处于预设范围内时完成切顶，当切缝率不在所述预设范围时，向所述安装孔重新安装胀裂器，并对所述胀裂器通电引发。

在本公开的一种示例性实施例中，所述聚能管包括两排聚能孔，且两排所述聚能孔在所述聚能管的侧壁上正对设置。

在本公开的一种示例性实施例中，所述聚能孔为通孔。

在本公开的一种示例性实施例中，所述预设角度为钻头与所述待裂体壁面的夹角，所述预设角度为10°～25°。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述安装孔的间距相等，且相邻两个安装孔的间距的取值范围为400mm～600mm。

本公开的单裂面瞬时胀裂器定向切顶的方法，可将胀裂器安装于各安装孔中，并将各胀裂器的引线从安装口的开口引出，通过引线向各胀裂器通电，以使各胀裂器中的胀裂剂膨胀，从而将各安装孔胀裂，以形成裂面。在此过程中，各胀裂器通过引线相互连接，通过向引线通电，进而可在同一时间使所有胀裂器中的胀裂剂同时膨胀，胀裂速度快，可节省胀裂时间，且操作便捷；此外，胀裂剂的安全系数较高，可避免安全事故的发生。胀裂后还可测试各安装孔的切缝率，在切缝率处于预设范围时完成切顶，在切缝率小于预设范围时，重复胀裂，以使各安装孔的切缝率均达到预设范围，进而保证各安装孔完全裂开，从而保证待裂面完全裂开。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施方式单裂面瞬时胀裂器定向切顶的方法的流程图。

图2为公开实施方式安装孔的示意图。

图3为公开实施方式安装孔的排列示意图。

图4为公开实施方式胀裂器的示意图。

图5为公开实施方式聚能孔的分布示意图。

图6为在一个安装孔中多个胀裂器的分布示意图。

图7为多个安装孔中的各胀裂器的连接示意图。

图8为对应于图1中步骤s140的流程图。

图中：100、待裂体；200、电源；1、安装孔；2、胀裂器；21、聚能管；211、聚能孔；22、填料管；221、胀裂剂；23、引发头；24、第一引线；25、第二引线；26、第三引线；27、耦合介质；28、固定件。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。用语“第一”、“第二”和“第三”仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本公开实施方式提供了一种单裂面瞬时胀裂器定向切顶的方法，所述胀裂器呈管状结构，且沿其轴向方向设有多个并排设置的聚能孔，如图1所示，该方法可以包括：

步骤s110，按照预设角度在待裂体中形成沿预设方向并排设置的多个安装孔；

步骤s120，在每一个所述安装孔中至少安装一个所述胀裂器，各所述聚能孔均朝向所述待裂体的待裂面，且各所述安装孔中的各所述胀裂器均通过引线连接；

步骤s130，通电引发各所述胀裂器，以使各所述胀裂器中的各胀裂剂膨胀；

步骤s140，检测并计算各所述安装孔的切缝率，当所述切缝率在预设范围时完成切顶。

本公开的单裂面瞬时胀裂器定向切顶的方法，可将胀裂器安装于各安装孔中，并将各胀裂器的引线从安装口的开口引出，通过引线向各胀裂器通电，以使各胀裂器中的胀裂剂膨胀，从而将各安装孔胀裂，以形成裂面。在此过程中，各胀裂器通过引线相互连接，通过向引线通电，进而可在同一时间使所有胀裂器中的胀裂剂同时膨胀，胀裂速度快，可节省胀裂时间，且操作便捷；此外，胀裂剂的安全系数较高，可避免安全事故的发生。胀裂后还可测试各安装孔的切缝率，在切缝率处于预设范围时完成切顶，在切缝率小于预设范围时，重复胀裂，以使各安装孔的切缝率均达到预设范围，进而保证各安装孔完全裂开，从而保证待裂面完全裂开。

