一种脉冲作业控制巷道底鼓方法

摘要

一种脉冲作业控制巷道底鼓方法，在巷道左右两侧的帮部与底板的两交接处，以一定的间距分别布设一排倾斜设置的钻孔；利用钻孔触探仪对钻孔进行探测；依次获得不同深度的深度岩层受压情况和位移信息数据，直至完成整个钻孔的探测过程；数据采集仪根据获得的钻孔内压力和位移的信息数据，结合受压变形情况可为后期底板致裂制定合理的参数；利用电脉冲装置对巷道底板上的钻孔进行致裂作业；观察冲击波致裂范围，在达到预期效果后，取出电脉冲装置，并进行下一邻近钻孔的冲击作业，直至整个巷道底板致裂作业全部结束；完成巷道底板另一侧的钻孔致裂作业；进行后期注浆锚杆加固。该方法探测精度高，切底速度快，修复效果好。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿井下巷道底鼓控制技术领域，具体涉及一种脉冲作业控制巷道底鼓方法。

背景技术

现阶段，我国煤矿开采主要为井工开采模式，这种模式中，坚硬顶板是采场强矿压的主要因素之一。在井下开采过程中，巷道会出现强烈的矿压显现。巷道强矿压显现主要是由于巷道帮部对底板的挤压，即挤压性底鼓问题，这主要是由于帮部和顶板岩层完整，底板为软弱岩层，因而底板应力集中程度高，易出现底板鼓起现象，其支护难度大、维护成本过高，甚至难以维护。动压巷道因受采动影响，其应力环境较为复杂，易产生大变形，在多次修复后仍难以保证矿井的安全高效开采。由于受到采动的影响，给巷道造成了二次破坏，发生底鼓现象较为严重。存在的这些矿压问题，严重影响煤矿的安全生产，需要一种脉冲作业的方式来控制巷道底鼓的发生，以减小生产成本。

现有技术中，在探测方面，我国钻孔探测原位测试方法有超声波探测法、钻孔触探法、钻孔剪切法等。而由于原有的钻孔触探法在探头上只有单一的探针，对钻孔围岩进行探测，在探测时不仅测试方位有偏差，而且测试数据也不够精准。在底板控制方面，传统的对顶板爆破方式存在炸药消耗大、有危险性、动力扰动大等缺点。在巷道修复加固方面，通常采用传统的人为铲平修复、刚体支柱支撑和传统锚杆加固的方式，这些方式存在成本高、费时费工、支护效果差等缺点。因此，在巷道围岩控制领域，急需一种集探测、切底、修复于一体的创新高效巷道底板控制技术。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种脉冲作业控制巷道底鼓方法，该方法探测过程不易出现偏差，探测精度高，同时，切底速度快、安全性好，不会造成二次污染，且切底过程中的动力扰动小，不会损坏原有的支护，再者，其修复效果好；该方法集探测、切底、修复于一体，能有效保证煤矿的安全生产工作。

为了实现上述目的，本发明提供一种脉冲作业控制巷道底鼓方法，包括钻孔触探仪和电脉冲装置，所述钻孔触探仪包括输送杆、升降器、探头、探针、手压泵和数据采集仪，所述输送杆为伸缩式杆件，输送杆的下端与升降器连接，其外径小于钻孔的内径；所述升降器安装在巷道内，升降器为可升降式结构，且俯仰角度可调节，从而不仅可以调整输送杆进入钻孔的深度，也可以调节输送杆的角度以适应不同角度的钻孔；所述探头安装在输送杆的上端，其顶端周身均匀的设置有四个径向安装孔，其内部还设置有连通到四个径向安装孔里端的油道，油道的进油口设置在探头的表面；探针的数量四个，四个探针分别安装在四个径向安装孔中，且两两成对的分布在x轴和y轴方向上；探针的里端外侧安装有活塞环，并通过活塞环与径向安装孔滑动密封配合，探针的长度小于径向安装孔的深度，且其里端还通过拉簧与径向安装孔的孔底连接；探针顶端的外部设置在压力传感器；在探头上设置有检测探针伸出长度的位移传感器；所述手压泵设置在巷道内，且通过油路与探头上的进油口连接；所述数据采集仪通过电缆与位移传感器和压力传感器连接；

