放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法

本发明属于煤层开采，尤其涉及一种放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法。

背景技术：

1、煤柱采空区一侧悬顶导致的高应力三角区是制约工作面小煤柱留设、导致回采巷道大变形、甚至冲击地压等灾害发生的主要原因。为降低甚至消除三角区的影响，当前主要采用顶板注水压裂的方法以改变顶板的连续性，促进切除煤柱采空区一侧顶板，以消除顶板三角区，实现煤柱与回采巷道卸压。这种方法仅适合薄及中厚煤层煤层一次采全高情况下的顶板水力压裂。而对于放顶煤，由于注水过程中水沿煤岩交界面大范围渗流，容易引起大范围顶煤的离层，引发巷道顶煤的大面积垮落，导致群死群伤事故和重大财产损失。

2、为解决放顶煤开采时，巷道煤柱采空区一侧顶板切顶垮落问题，当前有效的方法为钻爆法，该方法作用时间短、施工速度快，但是当前的爆破破岩为钻孔内不耦合均匀装药，起爆时，各个钻孔同时起爆，由于厚硬顶板在煤柱采空区一侧近似呈整体结构，钻孔爆破受到的岩体夹制作用大，而且起始钻孔的自由面仅为采空区一侧的顶板破断面，这无疑严重制约了爆破效果的发挥。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，旨有效解决现有技术中放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆坚硬岩层爆破效果差的问题。

2、为此，本发明提供的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法,在煤柱巷道中朝向采空区在煤层顶板上钻倾斜向上的钻孔，并使钻孔贯穿煤层顶板的坚硬岩层，所述钻孔布置在煤层顶板的超前应力集中区前方并沿着采煤工作面推进方向由密到稀分布，接着在各个钻孔中进行不耦合装药，并从钻孔密集区先开始起爆，对采空区上方煤层顶板进行超前预裂，之后随着采煤工作面的推进，煤层顶板的超前应力集中区不断向前移动，进而促使采空区上方煤层顶板进一步垮落，以此实现采空区上覆岩层爆破切顶卸压。

3、具体的,钻孔内的装药结构包括放置于坚硬岩层区段的聚能炸药包以及放置于软弱岩层区段的普通药卷，所述钻孔的外端通过堵头封堵。

4、具体的,所述聚能炸药包包括柔性金属网筒、填充在所述柔性金属网筒内的颗粒炸药以及带动所述柔性金属网筒轴向收缩，径向膨胀使其与所述钻孔的壁面抵接的撑开组件。

5、具体的,撑开组件包括设置在所述柔性金属网筒内的伸缩杆，所述伸缩杆的两端分别与所述柔性金属网筒的两端固定连接，所述伸缩杆上还设有将所述柔性金属网筒的两端撑开的支撑骨架，所述伸缩杆包括上管节和下管节，所述下管节的上端匹配滑动套在所述上管节外，所述支撑骨架的一端与所述下管节铰接，另一端与所述柔性金属网筒铰接，所述上管节上设有弹簧销，所述下管节的内壁上设有与所述弹簧销相配合的插销孔；

6、装药时，利用推杆将聚能炸药包送入钻孔中，直至与上方软弱岩层处装填的普通药卷接触，接着推杆继续顶推聚能炸药包，带动所述下管节相对所述上管节向上移动，迫使支撑骨架将所述柔性金属网筒撑开，并不断挤压顶推所述柔性金属网筒内的颗粒炸药，使得所述柔性金属网筒与所述钻孔的壁面抵接，直至所述弹簧销卡入所述插销孔为止。

7、具体的,所述伸缩杆与所述柔性金属网筒之间还连接有若干使所述柔性金属网筒的侧部部分脱离所述钻孔壁面的拉绳。

8、具体的,所述伸缩杆为一由铁屑制成的管体，所述管体内填充有单质猛性炸药，起爆时，利用单质猛性炸药传爆速度快、爆轰能力强的特点，将周围的颗粒炸药近乎同时起爆，同时，管体破碎产生的碎铁屑充当敏化剂，大范围激活周围炸药颗粒。

