一种静态爆破扩孔送药及封孔装置及其工作方法

本发明涉及一种静态爆破扩孔送药及封孔装置及其工作方法，属于煤矿井下钻孔扩孔、送药、封孔及坚硬顶板岩层高效致裂，适用于在顶板来压动力现象较严重和钻孔“喷孔”现象较多区域的钻孔内进行作业。

背景技术：

1、中国煤层顶板大多为坚硬且致密的岩石，强度大，自承载能力强，完整性高。煤炭开采后易在采空区上方形成大面积悬顶且短时间内难以自然垮落。当顶板高压超过支护强度极限时，悬顶发生剪切破坏，造成顶板来压事故。采空区坚硬顶板大面积垮落不仅易诱发冲击地压与井下飓风等动力冲击灾害，还容易形成瓦斯事故。为避免上述灾害的发生，需采用人工致裂措施，如静态爆破技术对其进行强制放顶，破坏其完整性，减少顶板悬臂的长度与重量。但静态爆破在应用时却存在易“喷孔”，致裂时间长等难题，严重影响施工安全与效率。

2、从巷道向坚硬顶板进行普通上向钻孔施工后，由于孔内空间狭小，装填药卷数量少，钻孔内壁光滑，缺少自由面，导致钻孔内无法放置较多的静态破碎药卷，同时煤矿井下常用封孔方式封孔效果差，由于其密封不良，当静态破碎药卷水化反应产生的轴向应力大于静力药卷与孔壁之间的摩擦力时，便会发生“喷孔”现象，喷出的药卷容易烫伤工作人员，另外喷孔现象发生后也会导致静态破碎药卷产生的膨胀压力与热量无法充分作用于钻孔周围的孔壁，从而无法实现对坚硬顶板的高效弱化致裂。因此如何提供一种装置，不仅能增大上向钻孔的内部空间，增加自由面，还可有效对上向钻孔进行密封，从而充分利用静态破碎药卷自身化学反应产生的持续膨胀应力与热应力，最终实现煤层坚硬顶板的高效弱化致裂，是本行业的研究方向之一。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种静态爆破扩孔送药及封孔装置及其工作方法，不仅能增大上向钻孔的内部空间，增加自由面，还可有效对上向钻孔进行密封，从而充分利用静态破碎药卷自身化学反应产生的持续膨胀应力与热应力，最终实现煤层坚硬顶板的高效弱化致裂。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种静态爆破扩孔送药及封孔装置，包括封孔装置、扩孔装置和送药装置；

3、所述扩孔装置包括复位弹簧、外壳、推进杆、定位销轴、旋转销轴和切槽钻头，所述外壳为一端开口、另一端封堵的圆筒形，外壳侧部开设通槽，推进杆一端设有螺纹凹槽、另一端从外壳的开口端伸入外壳内部，且推进杆能在外壳内沿轴向滑动；切槽钻头通过旋转销轴与推进杆另一端铰接，使切槽钻头能以旋转销轴为中心相对推进杆转动，并从通槽伸出外壳；旋转销轴上装有卡簧，用于限制旋转销轴沿其轴向移动；切槽钻头上开设条形限位孔，所述定位销轴共两个，两个定位销轴均处于外壳内部，且定位销轴两端均与外壳固定连接，其中一个定位销轴穿过条形限位孔，另一个定位销轴处于切槽钻头上方；在推进杆在外壳内沿轴向滑动时能对切槽钻头伸出通槽的角度进行定位；复位弹簧套在推进杆外部，复位弹簧一端与推进杆的螺纹凹槽端固定连接、另一端与外壳的开口端固定连接；

