一种采空区顶板垮落及碎胀控制装置及方法

1.本发明属于煤层开采技术领域，具体涉及一种采空区顶板垮落及碎胀控制装置及方法。


背景技术：

2.地下采煤过程中，工作面间留设区段煤柱开采会造成资源浪费、巷道掘进量大、煤柱应力集中等问题。无煤柱自成巷110工法是一种新型无煤柱开采方法，由传统“一面两巷”的采掘模式改变为“一面一巷”模式，通过顶板预裂切缝爆破，切断工作面顶板应力传递，同时采用高预紧力恒阻大变形锚索对巷道顶板进行控制，当工作面开采后，在矿山压力作用下，工作面后方顶板岩层垮落碎胀，充填采空区，实现自动成巷和无煤柱开采。无煤柱自成巷开采技术可以有效减弱周期来压、减少采空区瓦斯、降低煤层自燃倾向，且能够大幅度降低回采巷道掘进率、提高煤炭资源回收率、降低煤炭开采成本。该技术的不断发展和完善，将推动我国煤矿向安全、高效、节约、绿色开采的方向高速发展，是我国从煤炭生产大国成长为煤炭工业强国的战略取向。
3.无煤柱自成巷110工法的关键技术之一为“双向聚能爆破预裂技术”，将特定规格的炸药装在两个设定方向有聚能效应的聚能装置中，炸药起爆后，炮孔围岩在非设定方向上均匀受压，而在设定方向上集中受拉，依靠岩石抗压怕拉的特性，使岩体按预裂方向拉裂成型。该技术对于形成定向预裂切缝，切断顶板应力传递路径具有优良成效，但仍存在以下不足：(1)软弱顶板岩层条件下，原有聚能装置在非设定方向上存在较大的能量损耗，易造成围岩损伤破坏；(2)坚硬顶板岩层条件下，顶板预裂后垮落矸石的块度尺寸较大，会导致垮落的冲击力较大以及岩层的碎胀性较差；(3)若欲使爆破裂隙率增大，相同条件下只能提高爆破装药量，这样会使得爆破冲击波相应扩大，顶板围岩扰动范围增加。
4.因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种采空区顶板垮落及碎胀控制装置，能够减少聚能装置在爆破过程中非设定方向上的能量损耗问题；同时本发明还提供了一种使用该控制装置的采空区顶板垮落及碎胀控制方法。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种采空区顶板垮落及碎胀控制装置，包括至少一个置于切缝钻孔内的聚能装置，所述聚能装置包括聚能管、定向聚能孔和流体套管，
8.两排所述定向聚能孔对称设置于所述聚能管径向的两侧；
9.所述流体套管套设于所述聚能管外，所述流体套管内填充有聚能流体，所述流体套管上设置有两排与所述聚能管相对应的所述定向聚能孔。
10.如上所述的采空区顶板垮落及碎胀控制装置，优选，所述聚能流体为d3o高分子聚能流体，
11.密封管依次穿过所述流体套管和所述聚能管相对应的定向聚能孔，用于密封定向聚能孔处的聚能流体；
12.所述流体套管的两端通过环形密封圈进行密封。
13.如上所述的采空区顶板垮落及碎胀控制装置，优选，所述定向聚能孔沿所述聚能管径向延伸，且与巷道顶板的切缝线平行；
14.所述流体套管对应采空区顶板的软弱岩层，所述流体套管的长度与软弱岩层的厚度相等。
15.如上所述的采空区顶板垮落及碎胀控制装置，优选，所述聚能装置还包括若干排非定向聚能孔，所述若干排非定向聚能孔设置于所述聚能管上对应采空区顶板的一侧。
16.如上所述的采空区顶板垮落及碎胀控制装置，优选，所述非定向聚能孔沿所述聚能管径向延伸。
17.如上所述的采空区顶板垮落及碎胀控制装置，优选，所述非定向聚能孔有三排，所述三排非定向聚能孔均布于所述两排定向聚能孔之间。
18.如上所述的采空区顶板垮落及碎胀控制装置，优选，所述非定向聚能孔位于所述聚能管对应采空区顶板的坚硬岩层处。
19.一种采空区顶板垮落及碎胀控制方法，采用了如上述任一项所述的采空区顶板垮落及碎胀控制装置，包括以下步骤：
20.步骤s1，确定软弱顶板与坚硬顶板的层位、厚度及硬度系数；
21.步骤s2，在保留巷道的回采帮与顶板夹角处，进行切缝钻孔施工，使切缝钻孔在一条直线上；
