一种煤层顶板超前预裂方法

1.本发明属于煤层开采技术领域，尤其涉及一种煤层顶板超前预裂方法。


背景技术：

2.当所开采的煤层顶板一定高度内赋存有大厚度完整坚硬岩层时，工作面开采后坚硬岩层向采空区悬顶不冒，在采空区附近煤体中引起了高支承应力，这种高支承应力极大地影响着采空区附近煤体中巷道的稳定性，由于很难深入采空区进行顶板爆破，目前煤层顶板强矿压治理最普遍采用的方法是顶板超前预裂(顶板钻爆法),其关键在于改变上覆坚硬岩层的连续性、促进其在采空区垮落，并充满采空区实现充填体再造。
3.然而当前钻爆法采用的常规超前炮孔、常规装药量进行爆破预裂，普通岩层虽能够实现爆破致裂效果，但是坚硬岩层因装药量不足导致爆破致裂效果差，通常需要二次爆破或者整体增加装药量，但是因常规超前炮孔装药空间不足，通常需要采用大直径钻孔以增加炮孔的装药量，以使得坚硬岩层预裂达到预期效果，但是采用大直径钻孔势必降低钻孔成孔速度，这将迟滞工作面的推进，制约工作面高产高效开采。而且装药量的增加会造成普通岩层过渡致裂，甚至使得普通岩层直接垮落，严重影响采煤安全。
4.此外，当前顶板钻爆法依据地层柱状图进行钻孔爆破，而在现实地层中，沉积环境差异、地质构造等作用，使得岩层分布差异巨大，这导致煤层和岩层分布不均匀性，因此当前的地层柱状图仅能提供参考，对于精细化爆破钻孔施工缺乏足够指导。
5.综上，有必要对现有煤层顶板爆破预裂方法进行改进。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种煤层顶板超前预裂方法，旨在实现煤层顶板各个岩层的充分爆破预裂。
7.为此，本发明实施例提供的煤层顶板超前预裂方法，包括:
8.根据煤层顶板的柱状图，对煤层顶板的坚硬岩层进行取样，并在原位受力环境下对取样所得试样进行钻孔模拟实验，获得试样单位钻进量的模拟岩屑量w0；
9.在采煤现场，利用钻机驱动钻杆朝煤层工作面向煤层顶板钻倾斜向上的常规超前炮孔，并使钻杆贯穿煤层顶板的坚硬岩层，并根据公式w0：w1＝r2：r2，获得采煤现场坚硬岩层单位钻进量的现场等效岩屑量w1；其中，r为采煤现场钻杆的钻头直径，r为模拟实验中所采用钻头的直径；
10.对采煤现场钻杆钻进过程中单位钻进量产生的岩屑量进行实时监测，并依据获得的现场等效岩屑量w1，判断煤层顶板的坚硬岩层在沿常规超前炮孔方向的范围；
11.利用扩孔设备对上述范围进行扩孔处理，并对超前炮孔进行不耦合装药爆破，以此实现煤层顶板的超前预裂；
12.其中，常规超前炮孔的扩孔处的装药量大于常规装药量，其余部位的装药量采用常规装药量。
13.具体的，所述常规超前炮孔布置在煤层局部强矿压区域上，并沿着煤层工作面向的延伸方向并排间隔设定距离布置的多个。
14.具体的，所述常规超前炮孔与水平面的夹角为60-75
°
。
15.具体的，所述常规超前炮孔的深度超出坚硬岩层30-50cm。
16.具体的，所述钻杆上形成有环形凹槽，所述扩孔设备包括若干个均布在所述环形凹槽中用于扩孔的扩孔件以及驱动若干所述扩孔件径向扩张或收缩以凸出或收容至所述环形凹槽的驱动组件。
17.具体的，所述扩孔件包括安装板和固定安装在所述安装板外侧的若干截齿。
18.具体的，所述驱动组件包括若干个与所述扩孔件数量一致的驱动缸，每个所述驱动缸的一端与所述钻杆固定连接，另一端与对应的所述扩孔件的内侧固定连接。
19.具体的，所述驱动缸采用油缸。
20.具体的，所述钻机上位于所述常规超前炮孔的正下方设有岩屑收集斗，所述钻机上设有对钻杆钻进深度进行测量的位移传感器。
21.具体的，所述钻机上还设有对收集的岩屑进行称重的称重计。