4、所述送药装置包括第一连接件、圆柱套筒、中心杆、第二连接件、连杆、拉伸弹簧和支撑杆，中心杆处于第一连接件和第二连接件之间，且第一连接件、中心杆和第二连接件依次同轴并通过螺纹连接；第一连接件、中心杆和第二连接件内部均开设中心通孔，三个中心通孔组成贯通的空心圆柱腔体，圆柱套筒套在中心杆外部、且圆柱套筒能在中心杆上沿其轴向滑动；圆柱套筒两侧对称固定有矩形吊耳，第二连接件两侧对称固定有扇形吊耳，两个支撑杆一端分别与两个扇形吊耳通过销钉铰接，两个连杆一端分别与两个矩形吊耳铰接，两个连杆另一端分别与两个支撑杆侧部铰接；第二连接件两侧对称固定有压缩弹簧，两个压缩弹簧一端分别与第二连接件两侧固定连接，两个压缩弹簧另一端分别与两个连杆侧部固定连接；两个压缩弹簧分别对两个连杆施加弹力，使两个连杆朝向第二连接件两侧扩展，进而带动两个支撑杆向两侧扩展，同时带动圆柱套筒在中心杆上朝向第二连接件滑动；所述圆柱套筒内壁嵌有弧形弹性钢片，中心杆外部设有定位扣，圆柱套筒在中心杆上滑动过程中，当弧形弹性钢片与定位扣接触时，能使弧形弹性钢片与定位扣相互卡固，从而对圆柱套筒在中心杆上的滑动位置进行定位及对两个支撑杆的扩展角度进行限位；所述拉伸弹簧为两个，两个拉伸弹簧一端分别与两个矩形吊耳固定连接，两个拉伸弹簧另一端为拉钩形；所述支撑杆另一端为倒角结构；

5、所述封孔装置为圆盘堵头，圆盘堵头中心设有螺纹连接柱，圆盘堵头通过螺纹连接柱与推进杆的螺纹凹槽螺纹连接，圆盘堵头上设有两个连接环，两个拉伸弹簧另一端分别与两个连接环可拆卸连接，使两个拉伸弹簧处于拉伸状态。

6、进一步，还包括送药铲和伸缩推杆，送药铲为空心杆结构，伸缩推杆一端伸入送药铲内部，且能在送药铲内部滑动；所述送药铲的外径小于空心圆柱腔体的内径，送药铲的内径大于伸缩推杆的外径。采用这个装置能方便静态破碎药卷放入钻孔。

7、进一步，所述伸缩推杆一端装有防滑橡胶垫。增设这个结构能增大伸缩推杆与送药铲接触摩擦力以及与静态破碎剂药卷接触面积，保证静态破碎药卷能推送至所需位置。

8、进一步，所述拉伸弹簧在拉伸状态下的弹性势能大于压缩弹簧在压缩状态下的弹性势能。这样才能保证拉伸弹簧拉伸时两个支撑杆不会处于扩展状态，方便装置放入钻孔。

9、上述静态爆破扩孔送药及封孔装置的工作方法，具体步骤为：

10、a、在完成上向钻孔工作后，将封孔装置、扩孔装置和送药装置依次组装成静态爆破扩孔送药及封孔装置，此时拉伸弹簧处于拉伸状态，两个支撑杆处于闭合状态，然后从送药装置一端向钻孔放入，直至送药装置一端接触钻孔底部或封孔装置中的圆盘堵头与钻孔孔口接触时，将圆盘堵头与拉伸弹簧分离并从钻孔孔口处取下，此时拉伸弹簧复位，拉伸弹簧对圆柱套筒施加的拉伸力消失，两个压缩弹簧分别对两个连杆施加弹力，使两个连杆朝向第二连接件两侧扩展，进而带动两个支撑杆向两侧扩展，同时带动圆柱套筒在中心杆上朝向第二连接件滑动；直至两个支撑杆另一端分别与钻孔内壁接触时停止两个支撑杆的扩展；

11、b、将钻机与扩孔装置的推进杆同轴连接，钻机带动推进杆旋转且沿钻孔方向对推进杆施压，此时推进杆在外壳内向钻孔底部移动，移动过程中切槽钻头受两个定位销轴限位，使其一端从通槽伸出外壳，对钻孔内壁进行施压扩孔，同时复位弹簧持续压缩增大弹性势能；直至切槽钻头达到最大限位角度，然后钻机保持旋转状态且停止施压并向钻孔孔口方向移动，此时复位弹簧对推进杆施加弹力，使推进杆随着钻机向钻孔孔口方向移动，复位弹簧逐渐复位，并且切槽钻头缩回外壳内，直至恢复至初始位置，从而实现对扩孔装置周围的钻孔进行扩孔，并形成环形切槽；