22.步骤s3，根据步骤s1的结果，制作并安装所述聚能装置；
23.步骤s4，向所述聚能装置内装入炸药后，将所述聚能装置安装在所述切缝钻孔内，并使两个定向聚能孔的连线方向平行于保留巷道的走向；
24.步骤s5，进行爆破试验，确定一次爆破孔数及装药方式；
25.步骤s6，对超前工作面进行顶板定向预裂爆破，当工作面推采后，采空区顶板定向垮落碎胀，成为矸石巷帮，留巷完成。
26.在如上所述的采空区顶板垮落及碎胀控制方法中，优选，所述步骤s3中，所述聚能装置的两排定向聚能孔的连线方向平行于巷道走向；
27.所述聚能装置的第一管段的长度等于软弱岩层的厚度；
28.所述聚能装置的第三管段的长度等于坚硬岩层的厚度。
29.在如上所述的采空区顶板垮落及碎胀控制方法中，优选，步骤s5中，首先进行单孔爆破试验，确定初步的装药量和封泥长度；
30.再进行间隔爆破试验，观察两相邻装药孔之间的窥视孔内的裂纹情况，如两相邻装药孔间窥视孔裂纹未达到裂缝率要求标准，则加大装药量重复进行间隔爆破试验，最终确定一次爆破孔数以及装药方式等。
31.有益效果：本发明在聚能管外套设流体套管，并在流体套管内注入d3o高分子聚能流体，由于d3o高分子聚能流体主要由d3o材料制成，在正常情况下，d3o分子间只有很弱的连接力，并且可以自由运动，所以材料柔软、可弯曲。但当突然受到外力的冲击而变形时，就会引起d3o中分子间的连接力增强，可自由运动的分子立即被冻结，使材料变得非常坚硬，
可抵抗冲击能量，成为具有保护性的盾牌。冲击结束后，d3o仍然还可以恢复到原有的柔软状态，整个过程瞬时而可逆。因此，在预裂爆破过程中，流体套管内注入d3o高分子聚能流体可以很好的降低非设定方向上的能量损耗，使得爆破所产生的冲击波能量向着设定方向冲击，使得切缝效果大大提高。
附图说明
32.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
33.图1为本发明中巷道顶板切缝位置剖面图的结构示意图；
34.图2为本发明中岩层的结构示意图；
35.图3为本发明中聚能装置的结构示意图；
36.图4为图3中聚能装置的i-i剖面图；
37.图5为图3中聚能装置的ii-ii剖面图；
38.图6为图3中聚能装置的iii-iii剖面图；
39.图7为i-i剖面软弱岩层的切顶效果俯视图；
40.图8为iii-iii剖面坚硬岩层的切顶效果俯视图；
41.图9为密封管的安装结构示意图。
42.图中各个附图标记对应的名称为：1-采空区；2-切缝线；3-恒阻锚索支护体；4-不同岩性及层位的煤层顶板；51-软弱岩层；52-非软弱-非坚硬岩层；53-坚硬岩层；6-聚能装置，61-聚能管内壁，62-聚能管外壁，63-定向聚能孔；64-非定向聚能孔；65-d3o高分子聚能流体；66-流体套管；7-巷道中心线；8-切缝钻孔；9-保留巷道的顶板；10-垮落后的采空区顶板；11-密封管。
具体实施方式
43.下面将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的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
45.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
46.本发明中一种采空区顶板垮落及碎胀控制装置的实施例：
47.如图1-9所示，一种采空区顶板垮落及碎胀控制装置，包括至少一个置于切缝钻孔8内的聚能装置6，使用时，聚能装置6与切缝钻孔8一一对应。
48.聚能装置6包括聚能管、定向聚能孔63和流体套管66。
49.两排定向聚能孔63对称设置于聚能管径向的两侧，定向聚能孔63用于与切缝线2连通。