下面对本公开实施方式单裂面瞬时胀裂器定向切顶的方法的各步骤进行详细说明：

如图1所示，在步骤s110中，按照预设角度在待裂体100中形成沿预设方向并排设置的多个安装孔1。

如图2所示，可采用钻机在待裂体100的壁面上钻取多个钻孔作为安装孔1，待裂体100可以是岩石，也可以是煤体，当然，还可以是其他类型的待裂体100，在此不做特殊限定。安装孔1可呈圆形、椭圆形、矩形、多边形或其他形状，在此不做特殊限定。各安装孔1可由待裂体100的壁面向内延伸，且各安装孔1在壁面上延伸的深度均可相等，此外，如图3所示，各安装孔1可在待裂体100的壁面上沿预设方向并排设置，举例而言，预设方向可以是平行于水平面的方向，也可以是垂直于水平面的方向，当然，还可以是预先设定的其他方向，在此不做特殊限定。各安装孔1可在预设方向上呈直线分布，并可等间距均匀设置，举例而言，相邻两个安装孔1的间距的取值范围为400mm～600mm，例如：其可以是400mm、450mm、500mm、550mm或600mm，当然，还可以是其他间距，在此不再一一列举。还可根据待裂体100的地质类型确定各安装孔1的间距。举例而言，坚硬顶板中相邻两个安装孔1的间距可以是400～450mm；中硬顶板中相邻两个安装孔1的间距可以是450～500mm；软弱顶板中相邻两个安装孔1的间距可以是500～600mm；复合顶板中相邻两个安装孔1的间距可以是450～600mm。

预设角度可以是在钻取安装孔1时钻头与待裂体100的壁面的夹角，举例而言，预设角度可为10°～25°，例如，其可以是10°、15°、20°或25°，当然，还可以是其他角度，在此不再一一列举。

可根据待裂体100的地质类型确定各安装孔1的深度。例如，可通过待裂体100的采高、顶板下沉量及底臌量与安装孔1深度的对应关系确定各安装孔1的深度，举例而言，该对应关系可为：

h＝(m-δh1-δh2)/(k-1)

其中：h为安装孔1深度，m为采高，δh1为顶板下沉量，δh2为底臌量，k为残余碎胀系数。

如图1所示，在步骤s120中，在每一个所述安装孔1中至少安装一个所述胀裂器2，各所述聚能孔211均朝向所述待裂体100的待裂面，且各所述安装孔1中的各所述胀裂器2均通过引线连接。

如图4-图5所示，胀裂器2可呈管状结构，且沿其轴向方向可设有多个并排设置的聚能孔211，可将其置于待裂体100内，可用于在待裂体100中定向产生单一裂面。胀裂器2内可设有胀裂剂221，引发该胀裂剂221后可在0.05～0.5s之内产生大量高温气体，从而使得待裂体100胀裂，破除待裂体100速度快，可加快工程进度，节省时间。

胀裂剂2可以是黑色圆柱形颗粒，其直径可为3mm，长度可为7mm，在一实施方式中，胀裂剂是煤粉、煤矸石粉、过氧化钙粉、高氯酸钾粉的混合物。其中煤粉占30～45％、煤矸石粉占25～40％、过氧化钙粉占15～35％，高氯酸钾粉占5～15％。

具体而言，胀裂器2可以包括聚能管21、填料管22、第一引线24、引发头23、第二引线25及第三引线26，其中：

聚能管21可为管状结构，其内径可为36.5mm，其材料可为加有阻燃材料的pvc管，聚能管21径向正对的两侧上分别设有多个聚能孔211，各聚能孔211均可设于聚能管21的侧壁上，且各聚能孔211均可沿聚能管21的轴向方向等间距均匀分布，安装时，可将各聚能孔211均可朝向待裂体100的待裂面，以保证聚能管21两侧收到的挤压力一致，从而进一步保证胀裂器2对待裂体100体定向裂开的可靠性。各聚能孔211均可为通孔，其可呈圆形、椭圆形、矩形、多边形或其他图形，此外，各聚能孔211的形状及开口尺寸均可相等，在此不对各聚能孔211的形状和尺寸做特殊限定。

需要说明的是，聚能管21侧壁两侧上的聚能孔211的数量可相同，且多个聚能孔211和沿聚能管21的径向延伸均匀分布。胀裂剂221可设于聚能管21内，且在胀裂剂221引发后瞬间产生的大量高温气体可从聚能管21两侧的聚能孔211均匀排出，可提高胀裂器2对待裂体100定向裂开的可靠性，避免岩石或煤体的裂面偏离预设裂面。

