一种通过开设预裂缝保护预留矿柱的方法及设备

本发明属于矿山工程，尤其是涉及一种通过开设预裂缝保护预留矿柱的方法及设备。

背景技术：

1、在现代矿业领域，地下采矿作业扮演着重要的角色，然而，随之而来的矿井稳定性和工作人员安全问题也备受关注。为了维护地下矿井的稳定性，常常会采取预留部分区域不进行开采，预留的区域形成天然的矿柱支撑结构，这些矿柱不仅支撑着矿井的结构，还有助于避免地质灾害的发生。然而，这些预留矿柱在矿井爆破作业时可能面临来自爆破产生的应力波的挑战，这些应力波可能会传播到预留矿柱，导致其强度减弱，进而影响矿井的稳定性和人员的安全；因此，解决爆破冲击波对预留矿柱的影响，成为矿业领域急需解决的关键问题。针对预留矿柱在爆破作业中受到的挑战，常常使用调整爆破参数或后期对预留矿柱进行修复加固方法来减轻冲击波对矿柱的影响；然而这些方法存在一定的局限性。调整爆破参数可能会导致采矿效率降低，后期修复加固则可能需要耗费大量时间和资源。因此，矿业领域需要一种更加高效和可靠的方法来解决爆破冲击波对预留矿柱的影响。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种通过开设预裂缝保护预留矿柱的方法及设备，用于解决现有技术中矿区开采时，爆破产生的应力波会波及预留矿柱，影响预留矿柱承载能力的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供的一种通过开设预裂缝保护预留矿柱的方法，包括如下步骤：

3、对预留矿柱区域进行探测，探测岩石结构、裂纹分布等参数，基于探测数据评估需要多大区域的矿柱才能形成稳定的支撑，然后再确定所述预留矿柱和矿区的分界线；在所述分界线上开设预裂缝；对所述预裂缝隔离开的矿区进行爆破开采；当预裂缝一侧的矿区开采完后，露出矿柱壁面，然后在新壁面上确定好分界线，在分界线上继续开设预裂缝，重复上述操作，直到整个预留矿柱周围的矿区采完，形成天然矿柱。当所述矿区开采完成后，对天然矿柱区域进行检测，基于检测数据确定是否需要对其进行支护或修复。

4、由于在所述预留矿柱和矿区的分界线上开设有预裂缝，在对矿区爆破的时，爆破产生的应力波传递到预裂缝后，部分应力波被反射，部分应力波被预裂缝中空气吸收，爆破产生的应力波经过预裂缝的隔离后从而极大的降低了应力波对矿柱的冲击，防止应力波破坏预留矿柱区的结构，从而减少甚至避免后期对矿柱的修复加固工作。

5、可选地，沿着所述分界线钻出若干炮孔，在所述炮孔中放置乳化炸药进行预裂爆破，通过所述预裂爆破形成预裂缝。采用预裂爆破的方式形成预裂缝，通过预裂缝隔离矿区产生的爆破冲击波，该方式能够快速地形成预裂缝，效率高，预裂爆破产生的预裂缝一般深度比较深，能够很好的形成隔离带(微破碎带)。

6、可选地，沿着所述分界线钻若干预裂孔，相邻两个所述预裂孔孔壁互相连通，若干所述预裂孔并列形成一条预裂缝。通过钻孔设备直接钻出预裂缝，对预留矿柱破坏性小，不会产生爆破冲击作用在预留矿柱区域。