所述电脉冲装置包括推杆、操作台、冲击波产生器、封孔器和控制器，所述推杆的上端与操作台连接，其外径小于钻孔的内径；所述操作台设置在巷道内，操作台用于控制推杆伸缩长度和俯仰角度的调节；所述冲击波产生器的尺寸小于钻孔的内径，其安装在推杆的上端，其外部相对的两侧固定嵌设有呈V字形的，聚能罩的里端与冲击波产生器的出口相连通；所述封孔器为筒式结构，其套设在推杆的外部，并与钻孔的孔口相配合，用于建立推杆与钻孔的孔口之间的密封连接；封孔器上设置有连通到其内腔中的注水口；控制器与操作台和冲击波产生器连接；

具体包括以下步骤；

S1：在巷道左右两侧的帮部与底板的两交接处，以一定的间距分别布设一排钻孔，每排钻孔均由巷道一侧倾斜45度向下且向外侧延伸到底板岩层中；每个钻孔的深度均为3m；

S2：利用钻孔触探仪对钻孔进行探测；通过调节升降器将输送杆放进钻孔的内部，并将探头输送到钻孔内的待测位置；启动手压泵工作通过油路和油道向径向安装孔中供油，油液同时推动四个活塞环向外侧移动，进而推动x轴方向上的两个探针分别沿x轴正、负两个方向同时伸出，推动y轴方向上的两个探针分别沿y轴正、负两个方向同时伸出；探针缓慢伸出后，其端部逐渐与岩层接触并压紧，直至深入到岩层中；数据采集仪利用压力传感器和位移传感器进行信号的实时采集，并根据采集的信号分析钻孔内压力和位移的信息数据，同时对信息数据进行记录和存储；断开手压泵和油路之间的连接，在拉簧的作用下，探针回缩到探头内部，再通过调节升降器带动输送杆回缩，使探头回缩至下一探测深度；依次获得不同深度的深度岩层受压情况和位移信息数据，直至完成整个钻孔的探测过程；

S3：数据采集仪根据获得的钻孔内压力和位移的信息数据，分析出不同深度岩层受压变形情况，并通过与其连接的显示装置进行受压变形情况的显示；结合受压变形情况推断出后续底板致裂所需的冲击波能量参数；

S4：利用电脉冲装置在巷道底板的第一个钻孔进行作业，通过操作台控制推杆伸入到钻孔的底部，利用封孔器封住钻孔的孔口，并通过连接在注水口上的水路进行注水作业；钻孔中注满水后，接通电源，冲击波通过冲击波产生器进行能量的释放，通过冲击波产生器上部安装的聚能罩将能量聚集瞬时释放，聚能罩进口尺寸小，出口尺寸大，且由进口向出口的尺寸逐渐向外部张开，能量释放的瞬间对岩层产生撕裂作用，冲击波沿着聚能罩方向定向致裂岩层，扩散的冲击波结合钻孔中的水形成电液效应，进而会对岩层进行撕裂式破坏，在冲击波重复作业时，岩层会产生裂隙，通过注水口持续低压注水，并保持恒定的水压，水沿着冲击波产生的裂隙，进入到岩层深部，利用水将冲击波耦合到岩层，水既能充当冲击波的传播介质，又能起到保护冲击波产生器的作用，重复进行多次冲击作业形成放射状致裂面，直至岩层裂隙扩展到指定范围，即完成该作业点的作业，接着收缩推杆至下一作业点位置，重复上一个作业点的作业方式，依次作业至距孔口0.3m处，即完成一个钻孔作业；控制器通过冲击波产生器能获得冲击波的实时延伸距离，进而获得致裂面的形状并在显示器上进行显示；