22.具体的，在工作面空顶范围内的爆破区域上方铺设钢丝网，以防止在爆破过程中顶板表面碎石飞溅。
23.与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：通过对采煤现场钻杆钻进过程中单位钻进量产生的岩屑量进行实时监测，并依据获得的现场等效岩屑量，精准确定超前炮孔需要扩孔的部位，从而为差异化装药提供装药空间，煤层顶板各岩层不仅爆破预裂效果好，而且可以保证成孔速度，实现工作面高产高效开采；此外，相比直接依靠地层柱状图获得超前炮孔的扩孔位置，可以实现坚硬岩层的精准定位，为煤层顶板的精准高效爆破提供基础。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
25.图1是本发明实施例涉及的常规超前炮孔施工示意图；
26.图2是本发明实施例涉及的扩孔设备扩张后示意图；
27.图3是本发明实施例涉及的扩孔设备收缩后示意图；
28.图4是图3中a-a方向剖视图；
29.其中：1、煤层顶板；101、坚硬岩层；102、普通岩层；2、钻机；201、钻杆；3、煤层工作面；4、常规超前炮孔；5、扩孔设备；501、扩孔件；5011、安装板；5012、截齿；502、驱动组件；6、环形凹槽；7、岩屑收集斗；8、位移传感器；9、称重计；10、液压支架；11、采空区。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.参见图1-图3，一种煤层顶板超前预裂方法，包括根据煤层顶板1的柱状图，对煤层顶板1的坚硬岩层101进行取样，并在原位受力环境下对取样所得试样进行钻孔模拟实验，获得试样单位钻进量的模拟岩屑量w0；
34.在采煤现场，利用钻机2驱动钻杆201朝煤层工作面3向煤层顶板1钻倾斜向上的常规超前炮孔4，并使钻杆201贯穿煤层顶板1的坚硬岩层101，并根据公式w0：w1＝r2：r2，获得采煤现场坚硬岩层101单位钻进量的现场等效岩屑量w1；其中，r为采煤现场钻杆201的钻头直径，r为模拟实验中所采用钻头的直径；
35.对采煤现场钻杆201钻进过程中单位钻进量产生的岩屑量进行实时监测，并依据获得的现场等效岩屑量w1，判断煤层顶板1的坚硬岩层101在沿常规超前炮孔4方向的范围，利用扩孔设备5对上述范围进行扩孔处理，并对超前炮孔进行不耦合装药爆破，以此实现煤层顶板1的超前预裂；其中，常规超前炮孔4的扩孔处的装药量大于常规装药量，其余部位的装药量采用常规装药量。
36.本实施例通过对采煤现场钻杆201钻进过程中单位钻进量产生的岩屑量进行实时监测，并依据获得的现场等效岩屑量，精准确定超前炮孔需要扩孔的部位，从而为差异化装药提供装药空间，煤层顶板1各岩层不仅爆破预裂效果好，而且可以保证成孔速度，实现工作面高产高效开采；此外，相比直接依靠地层柱状图获得超前炮孔的扩孔位置，本技术可以实现坚硬岩层101的精准定位，为煤层顶板1的精准高效爆破提供基础。
37.在一些实施例中，为保证煤层开采的安全，常规超前炮孔4布置在煤层局部强矿压区域上，并沿着煤层工作面3向的延伸方向并排间隔设定距离布置的多个。此外，综合考虑钻孔长度、施工速度等影响因素后，常规超前炮孔4与水平面的夹角优选选择为60-75
°
，常规超前炮孔4的深度则以致裂上覆坚硬岩层101为目的而设定，建议超出坚硬岩层101约30-50cm。
38.可以理解的是，在实际应用中，根据实验获得煤层顶板1各岩层对应岩石的波阻抗，依据岩层波阻抗和炸药阻抗抗的匹配关系以及所选炸药的密度，可以计算爆轰速度，确定超前炮孔与各个岩层位置对应处的装药量以及药卷数量，同时依据爆破设计方案中药卷的空间排列情况,可以确定常规超前炮孔4以及扩孔部位的尺寸。