7、本发明提供的一种开设预裂缝的设备，包括：动力装置、直线导轨、滑块、钻头组件、钻杆和导向杆；

8、所述直线导轨和钻进方向平行设置，所述滑块和所述直线导轨滑动配合，所述动力装置固定安装在所述滑块上，所述动力装置可以为电机、液压马达或者发动机，根据矿区条件进行定制。所述钻杆和所述动力装置的输出端传动连接，可以通过连轴器同轴线固定连接，所述导向杆和所述动力装置固定连接，其中，所述钻杆和所述导向杆的连接均采用可拆卸的方式进行连接。所述钻杆、所述导向杆和所述直线导轨平行设置，所述钻头组件和固定安装在所述导向杆的端部，所述钻头组件和所述钻杆传动连接，所述钻头组件能够沿着分界线钻出长条形孔。传统的钻孔设备，钻出是圆形孔，为了钻出预裂缝，相邻两个孔部分区域需要互相重叠，进行多次钻孔才能形成一条预裂缝。所述钻头组件钻出长条形的孔，依次钻进相当于传统的钻孔设备多次钻进，钻进效率高，大幅提升了钻孔的进度。

9、钻预裂缝的时候，先将所述直线导轨架设好，所述直线导轨高度可以随着钻进进度调节高度。从而保证能够沿着分界线钻出预裂缝。所述滑块可以采用自带驱动设备的滑块，通过自身驱动设备驱动滑块带动动力装置沿着所述直线导轨滑动，当钻杆全部钻进矿层后，将钻杆和导向杆均和所述动力装置分开，所述动力装置沿着所述直线往后移动，添加新的钻杆和导向杆，再次进行钻进，从而增加钻进的深度。

10、可选地，所述钻头组件包括一个主钻头、两个从钻头、安装件和传动组件，所述主钻头和所述钻杆同轴线固定连接，所述安装件和所述导向杆固定连接，所述安装件和所述钻杆转动连接，所述从钻头和所述安装件转动连接，所述从钻头和所述钻杆通过所述传动组件传动连接，两个所述从钻头对称设置在所述主钻头的两侧，所述从钻头和所述主钻头沿着所述钻杆方向的投影部分重叠。由于所述钻头组件上设置有三个钻头，相当于一次钻进就钻了三个孔，并且三个孔壁面连通，整体形成一个长条形的孔。极大的提高钻进效率。

11、可选地，所述传动组件包括第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，所述第一齿轮固套在所述钻杆上，所述第二齿轮和所述安装件转动连接，所述第三齿轮和所述从钻头同轴线固定连接，所述第一齿轮和所述第二齿轮互相啮合，所述第二齿轮和所述第三齿轮互相啮合。钻杆带动第一齿轮旋转，第一齿轮带动第二齿轮旋转，在通过第二齿轮带动第三齿轮及其连接的从钻头一起旋转，实现钻杆在带动主钻头旋转的同时带动两个从钻头旋转。传递路径清晰可靠，通过齿轮传动，传递的力矩大。

12、所述直线导轨上固定安装有导向板，所述导向板上开设有两个导向孔，所述钻杆和所述导向杆分别从两个所述导向孔中穿过，且所述钻杆和所述导向杆均和所述导向孔滑动配合，防止钻杆在钻进过程发生偏移，由于导向孔存在能够降低钻杆的振动。

13、可选地，所述直线导轨一端固定设置固定板，所述固定板上开设有若干通孔；作业时，通过锚钉将所述固定板固定在矿壁上，所述直线导轨另一端安装在支撑架上，所述支撑架高度可调节。

14、在架设所述直线导轨的时候，通过锚钉将所述固定板钉在矿壁上，需要保证钻头正对预留矿柱和矿区的分界线，所述直线导轨的另一端架设在所述支撑架上。支撑架包括支撑柱、调节件和底板，底板固定设置在支撑柱的底部，安装时将底板锚固在矿洞的地面，调节件可以固定在支撑柱的任意位置，可以通过螺栓紧固或者固定销固定。所述直线导轨和调节件固定连接，通过调节调节件的高度从而实现调节所述直线导轨一端的高度。钻进时，需要调节直线导轨保持水平状态，从而保证了钻进孔保持水平，结构简单安装方便。所述支撑架也可以采用伸缩支架，各个支脚采用液压缸控制其升降，调节高度更为便利。