50.流体套管66套设于聚能管外，流体套管66内填充有聚能流体，具体为，流体套管66为空心结构，流体套管66包括内管和外管，内管与外管之间具有一定的间距，聚能流体设置于位于内管和外管之间的间隙内。
51.流体套管66上对应设置有两排定向聚能孔63。聚能流体由非牛顿流体材料制成，非牛顿流体材料是一种具有剪切增稠特性的材料。
52.在本发明的一个优选实施例中，聚能流体为d3o高分子聚能流体65，其采用d3o非牛顿流体材料制成。在其它实施例中，聚能流体(非牛顿流体)还可以为其它型号的聚能流体，例如：钻井时使用的钻井液或完井液等高分子聚合物的浓溶液。
53.在本发明的一个优选实施例中，密封管11依次穿过流体套管66和聚能管相对应的定向聚能孔63，用于密封定向聚能孔63处的聚能流体。流体套管66的两端通过环形密封圈进行密封，该环形密封圈为pvc材料。
54.在本发明的一个优选实施例中，聚能管和流体套管66的制作材料为pvc。聚能管包括均为实心的聚能管内壁61和聚能管外壁62。与现有技术相比，本发明的聚能装置6通过增加流体套管66和d3o高分子聚能流体65，可以有效减弱定向预裂过程中非设定方向上的能量损耗。
55.在本发明的一个可选实施例中，定向聚能孔63，沿聚能管径向延伸，且与切缝线2平行。
56.在本发明的一个可选实施例中，整个聚能管外均套设有流体套管66。在本发明的其它可选实施例中，部分聚能管外套设有流体套管66。
57.在本发明的一个可选实施例中，流体套管66对应采空区顶板的软弱岩层51，流体套管66的长度与软弱岩层51的厚度相等。
58.在本发明的一个可选实施例中，聚能装置6还包括若干排非定向聚能孔64(例如：1排、2排、3排、4排、5排、6排、7排或8排)，若干排非定向聚能孔64设置于聚能管上对应采空区顶板的一侧。
59.在本发明的一个可选实施例中，非定向聚能孔64沿聚能管径向延伸。
60.在本发明的一个可选实施例中，非定向聚能孔64有三排，三排非定向聚能孔64均布于两排定向聚能孔63之间。
61.在本发明的一个可选实施例中，非定向聚能孔64位于聚能管对应采空区顶板的坚硬岩层53处。
62.在本发明的一个优选实施例中，聚能管包括第一管段、第二管段和第三管段，第一管段对应设置于软弱岩层，流体套管66套设于第一管段外。第二管段对应设置于非软弱-非坚硬岩层，第三管段对应设置于坚硬岩层，非定向聚能孔64位于第三管段。每排非定向聚能孔64沿第三管段的轴向间隔设置。在本实施例中，第二管段和第三管段位于第一管段的两侧。在其它实施例中，还可以岩层的具体情况，调整各个管段的具体位置。
63.具体为，对于软弱的顶板岩层(硬度系数f＜5)，采用流体套管66内注入d3o高分子聚能流体65、不增加聚能孔排数的方式进行处理。d3o高分子聚能流体65主要由d3o材料制成，在正常情况下，d3o分子间只有很弱的连接力，并且可以自由运动，所以材料柔软、可弯
曲。但当突然受到外力的冲击而变形时，就会引起d3o中分子间的连接力增强，可自由运动的分子立即被冻结，使材料变得非常坚硬，可抵抗冲击能量，成为具有保护性的盾牌。冲击结束后，d3o仍然还可以恢复到原有的柔软状态，整个过程瞬时而可逆。因此，在预裂爆破过程中，流体套管66内注入d3o高分子聚能流体65可以很好的降低非设定方向上的能量损耗，使得爆破所产生的冲击波能量向着设定方向冲击，使得切缝效果大大提高。
64.对于坚硬的顶板岩层(硬度系数f＞10)，采用流体套管66不注入d3o高分子聚能流体65、但增加聚能孔排数的方式来使坚硬岩层破碎块度降低。增加聚能孔排数是在原有2排聚能孔(两排聚能孔的连线方向平行于巷道走向)的基础上，在非设定方向增加3排朝向采空区的非定向聚能孔64，爆破时冲击能量更易进入非设定方向的坚硬岩层内部，破坏其完整性，使垮落矸石体积减小，增大碎胀性。
65.本发明中一种采空区顶板垮落及碎胀控制方法的实施例：
66.一种采空区顶板垮落及碎胀控制方法，采用了如上述任一种采空区顶板垮落及碎胀控制装置，包括以下步骤：