S5：通过控制器上连接的显示器观察冲击波致裂范围，在达到预期效果后，取出电脉冲装置，并进行下一邻近钻孔的冲击作业，重复步骤S4的操作，同时，通过水压的变化情况，判断当前钻孔的致裂范围是否与上一钻孔的致裂范围是否贯通，在两个相邻致裂面相通时，即完成该钻孔的冲击作业，并继续进行下一钻孔的冲击作业，直至整个巷道底板致裂作业全部结束，致裂作业全部结束后，巷道帮部与底板在致裂面处切断，阻断了巷道帮部对底板的挤压，减小巷道变形量；

S6：在巷道另一侧，重复步骤S4至步骤S5，完成巷道底板另一侧的钻孔致裂作业，切断巷道两侧帮部对底板的挤压；

S7：完成底板致裂后，根据底板的变形情况，进行后期注浆锚杆加固；在钻孔中先放入锚固剂，再打入注浆锚杆，从注浆锚杆上注浆口注入浆液，浆液沿着致裂面扩散，注浆量大，浆液与破碎岩体重新形成一个整体，增强了围岩的整体性，减小了底板的变形，底板变形控制过程完成。

进一步，为了提高锚固效果，在步骤S7中，所述注浆锚杆采用φ32mm×2800mm，锚固剂采用Z2270型中速树脂药卷，托盘尺寸为300mm×300mm×16mm。

进一步，为了提高锚固效果，在步骤S7中，所述注浆材料选用单液水泥浆液，水灰质量比为1:0.75，且搅拌时加入外加剂；外加剂为1:6的减水剂和膨胀剂的混合物，其浆液粘度24S，密度1.62G/CM

作为一种优选，所述钻孔孔径为75mm，相邻钻孔之间的间距为3m。

作为一种优选，所述探头直径54mm，探针直径5mm。

本方法中，通过对巷道钻孔进行前期的探测，能分析底板岩层受压情况，从而可以在必要时进行补强加固，以提高切断巷道帮部与底板作业的安全系数；采用探针进行探测时，每次测试均在垂直于钻孔的一个平面中进行，而探头上具有四个互相垂直的探针同时进行探测，能有效固定测试方位，有效的提高了探测精度。利用电冲击冲击波破碎岩层，形成致裂面，可以有效切断巷道两帮对底板的挤压，有效的完成了底板的卸压；该切断过程具有切断角度可控、作业区域可控和重复作业次数可控的特点；冲击波重复作业的时间很短，能使作业能快速、高效完成，不会造成二次污染，且动力扰动小，不会损坏原有的支护，同时，不会污染井下空气，安全性高。通过使聚能罩具有进口小，出口大的结构，能使冲击波瞬时释放出大量的能量，进而可以对周围岩层进行快速的撕裂，增加了初始冲击能量的强度；通过对巷道底板变形部分进行加固修复，保证了底板卸压后支护的稳固性和可靠性。本发明将探测、切底和修复过程系统的引入了煤矿巷道底板控制领域，改进了传统的钻孔触探法，取代了传统爆破和水力压裂的方法，增强了加固修复的支护效果，利用冲击波的可控性和高速传播特性，使整个沿空巷道切底卸压能快速、安全、高效的完成。使巷道帮部与底板在致裂面发生切断后，切断了帮部对底板的挤压，减小巷道形变量，通过锚注加固，使巷道底板更好的得到控制，并形成稳定的承载体，这样，既能做到底板载荷的有效卸除，也能避免下区段工作面回采对巷道造成二次采动影响。该方法操作过程简单，实施成本低廉，具有探测精准、切断快速安全、修复稳固等优点，有效保证了煤矿的安全高效生产工作，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明中巷道底板的示意图；

