基于勒洛三角形原理的方形炮孔钻孔设备及深部高地应力坚硬顶板爆破弱化方法

本发明涉及深部岩体钻爆掘进领域，尤其涉及基于勒洛三角形原理的方形炮孔钻孔设备及深部高地应力坚硬顶板爆破弱化方法。

背景技术：

1、近些年我国虽然在大力推进新能源的使用，但是煤炭依然作为主要能源在推动我国国民经济发展中占据主导地位，约占能源结构的67％左右，核能、水电、太阳能等能源所占比例依然不高。可以预见的是，在未来数十年的发展过程中，煤炭依然将作为主要能源长期存在。现今，煤炭开采已经进入深部，深部开采的诸多问题日益凸显，比如高地应力是深部开采中面临的一个比较棘手的问题。深部煤炭开采过程中的煤炭安全生产是整个生产过程中不容忽视的重中之重，在众多煤矿事故中，顶板事故所占比率较大，尤其是煤层顶板处于巨厚砂岩等坚硬顶板时。

2、其中，坚硬顶板指的是处于需采煤层之上的自承载能力比较强的顶板，其主要特点是顶板厚度相对较大大，整体强度和整体性都较好，节理、裂隙等弱面发育比较差。当大面积采空区顶板在很长时间内都不能自然垮落时，将会使得采区上方岩体内压力高度集中，当顶板的压力超过支护强度时，顶板会在高压力作用下发生剪切破坏。同时由于坚硬顶板的自身重力较大的原因，当顶板的自身重力超过顶板上部的强度时，将会产生拉应力造成拉伸破坏。当大面积悬顶突然垮落时，岩层发生折断，并且产生强烈的动荷载作用，使得大量工作面支架被推倒或损坏，造成工作面垮塌、冒落事故，并且由此会发生一系列的次生灾害，如极易形成破坏性巨大的飓风和冲击地压，飓风气浪所携带的巨大动能常摧毁回采工作面及其邻近巷道中的支架、风门和砖墙密闭，更严重的是可能会使得瓦斯瞬间涌出，引起瓦斯重大事故。

3、运用爆破方法进行坚硬顶板弱化是一项技术要求很高的操作方法，其关键是如何控制矸石的塌落体积，使其充分充填采空区。为达到控制顶板坍落面积和围岩稳定性的目的，通常采用基于圆形炮孔的坚硬顶板松动预裂爆破控制技术。然而，对于深部高应力坚硬顶板的爆破弱化，地应力对爆破裂纹扩展的影响效应也是不容忽略的，这在爆破过程中也是需要着重考虑的因素。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供的基于方形炮孔的深部高地应力坚硬顶板爆破弱化方法，针对深部高地应力岩巷中的坚硬顶板，综合考虑地应力对坚硬顶板爆破裂纹方向的影响，可以改善坚硬顶板爆破弱化效果。

2、为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于勒洛三角形原理的方形炮孔钻孔设备及深部高地应力坚硬顶板爆破弱化方法，包括以下步骤：确定巷道中坚硬顶板所处的地应力状态和爆破处理高度；

4、根据勒洛三角形原理，设计方形炮孔钻头，使钻头自转与公转方向相反；

5、根据获取的在不同地应力状态下的方形炮孔爆破裂纹扩展生长规律及坚硬顶板的厚度，确定在坚硬顶板上布设方形炮孔的炮孔参数；

6、按照所述炮孔参数，利用所述方形炮孔钻头在坚硬顶板上钻设多组方形炮孔，其中，每组方形炮孔包括多个方形炮孔，多个方形炮孔呈四方形布设，组内相邻炮孔的尖端相对设置，组间相邻炮孔的尖端相对设置；

7、向每组方形炮孔中装填炸药，并布设引爆雷管；

8、起爆各组方形炮孔，爆炸应力波在传播过程中，沿方形炮孔的尖端延长线方向形成应力场叠加区；

9、利用形成的所述应力场叠加区，引导控制在方形炮孔的尖端延长线方向上扩展生长第一定向主裂纹；同时，相邻炮孔的相对尖端延长线方向上扩展生长形成的第二定向主裂纹与所述第一定向主裂纹相向生长，形成相互贯通的断裂网络，以弱化坚硬顶板的坚硬度。

10、可选地，所述炮孔参数包括：横向相邻炮孔的间距及纵向相邻炮孔的排距；

11、所述根据获取的在不同地应力状态下的方形炮孔爆破裂纹扩展生长规律及坚硬顶板的厚度，确定在坚硬顶板上布设方形炮孔的炮孔参数，包括：预先对不同地应力状态与对应的方形炮孔爆破裂纹扩展生长规律的关系开展实验研究，分析出不同地应力状态与对应的方形炮孔爆破裂纹扩展生长规律之间的关联关系；

12、测量坚硬顶板所处位置的地应力状态，该地应力状态包括：水平轴方向地应力和竖直轴方向地应力；

13、根据分析得到的所述关联关系与所述坚硬顶板所处位置的地应力状态，确定需要在坚硬顶板上布设的横向相邻炮孔的间距以及纵向相邻炮孔的排距；

14、当测量得到的所述水平轴方向地应力等于竖直轴方向地应力时，将所述横向相邻炮孔的间距与纵向相邻炮孔的排距布置为相等；

15、当测量得到的所述水平轴方向地应力大于竖直轴方向地应力相等时，将所述横向相邻炮孔的间距大于所述纵向相邻炮孔的排距布置；

16、当测量得到的所述水平轴方向地应力小

17、于竖直轴方向地应力相等时，将所述横向相邻炮孔的间距小

18、于所述纵向相邻炮孔的排距布置；

19、以及，根据所述水平轴方向地应力与竖直轴方向地应力的大小，确定所述横向相邻炮孔的间距与所述纵向相邻炮孔的排距的大小，以使在起爆每组炮孔后，相邻组炮孔形成的定向主裂纹相互贯通成定向断裂网络。