15、可选地，所述导向杆中设置有水管，所述安装件上设置有喷头，所述水管和所述喷头连通，所述水管和水泵连通，所述主钻头和所述从钻头处于所述喷头的喷射范围；降低钻头的温度，同时钻出的矿渣也可以随着水流排出，增大了钻孔的效率。

技术特征：

1.一种通过开设预裂缝保护预留矿柱的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的通过开设预裂缝保护预留矿柱的方法，其特征在于，所述在所述分界线上开设预裂缝包括：沿着所述分界线钻出若干炮孔，在所述炮孔中放置乳化炸药进行预裂爆破，通过所述预裂爆破形成预裂缝。

3.根据权利要求1所述的通过开设预裂缝保护预留矿柱的方法，其特征在于，所述在所述分界线上开设预裂缝包括：沿着所述分界线钻出若干预裂孔，相邻两个所述预裂孔的孔壁互相连通，若干所述预裂孔并列形成一条预裂缝。

4.一种开设预裂缝的设备，适用于权利要求3所述的通过开设预裂缝保护预留矿柱的方法，其特征在于，包括：动力装置、直线导轨、滑块、钻头组件、钻杆和导向杆；

5.根据权利要求4所述的开设预裂缝的设备，其特征在于：所述钻头组件包括一个主钻头、两个从钻头、安装件和传动组件，所述主钻头和所述钻杆同轴线固定连接，所述安装件和所述导向杆固定连接，所述安装件和所述钻杆转动连接，所述从钻头和所述安装件转动连接，所述从钻头和所述钻杆通过所述传动组件传动连接，两个所述从钻头对称设置在所述主钻头的两侧，所述从钻头和所述主钻头沿着所述钻杆方向的投影部分重叠。

6.根据权利要求5所述的开设预裂缝的设备，其特征在于：所述传动组件包括第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，所述第一齿轮固套在所述钻杆上，所述第二齿轮和所述安装件转动连接，所述第三齿轮和所述从钻头同轴线固定连接，所述第一齿轮和所述第二齿轮互相啮合，所述第二齿轮和所述第三齿轮互相啮合。

7.根据权利要求4所述的开设预裂缝的设备，其特征在于：所述直线导轨上固定安装有导向板，所述导向板上开设有两个导向孔，所述钻杆和所述导向杆分别从两个所述导向孔中穿过，且所述钻杆和所述导向杆均和所述导向孔滑动配合。

8.根据权利要求4所述的开设预裂缝的设备，其特征在于：所述直线导轨一端固定设置固定板，所述固定板上开设有若干通孔；作业时，通过锚钉将所述固定板固定在矿壁上，所述直线导轨另一端安装在支撑架上，所述支撑架高度可调节。

9.根据权利要求4所述的开设预裂缝的设备，其特征在于：所述动力装置为电机、液压马达或者发动机。

10.根据权利要求5所述的开设预裂缝的设备，其特征在于：所述导向杆中设置有水管，所述安装件上设置有喷头，所述水管和所述喷头连通，所述水管和水泵连通，所述主钻头和所述从钻头处于所述喷头的喷射范围。

技术总结
本发明涉及一种通过开设预裂缝保护预留矿柱的方法及设备，属于矿山工程技术领域，用于解决现有技术中矿区开采时，爆破产生的爆炸应力波会波及预留矿柱，影响预留矿柱承载能力的问题；包括：对预留矿柱区域进行探测，基于探测数据确定预留矿柱和矿区的分界线；在分界线上开设预裂缝；对预裂缝隔离开的矿区进行爆破开采；当矿区开采完成后，对预留矿柱区域进行检测，基于检测数据确定是否需要对其进行支护或修复。由于在预留矿柱和矿区的分界线上开设有预裂缝，在对矿区爆破时，爆破产生的应力波传递到预裂缝后发生反射及透射现象，从而极大的降低了爆炸应力波对预留矿柱的冲击，防止爆炸应力波破坏到预留矿柱区的结构。

技术研发人员：李祥龙,左庭,关思,王建国,胡启文
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16