9、具体的,所述钻孔内位于装药结构的两端还设有分级减能端头，其中一个分级减能端头位于所述钻孔的顶部，另一个分级减能端头位于装药结构与堵头之间，并位于煤岩交界面上方。

10、具体的,所述分级减能端头包括上下设置并通过连杆连接的两个天然橡胶基体以及间隔设置在所述连杆上的多个金属材料层，每个所述金属材料层面向所述装药结构的外表面为向外凸出的锥面。

11、具体的,在任一相邻的两个钻孔之间设置有不进行装药的空白预留孔。

12、具体的,根据岩层的岩性、相邻钻孔间距以及炸药的性能，确定单位长度钻孔的装药装药量，根据单位长度装药量确定炸药的直径与密度。

13、具体的,钻孔的倾角θ根据煤层顶板的厚度a与煤柱宽度b综合确定，tanθ＝a/b。

14、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

15、1、在煤柱巷道中朝向采空区在煤层顶板上钻倾斜向上的钻孔，钻孔内进行不耦合装药以对煤层顶板进行爆破，采空区煤层顶板爆破后沿着钻孔排列的方向形成显著的大裂缝，从而形成新的爆破自由面，促进顶板尽快垮落，而且将钻孔布置在煤层顶板的超前应力集中区前方并沿着采煤工作面推进方向由密到稀分布，可以充分利用采煤工作面的顶板岩层存在超前应力集中区，并且它会随工作面的推进而前移这一特点，使得随着采煤工作面的不断推进，巨大的顶板压力将促使采空区上方爆破后的煤层顶板进一步垮落，以此实现采空区上覆岩层爆破切顶卸压。

16、2、炮孔采用先密后疏的分布设置且引爆装药孔时相邻侧设置空白预留孔，表现为间隔引爆的形式，这样排列的引爆形式可通过冲击波贯通预留孔，能提高冲击波的传播距离，增大裂隙延展，使上层坚硬顶板很好的垮落下去，达到提升爆破效果的目的。

17、3、对坚硬岩层区段采用弹性柱状装填散体颗粒的聚能炸药包，放置长于坚硬岩层区段的药包，推动使其压缩变粗，变相的增大了装药量，可使药包紧贴钻孔内壁，极大的减小了耦合距离，进而实现钻孔精细化爆破，解决坚硬岩层因装药量不够爆破效果差的问题。

18、4、通过在伸缩杆与柔性金属网筒之间连接拉绳，迫使柔性金属网筒侧壁部分脱离钻孔壁面，从而形成聚能穴能，使爆轰产物形成压力和速度很高的聚能气流，对炮孔壁面造成强大冲击，提高整体的爆破效果。

19、5、钻孔的顶部设置的分级减能端头能够缓冲、吸收冲击波，防止其对上覆岩层中的含水层造成破坏发生渗透，造成巷道突水事故，在煤层与上覆岩层交界处设置的分级减能端头，可以实现应力波的多级反射降能，保护煤岩交界面，最大程度降低应力波对煤岩离层的影响。

技术特征：

1.放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：在煤柱巷道(1)中朝向采空区(2)在煤层顶板(3)上钻倾斜向上的钻孔(4)，并使钻孔(4)贯穿煤层顶板(3)的坚硬岩层(5)，所述钻孔(4)布置在煤层顶板(3)的超前应力集中区前方并沿着采煤工作面(6)推进方向由密到稀分布，接着在各个钻孔(4)中进行不耦合装药，并从钻孔(4)密集区先开始起爆，对采空区(2)上方煤层顶板(3)进行超前预裂，之后随着采煤工作面(6)的推进，煤层顶板(3)的超前应力集中区不断向前移动，进而促使采空区(2)上方煤层顶板(3)进一步垮落，以此实现采空区(2)上覆岩层爆破切顶卸压。