67.步骤s1，确定软弱顶板与坚硬顶板的层位、厚度及硬度系数；
68.步骤s2，在保留巷道的回采帮与顶板夹角处，进行切缝钻孔8施工，使切缝线2和切缝钻孔8在一条直线上；
69.步骤s3，根据步骤s1的结果，制作并安装聚能装置6；
70.步骤s4，向聚能装置6内装入炸药后，将聚能装置6安装在切缝钻孔8内，并使两个定向聚能孔63的连线方向平行于保留巷道的走向；
71.步骤s5，进行爆破试验，确定一次爆破孔数及装药方式；
72.步骤s6，对超前工作面进行顶板定向预裂爆破，当工作面推采后，采空区顶板定向垮落碎胀，成为矸石巷帮，留巷完成。
73.在本发明的一种可选实施例中，一种采空区顶板垮落及碎胀控制方法，包括以下步骤：
74.步骤s1，对顶板岩层钻孔取芯，确定软弱顶板与坚硬顶板的层位及厚度，并采用标准三轴测试设备测定其硬度系数；
75.步骤s2，超前工作面50m以上进行切缝钻孔8施工，施工位置位于保留巷道的回采帮与顶板夹角处，需使切缝钻孔8在一条直线上。切缝钻孔8深度、角度以及间距根据理论计算和数值分析综合确定。
76.步骤s3，根据步骤s1的取样及测试结果，制作聚能装置6。其中，聚能装置6中聚能管的制作材料为pvc。
77.聚能装置6主要分为三个部分：
78.①
在聚能装置6所对应的软弱岩层部分加工流体套管66并注入d3o高分子聚能流体65，该部分长度由软弱岩层的厚度决定，即聚能装置6的第一管段的长度等于软弱岩层的厚度。
79.具体为，流体套管66下端口通过环形密封圈密封，该环形密封圈为pvc材料，在流体套管66上开设两排与聚能管相对应的定向聚能孔，在该定向聚能孔内设置密封管11(用于密封聚能孔处的聚能流体)；然后将流体套管66套设于聚能管所对应的软弱岩层部分的外部，接着在流体套管内注入d3o高分子聚能流体65，最后采用环形密封圈(pvc材料)对流
体套管66进行封顶处理，以实现聚能流体的密封。
80.②
聚能装置6所对应的坚硬岩层部分加工非定向聚能孔64，该非定向聚能孔64面向采空区，其长度同样根据坚硬岩层的厚度决定，即聚能装置6的第三管段的长度等于坚硬岩层的厚度。
81.③
根据设计的切缝深度，除上述特殊加工部分以外，非软弱-非坚硬岩层部分采用两排定向聚能孔63布置(两排定向聚能孔63的连线方向平行于巷道走向)。
82.步骤s4，将二级煤矿乳化炸药装入改进后的聚能装置6内，并用铁丝固定；将改进后的聚能装置6安装在切缝钻孔8内，并使两排定向聚能孔63的连线方向平行于保留巷道的走向。切缝钻孔8中改进后的聚能装置6的数量、长度以及乳化炸药的装药方式根据现场情况确定。
83.步骤s5，首先进行单孔爆破试验，确定初步的装药量和封泥长度；再进行间隔爆破试验，观察两相邻装药孔之间的窥视孔内的裂纹情况，如两相邻装药孔间窥视孔裂纹未达到裂缝率要求标准，则加大装药量重复进行间隔爆破试验，最终确定一次爆破孔数以及装药方式等。
84.步骤s6，对超前工作面进行顶板定向预裂爆破，当工作面推采后，采空区顶板定向垮落碎胀，成为矸石巷帮，留巷完成。
85.由于超前工作面进行顶板定向预裂爆破，爆破会使得改进后的聚能装置6中的pvc材料发生粉碎，但d3o高分子聚能流体65仍然还可以恢复到原有的自由运动状态，由于失去了流体套管66的约束，会从切缝孔流出，统一回收处理后不会污染环境。
86.综上所述，本发明在通过在现有聚能装置6的基础上加入了流体套管66、d3o高分子聚能流体65以及增加了聚能孔的数量，可以有效减弱定向预裂过程中非设定方向上的能量损耗、降低垮落矸石块度大小以及增大破岩裂隙率等优势。
87.可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本技术实施例对此并不进行限定。
88.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。