20、可选地，所述横向相邻炮孔的间距大小设置为2ld+d，所述纵向相邻炮孔的排距大小为2lc+d，其中ld为沿水平轴方向的定向主裂纹长度，lc为沿竖直轴方向的定向主裂纹长度，d为方形炮孔对角线长度。

21、可选地，所述炮孔参数还包括：炮孔深度；

22、所述根据获取的在不同地应力状态下的方形炮孔爆破裂纹扩展生长规律及坚硬顶板的厚度，确定在坚硬顶板上布设方形炮孔的炮孔参数包括：测量获取所述坚硬顶板的厚度；

23、基于所述坚硬顶板的厚度，根据所述方形炮孔的深度选择条件公式确定所述方形炮孔的深度，其中，所述深度选择条件公式为：a≧0.7*h，其中a为所述方形炮孔的深度，h为采空区上方坚硬顶板的厚度。

24、可选地，所述炮孔参数还包括：相邻组炮孔之间的夹角、炮孔仰角及炮孔边长，多个炮孔之间呈扇形分布，所述相邻组炮孔之间的夹角为10～15度，所述炮孔仰角为29～74°，且朝向与回采工作面相反的方向斜向上倾斜，所述炮孔边长为80～100mm，且炮孔内装药方式为完全耦合装药。

25、可选地，所述钻头包括：盘状本体，位于所述盘状本体的中心设有安装孔，所述盘状本体的边缘上设有切割刃，所述切割刃的轮廓包括：相互连接的呈放射状排布在盘状本体的边缘上的三组圆弧段，每组圆弧段包括第一圆弧及与第一圆弧相连的第二圆弧，三组圆弧段的端点位于同一个圆形包络线上；

26、其中，一组圆弧段中的所述第一圆弧是以中心孔为圆心建立坐标系，以相对于中心孔的圆心为原点，相对于原点坐标为(-20.6785，-2.8367)的位置为第一圆心；

27、以所述第一圆心所在位置为中心，半径为预定半径形成第一圆弧；

28、和，以所述第一圆心所在位置为中心，相对于原点坐标为(-7.1173，5.7975)的位置为第二圆心，半径为预定半径形成第二圆弧；

29、其中，第一圆弧与第二圆弧相连，但内凹方向相反。

30、可选地，所述利用所述方形炮孔钻头在坚硬顶板上钻设多组方形炮孔包括：将钻头安装在一个可以实现自转和公转的钻机上，使钻头自转与公转方向相反，转速比为1:3，通过旋转和推进，深部岩体中钻出方形炮孔。

31、可选地，所述方形炮孔为正方形炮孔或菱形炮孔，其中菱形炮孔的四个尖端分别位于x和y轴上，正方形炮孔的四个尖端分别位于x和y轴的正负45°方向上。

32、可选地，所述测量坚硬顶板所处位置的地应力状态，包括：

33、朝坚硬顶板钻单独方孔，装入与后续爆破所用炸药量相同的炸药并置入雷管起爆，监测顶板裂纹分布状态；

34、根据所述裂纹分布状态，判断巷道中坚硬顶板所处的地应力状态。

35、可选地，所述根据所述裂纹分布状态，判断巷道中坚硬顶板所处的地应力状态，包括：若定向主裂纹沿方形炮孔尖端延长线方向扩展，定向主裂纹未发生预定角度偏转，对于方形炮孔为正方形炮孔时，定向主裂纹形状近似×形，或者，对于方形炮孔为菱形炮孔时形状近似+形，则判断水平轴方向地应力σh1等于竖向轴方向地应力σh2。

36、若定向主裂纹沿方形炮孔尖端延长线扩展，并向x轴方向发生预定角度偏转，或者沿x方向定向主裂纹增长，则判断水平轴方向地应力σh1大于竖向轴方向地应力σh2。

37、若定向主裂纹定向主裂纹沿方形炮孔尖端延长线扩展，并向y方向发生偏转，或者沿y方向定向主裂纹增长，则判断水平轴方向地应力σh1小于竖向轴方向地应力σh2。

38、本发明实施例提供的基于勒洛三角形原理的方形炮孔钻孔设备及深部高地应力坚硬顶板爆破弱化方法，针对深部高地应力岩巷中的坚硬顶板，综合考虑地应力对坚硬顶板爆破裂纹方向的影响，通过确定巷道中坚硬顶板所处的地应力状态和爆破处理高度；根据勒洛三角形原理，设计方形炮孔钻头，使钻头自转与公转方向相反；根据获取的在不同地应力状态下的方形炮孔爆破裂纹扩展生长规律及坚硬顶板的厚度，确定在坚硬顶板上布设方形炮孔的炮孔参数；按照所述炮孔参数，利用所述方形炮孔钻头在坚硬顶板上钻设多组方形炮孔，其中，每组方形炮孔包括多个方形炮孔，多个方形炮孔呈四方形布设，组内相邻炮孔的尖端相对设置，组间相邻炮孔的尖端相对设置；向每组方形炮孔中装填炸药，并布设引爆雷管；起爆各组方形炮孔，爆炸应力波在传播过程中，沿方形炮孔的尖端延长线方向形成应力场叠加区；利用形成的所述应力场叠加区，引导控制在方形炮孔的尖端延长线方向上扩展生长第一定向主裂纹；同时，相邻炮孔的相对尖端延长线方向上扩展生长形成的第二定向主裂纹与所述第一定向主裂纹相向生长，形成相互贯通的定向断裂网络，以弱化坚硬顶板的坚硬度，可以改善坚硬顶板爆破弱化效果。