39.参见图2-图4，在一些实施例中，钻杆201上形成有环形凹槽6，扩孔设备5包括若干个均布在环形凹槽6中用于扩孔的扩孔件501以及驱动若干扩孔件501径向扩张或收缩以凸
出或收容至环形凹槽6的驱动组件502，扩孔件501包括呈弧形的安装板5011和固定安装在安装板5011外侧的若干截齿5012，其中，安装板5011采用高强度钢板制作，截齿5012采用镶嵌或焊接等方式牢固固定在安装板5011上。
40.本实施例中，当需要对炮孔进行扩孔时，只需要将扩孔设备5移动至扩孔部位，利用驱动组件502带动扩孔件501径向扩张使得截齿5012始终紧贴炮孔内壁，之后钻机2带动钻杆201空转，即可利用截齿5012对炮孔内壁进行凿岩处理，以此实现炮孔的扩孔。
41.参见图4，具体的，驱动组件502包括若干个与扩孔件501数量一致的驱动缸，每个驱动缸的一端与钻杆201固定连接，另一端与对应的扩孔件501的安装板5011内侧固定连接，驱动缸与钻机2的控制系统连接，通过钻机2的控制系统控制驱动缸的移动。其中，驱动缸可以采用油缸。
42.参见图1，在另一些实施例中，在钻机2上位于常规超前炮孔4的正下方设有岩屑收集斗7，利用岩屑收集斗7可以对钻进过程中的岩屑进行收集，钻机2上设有对钻杆201钻进深度进行测量的位移传感器8，利用位移传感器8可以对钻杆201的钻进量进行实时监测，钻机2上还设有对收集的岩屑进行称重的称重计9，利用称重计9可以对收集的岩屑进行称重。
43.参见图1，具体的，煤层顶板1上覆岩层由普通岩层102和夹在两普通岩层102之间的坚硬岩层101组成，利用坚硬岩层101与普通岩层102之间的密度差异，会使得钻进过程中岩屑量出现突变情况，以此判断钻进过程中坚硬岩层101起始点和终点。
44.需要解释说明的是，在实际设计过程中，现场获取上覆岩层不同岩性的岩石，在实验室内还原不同岩层的原位受力环境，以半径为r的小直径钻头进行现场钻孔模拟，获得各个岩层单位钻进长度的岩屑量，然后以r2：r2的比值将其等效为现场直径为r的钻头单位钻进长度的岩屑量，获得不同岩层的现场等效岩屑量。
45.此外，在工作面空顶范围内的爆破区域上方还可以铺设钢丝网，起到防止在爆破过程中顶板表面碎石飞溅的目的。其次，为方便的将药卷送至扩孔部位，可以将各个药卷一一预绑在推送杆上后，利用推送杆将药卷一个个推送至炮孔指定位置，药卷在炮孔内的空间排列可以为成环形阵列布置，最外层的药卷可以利用粘结胶粘附在炮孔内壁上。
46.参见图1，本发明在爆破预裂施工完成后，液压支架10向前推进至煤层工作面3，然后采煤机进行正常的采煤作业，待液压支架10推过直接顶(距离支架最近的岩层时)常规超前炮孔4位置后，由于爆破以及钻孔的作用下，直接顶将会在采空区11跨段，然后随着采煤的进行液压之间的不断向前推进，煤层的顶板逐层在采空区11垮落，避免了顶板的切顶风险的同时，促进了顶板的及时垮落，规避了强矿压风险，消除其产生条件，进而达到高效精准快速的处理强矿压的风险。
47.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
48.同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构
(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
49.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
50.上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。