由于胀裂剂221尺寸较小，难以直接固定在聚能管21内，为了将其固定在聚能管21内，可将胀裂剂221填充于填料管22内，通过将填料管22固定于聚能管21内，进而可将胀裂剂221固定于聚能管21内。在一实施方式中，填料管22可以是塑膜，塑膜的直径可为32mm～35mm，举例而言，其可以是32mm、33mm、34mm或32mm，在此不做特殊限定。其可以是由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或其他高分子材料制成的薄膜。可将胀裂器2装入该薄膜内，并通过固定件28将该薄膜固定于聚能管21内，此外，薄膜包覆于胀裂剂221外，可隔绝外部水分，起到防水防潮的作用。填料管22的表面张力小于胀裂剂221引发后的膨胀力，以使填料管22破裂，胀裂剂221引发后产生的大量高温气体可从聚能管21两侧的聚能孔211排出。

引发头23可为电热丝、电热片等通电可产生热量的电发热元件。例如，引发头23可为铜片，引线接通电流后，铜片温度会升高，进而引发胀裂剂221。

在向填料管22装胀裂剂221前，可先把引发头23及第一引线24、第二引线25放入填料管22中，第一引线24从填料管22一端引出，第二引线25从填料管22另一端引出；然后调整引发头23，可通过使用尺子测量填料管22的中间位置，使得引发头23位于填料管22的中间位置处，接着把填料管22一端用细铁丝或铝丝封口；接着开始装入胀裂剂221，胀裂剂221装完后再对另一端进行封口，装填胀裂剂221的多少可依据现场岩性的强度和地应力的大小决定，举例而言，砂岩采用胀裂剂221量为875g的单裂面瞬时胀裂器，灰岩采用胀裂剂221量为700g的单裂面瞬时胀裂器，泥岩采用胀裂剂221量为525g的单裂面瞬时胀裂器，页岩采用胀裂剂221量为370g的单裂面瞬时胀裂器，煤采用胀裂剂221量为175g的单裂面瞬时胀裂器。

第一引线24、第二引线25与第三引线26的颜色不同，便于引线的辨别，避免线路连接错误。单根聚能管21中的引线放置方式：选一根与填料管22内引线颜色不同(可以为红色、看色、棕色、绿色或白色等)的第三引线26，放在填料管22的外壁与聚能管21的内壁之间，第三引线26是单独的一根线，不与引发头23相连；第一引线24与第二引线25接在引发头2352上，第一引线24与第二引线25和引发头23连接后是一根线。第一引线24或第二引线25与第三引线26和电源200接通后，即可引发胀裂剂221。其中，第一引线24与第二引线25可为矿用电线。

在一实施方式中，胀裂器2还可以包括固定件28，可设于聚能管21上，固定件28可用于形成对填料管22在聚能管21中的限位。可设有至少两个固定件28，分别穿过与填料管22两端对应的聚能孔211，在聚能管21径向上形成对填料管22的限位，举例而言，固定件28可为铁丝，当然，还可以是其他可用于对填料管22进行限位的部件，在此不再一一列举。

如图2所示，把带有胀裂剂221的填料管22放在聚能管21的正中间，固定件28可为铁丝，两端用铁丝通过聚能孔211固定，胀裂剂221通过铁丝穿过离填料管22两端最近的两个聚能孔211进行固定。由于聚能孔211位于聚能管21对称的两侧上，并且位于聚能管21轴向的中心面上，填料管22的直径至少大于聚能管21直径的二分之一。

胀裂剂221的两侧可设有耦合介质27，耦合介质27可以是空气，水，沙，土，岩棉，膏体等。

如图6所示，每一个安装孔1均可至少安装一个胀裂器2，可根据待裂体100的地质类型及安装孔1的深度确定安装孔1中胀裂器2的数量。当每个安装孔1中均安装一个胀裂器2时，胀裂器2放入安装孔1底部前，需要把第一引线24或第二引线25的其中一个与第三引线26一端连接在一起。当安装孔1均可安装多个胀裂器2时，多个胀裂器2可沿安装孔1的延伸方向由前到后依次排列，且各胀裂器2的各第三引线26均可连通并可从安装孔1的开口穿出，并可与电源200连接。且在相邻两个胀裂器2中，前方的胀裂器2的第二引线25可与后方的胀裂器2的第一引线24连接，且各胀裂器2中最靠近安装孔1开口处的胀裂器2的第一引线24可穿出安装孔1，并可与电源200连接，且各胀裂器2中最靠近安装孔1开口处的胀裂器2的第一引线24与从安装孔1开口穿出的第一引线24可分别连接于电源200的正负极，以便于接通电源200，引发胀裂剂221胀裂。