12、c、完成扩孔工作后，通过钻机带动整个静态爆破扩孔送药及封孔装置向钻孔孔口方向移动，由于两个支撑杆另一端为倒角结构，其与钻孔内壁接触后在送药装置受力移动时能相对钻孔内壁滑动，直至使送药装置达到扩孔装置扩孔时所处位置，两个支撑杆另一端均进入环形切槽内，并且圆柱套筒继续向第二连接件滑动，直至弧形弹性钢片与定位扣接触时，能使弧形弹性钢片与定位扣相互卡固，从而对圆柱套筒在中心杆上的滑动位置进行定位及对两个支撑杆的扩展角度进行限位，使送药装置固定在钻孔内；将当前处于钻孔外的扩孔装置及钻机与送药装置分离，实现送药装置对钻孔进行预封孔的工作；

13、d、将静态破碎药卷放入送药铲内，然后将送药铲和伸缩推杆连接，使送药铲穿过空心圆柱腔体进入钻孔内部，接着通过伸缩推杆将静态破碎药卷从送药铲内推至钻孔内，待静态破碎药卷全部装入钻孔后，将送药铲和伸缩推杆从钻孔内取出，完成送药过程；

14、e、将圆盘堵头与送药装置螺纹连接，使圆盘堵头对钻孔孔口进行密封，最终完成整个静态爆破扩孔送药及封孔过程，最后钻孔内的静态破碎药卷通过自身的化学反应产生持续膨胀应力与热应力，由于钻孔通过送药装置和圆盘堵头的双重密封，产生的持续膨胀应力与热应力充分作用于钻孔内壁，最终实现煤层坚硬顶板的高效弱化致裂。

15、与现有技术相比，本发明采用封孔装置、扩孔装置和送药装置相结合方式，在上向钻孔完成施工后，将本装置放入上向钻孔内，由于在放入过程中拉伸弹簧处于拉伸状态，且拉伸弹簧在拉伸状态下的弹性势能大于压缩弹簧在压缩状态下的弹性势能，使得两个支撑杆处于闭合状态，便于扩孔装置和送药装置进入钻孔，然后完成放入后将封孔装置取下，此时拉伸弹簧复位，拉伸弹簧对圆柱套筒施加的拉伸力消失，两个压缩弹簧分别对两个连杆施加弹力，进而使两个支撑杆另一端开始扩展直至分别与钻孔内壁接触时停止扩展，接着通过钻机推动推进杆及复位弹簧的作用，使推进杆在外壳内完成一次往复直线运动，进而带动切槽钻头对扩孔装置周围的钻孔进行扩孔，并形成环形切槽；由于切槽钻头能够扩展成不同角度，有利于钻孔扩孔，增大钻孔空间，提高静态爆破药卷使用量；完成后通过钻机带动扩孔装置和送药装置整体向钻孔孔口方向移动，直至使送药装置达到扩孔装置扩孔时所处位置，两个支撑杆另一端均进入环形切槽内，使送药装置固定在钻孔内，实现预封孔的作用；接着通过送药铲和伸缩杆将静态破碎药卷穿过送药装置推至钻孔内，待静态破碎药卷全部装入钻孔后，将圆盘堵头与送药装置螺纹连接，使圆盘堵头对钻孔孔口进行密封，形成双重密封作用，具有封孔效果好，密封性强，防止药卷“喷孔”的作用，从而充分利用在钻孔内的静态破碎药卷自身化学反应产生持续的膨胀应力与热应力，最终实现煤层坚硬顶板的高效弱化致裂；另外由上所述，本发明的装置既可单独用于钻孔扩孔与封孔，又可与送药装置配合使用，实现扩孔、送药、封孔一体化，减小工作量，具有广阔的应用前景。