图2本发明中钻孔触探仪的结构示意图；

图3是本发明中钻孔与探头相配合的示意图；

图4是本发明中钻孔触探仪中探针触探的过程示意图；

图5是本发明中电脉冲装置的结构示意图；

图6是本发明中冲击波产生器与聚能罩的装配示意图；

图7是本发明中探头的结构示意图。

图中：1、致裂面，2、钻孔，3、岩层，4、电脉冲装置，5、巷道，6、手压泵，7、升降器，8、输送杆，9、探头，10、探针，11、电缆，12、数据采集仪，13、油路，14、控制器，15、聚能罩，16、操作台，17、冲击波产生器，18、推杆，19、封孔器，20、注水口，21、注浆锚杆，22、锚固剂，23、出浆口，24、径向安装孔，25、活塞环，26、拉簧，27、油道，28、进油口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图7所示，一种脉冲作业控制巷道底鼓方法，包括钻孔触探仪和电脉冲装置4，所述钻孔触探仪包括输送杆8、升降器7、探头9、探针10、手压泵6和数据采集仪12，所述输送杆8为伸缩式杆件，输送杆8的下端与升降器7连接，其外径小于钻孔2的内径；所述升降器7安装在巷道5内，升降器7为可升降式结构，且俯仰角度可调节，从而不仅可以调整输送杆8进入钻孔2的深度，也可以调节输送杆8的角度以适应不同角度的钻孔2；所述探头9安装在输送杆8的上端，其顶端周身均匀的设置有四个径向安装孔24，其内部还设置有连通到四个径向安装孔24里端的油道27，油道27的进油口28设置在探头9的表面；探针10的数量四个，四个探针10分别安装在四个径向安装孔24中，且两两成对的分布在x轴和y轴方向上；探针10的里端外侧安装有活塞环25，并通过活塞环25与径向安装孔24滑动密封配合，探针10的长度小于径向安装孔24的深度，且其里端还通过拉簧26与径向安装孔24的孔底连接；探针10顶端的外部设置在压力传感器；在探头9上设置有检测探针10伸出长度的位移传感器；所述手压泵6设置在巷道5内，且通过油路13与探头9上的进油口28连接；所述数据采集仪12通过电缆11与位移传感器和压力传感器连接；

所述电脉冲装置4包括推杆18、操作台16、冲击波产生器17、封孔器19和控制器14，作为一种优选，控制器14的核心为单片机；所述推杆18的上端与操作台16连接，其外径小于钻孔2的内径；所述操作台16设置在巷道5内，操作台16用于控制推杆18伸缩长度和俯仰角度的调节；所述冲击波产生器17的尺寸小于钻孔2的内径，其安装在推杆18的上端，其外部相对的两侧固定嵌设有呈V字形的，聚能罩15的里端与冲击波产生器17的出口相连通；所述封孔器19为筒式结构，其套设在推杆18的外部，并与钻孔2的孔口相配合，用于建立推杆18与钻孔2的孔口之间的密封连接；封孔器19上设置有连通到其内腔中的注水口20；控制器14与操作台16和冲击波产生器17连接；作为一种优选，冲击波的破碎半径可控制为1.5m；

具体包括以下步骤；

S1：在巷道5左右两侧的帮部与底板的两交接处，以一定的间距分别布设一排钻孔2，每排钻孔2均由巷道5一侧倾斜45度向下且向外侧延伸到底板岩层3中；每个钻孔2的深度均为3m；

S2：利用钻孔触探仪对钻孔2进行探测；通过调节升降器7将输送杆8放进钻孔2的内部，并将探头9输送到钻孔2内的待测位置；启动手压泵6工作通过油路13和油道27向径向安装孔24中供油，油液同时推动四个活塞环25向外侧移动，进而推动x轴方向上的两个探针10分别沿x轴正、负两个方向同时伸出，推动y轴方向上的两个探针10分别沿y轴正、负两个方向同时伸出；探针10缓慢伸出后，其端部逐渐与岩层3接触并压紧，直至深入到岩层3中，此时x、y轴方向相当于存在一对作用力反作用力，从而给探针10在探测时，提供了稳固的力，从而能得出准确的数据；数据采集仪12利用压力传感器和位移传感器进行信号的实时采集，并根据采集的信号分析钻孔2内压力和位移的信息数据，同时对信息数据进行记录和存储；断开手压泵14和油路13之间的连接，在拉簧26的作用下，探针10回缩到探头9内部，再通过调节升降器7带动输送杆8回缩，使探头9回缩至下一探测深度；依次获得不同深度的深度岩层3受压情况和位移信息数据，直至完成整个钻孔2的探测过程；