举例而言，多个胀裂器2在连线时，放在钻孔底部的第一根胀裂器2放入钻孔底部前，需要把第一引线24或者第二引线25的其中一个与第三引线26一端连接在一起；第二根胀裂器2的第一引线24或者第二引线25的一端与第一根的第二引线25或者第一引线24相连，第三引线26一端与第一根的第三引线26一端相连；第三根单裂面瞬时胀裂器2至第n根单裂面瞬时胀裂器2连接方式与第二根一样。

如图7所示，各安装孔1中从其开口穿出的引线均可串联在一起，并可通过总线连接至电源200的正负极，从而可通过驱动电源200同时引发各安装孔1中的各胀裂器2，以使多个安装孔1可在同一时间瞬时胀裂。

如图1所示，在步骤s130中，通电引发各所述胀裂器2，以使各所述胀裂器2中的各胀裂剂221膨胀。

可将穿出于安装孔1的第一引线24和第三引线26分别连接至电源200的正负极，接通电源200向穿出于安装孔1的第一引线24和第三引线26通电，从而通过引线引发引发头23以使各胀裂器2胀裂。

如图1所示，在步骤s140中，检测并计算各所述安装孔1的切缝率，当所述切缝率在预设范围时完成切顶。

可检测各安装孔1中裂缝的长度及安装孔1中装有聚能管21段的长度，通过裂缝的长度与切缝率的对应关系计算各安装孔1的切缝率，并在计算出的切缝率在一预设范围时完成切顶工作，此时待裂面已完全裂开。

在一实施方式中，如图8所示，步骤s140可包括：

步骤s1401，采用钻孔窥视仪测试所述安装孔1的裂缝长度。

可采用钻孔窥视仪测试各安装孔1沿待裂面裂开的裂缝的长度，当然，还可采用其他设备或装置测试裂缝的长度，在此不再一一列举。一个安装孔1中可包括多个裂缝，为了保证施工人员的安全，可对各裂缝的长度均进行测试，以避免在安装时聚能孔211方向偏差而造成安全隐患。

步骤s1402，根据切缝率与裂缝长度的对应关系计算切缝率。

在一实施方式中，切缝率可为裂缝长度与安装孔1中装有聚能管21段的长度的比值。裂缝长度可为该安装孔1中沿待裂面方向延伸的裂缝的长度，也可以是与待裂面夹角呈预设范围内所有裂缝长度的平均值，该夹角可以是0°、5°、10°、15°、20°或25°，当然，还可以是其他角度，在此不再一一列举。

步骤s1403，将计算出的切缝率与预设范围进行比较，当切缝率处于预设范围内时完成切顶，当切缝率不在所述预设范围时，向所述安装孔1重新安装胀裂器2，并对所述胀裂器2通电引发。

预设范围可以是预先设定的范围，各安装孔1的切缝率均在该预设范围时可认为待裂面完全裂开，举例而言，该预设范围可以包括切缝率大于或等于百分之八十。对每一个安装孔1的切缝率进行计算，并在各安装孔1的切缝率均大于或等于百分之八十时，完成切顶，当任一一个安装孔1的切缝率不在该预设范围内时，可对切缝率不在该预设范围的安装孔1重新进行胀裂，直至其切缝率位于预设范围内，胀裂的过程可参考上述描述，在此不再赘述。

为了防止在胀裂过程中胀裂剂221从安装孔1的开口喷出，并能使胀裂剂221在安装孔1中聚集能量，本公开实施方式的单裂面瞬时胀裂器2定向切顶的方法还可以包括：

步骤s150，在向所述胀裂器2通电前，采用炮泥封闭所述安装孔1。

可在单裂面瞬时胀裂器2安装完后用炮泥进行封孔，等炮泥封住安装孔1后，可通过一与胀裂器2引线连通的电源200，对各胀裂器2进行电流引发，实现在待裂体100中进行单裂面切缝试验。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。