2.根据权利要求1所述的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：钻孔(4)内的装药结构包括放置于坚硬岩层(5)区段的聚能炸药包(8)以及放置于软弱岩层(11)区段的普通药卷(9)，所述钻孔(4)的最外端通过堵头(16)封堵。

3.根据权利要求2所述的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：所述聚能炸药包(8)包括柔性金属网筒(801)、填充在所述柔性金属网筒(801)内的颗粒炸药(802)以及带动所述柔性金属网筒(801)轴向收缩，径向膨胀以使其与所述钻孔(4)的壁面抵接的撑开组件。

4.根据权利要求3所述的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：所述撑开组件包括设置在所述柔性金属网筒(801)内的伸缩杆(803)，所述伸缩杆(803)的两端分别与所述柔性金属网筒(801)的两端固定连接，所述伸缩杆(803)上还设有将所述柔性金属网筒(801)的两端撑开的支撑骨架(804)，所述伸缩杆(803)包括上管节(8031)和下管节(8032)，所述下管节(8032)的上端匹配滑动套在所述上管节(8031)外，所述支撑骨架(804)的一端与所述下管节(8032)铰接，另一端与所述柔性金属网筒(801)铰接，所述上管节(8031)上设有弹簧销(805)，所述下管节(8032)的内壁上设有与所述弹簧销(805)相配合的插销孔(806)；

5.根据权利要求4所述的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：所述伸缩杆(803)与所述柔性金属网筒(801)之间还连接有若干使所述柔性金属网筒(801)的侧壁部分脱离所述钻孔(4)壁面的拉绳(807)。

6.根据权利要求4所述的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：所述伸缩杆(803)为一由铁屑制成的管体，所述管体内填充有单质猛性炸药(13)，起爆时，利用单质猛性炸药(13)将周围的颗粒炸药(802)同时起爆。

7.根据权利要求4所述的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：所述支撑骨架(804)在所述下管节(8032)的上端和下端各设置一个，每个所述支撑骨架(804)均包括沿下管节(8032)的周向均匀布置的多根连杆(8041)，每根所述连杆(8041)的一端与所述下管节(8032)铰接，另一端朝前向外延伸与所述柔性金属网筒(801)铰接，所述柔性金属网筒(801)的下端面通过多根扎带与位于下方的所述支撑骨架(804)的连杆(8041)连接。

8.根据权利要求2-7任一项所述的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：所述钻孔(4)内位于装药结构的两端还匹配设有分级减能端头(10)，其中一个分级减能端头(10)位于所述钻孔(4)的顶部，另一个分级减能端头(10)位于装药结构与堵头(16)之间，并位于煤岩交界面上方。

9.根据权利要求8所述的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：所述分级减能端头(10)包括上下设置并通过连杆连接的两个天然橡胶基体(101)以及间隔设置在所述连杆上的多个金属材料层(102)，每个所述金属材料层(102)面向所述装药结构的外表面为向外凸出的锥面。

10.根据权利要求2-7任一项所述的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，其特征在于：在任一相邻的两个钻孔(4)之间设置有不进行装药的空白预留孔(14)。

技术总结
本发明公开了一种放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法，旨有效解决现有技术中放顶煤留煤柱侧采空区上覆坚硬岩层爆破效果差的问题。为此，本发明提供的放顶煤工作面煤柱侧向采空区上覆岩层爆破切顶卸压方法,在煤柱巷道中朝向采空区在煤层顶板上钻倾斜向上的钻孔，并使钻孔贯穿煤层顶板的坚硬岩层，所述钻孔布置在煤层顶板的超前应力集中区前方并沿着采煤工作面推进方向由密到稀分布，接着在各个钻孔中进行不耦合装药，并从钻孔密集区先开始起爆，对采空区上方煤层顶板进行超前预裂，之后随着采煤工作面的推进，煤层顶板的超前应力集中区不断向前移动，进而促使采空区上方煤层顶板进一步垮落，以此实现采空区上覆岩层爆破切顶卸压。

技术研发人员：顾合龙,艾亚鹤,来兴平,王超超
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29