S3：数据采集仪12根据获得的钻孔2内压力和位移的信息数据，分析出不同深度岩层3受压变形情况，并通过与其连接的显示装置进行受压变形情况的显示；结合受压变形情况推断出后续底板致裂所需的冲击波能量参数，以保证能提供合适的，或者较大的能量可以有效的致裂岩层；

作为一种优选，还可以对巷道5底板未变形部分进行提前探测，分析出受压情况，以便及时采取相应的补救措施；

S4：利用电脉冲装置4在巷道5底板的第一个钻孔2进行作业，通过操作台16控制推杆18伸入到钻孔2的底部，利用封孔器19封住钻孔2的孔口，并通过连接在注水口20上的水路进行注水作业；钻孔2中注满水后，接通电源，冲击波通过冲击波产生器17进行能量的释放，通过冲击波产生器17上部安装的聚能罩15将能量聚集瞬时释放，聚能罩15进口尺寸小，出口尺寸大，且由进口向出口的尺寸逐渐向外部张开，能确保冲击波能量可靠稳定的作用于岩层3；冲击波沿着聚能罩15方向定向致裂岩层3，能量释放的瞬间对岩层3产生撕裂作用，扩散的冲击波结合钻孔2中的水形成电液效应，进而会对岩层3进行撕裂式破坏，在冲击波重复作业时，岩层3会产生裂隙，通过注水口20持续低压注水，并保持恒定的水压，水沿着冲击波产生的裂隙，进入到岩层3深部，利用水将冲击波进一步耦合到岩层3，水既能充当冲击波的传播介质，又能起到保护冲击波产生器2的作用，重复进行多次冲击作业形成放射状致裂面1，直至岩层3裂隙扩展到指定范围，即完成该作业点的作业，接着收缩推杆18至下一作业点位置，重复上一个作业点的作业方式，依次作业至距孔口0.3m处，即完成一个钻孔2作业；冲击波在重复作用岩层3时，每一次作用对于下一次作用都是一次疲劳过程；控制器14通过冲击波产生器17能获得冲击波的实时延伸距离，进而获得致裂面1的形状并在显示器上进行显示；

S5：通过控制器14上连接的显示器观察冲击波致裂范围，在达到预期效果后，取出电脉冲装置4，并进行下一邻近钻孔2的冲击作业，重复步骤S4的操作，同时，通过水压的变化情况，判断当前钻孔2的致裂范围是否与上一钻孔2的致裂范围是否贯通，在两个相邻致裂面1相通时，即完成该钻孔2的冲击作业，并继续进行下一钻孔2的冲击作业，直至整个巷道5底板致裂作业全部结束，致裂作业全部结束后，巷道5帮部与底板在致裂面1处切断，阻断了巷道5帮部对底板的挤压，减小巷道5变形量；

S6：在巷道5另一侧，重复步骤S4至步骤S5，完成巷道5底板另一侧的钻孔2致裂作业，切断巷道5两侧帮部对底板的挤压；

S7：完成底板致裂后，根据底板的变形情况，进行后期注浆锚杆21加固；在钻孔2中先放入锚固剂22，再打入注浆锚杆21，从注浆锚杆上注浆口23注入浆液，浆液沿着致裂面扩散，注浆量大，浆液与破碎岩体重新形成一个整体，增强了围岩的整体性，减小了底板的变形，底板变形控制过程完成。

为了提高锚固效果，在步骤S7中，所述注浆锚杆21采用φ32mm×2800mm，锚固剂22采用Z2270型中速树脂药卷，托盘尺寸为300mm×300mm×16mm。

为了提高锚固效果，在步骤S7中，所述注浆材料选用单液水泥浆液，水灰质量比为1:0.75，且搅拌时加入外加剂；外加剂为1:6的减水剂和膨胀剂的混合物，其浆液粘度24S，密度1.62G/CM

作为一种优选，所述钻孔2孔径为75mm，相邻钻孔4之间的间距为3m。

作为一种优选，所述探头9直径54mm，探针10直径5mm。

通过对巷道钻孔进行前期的探测，能分析底板岩层受压情况，从而可以在必要时进行补强加固，以提高切断巷道帮部与底板作业的安全系数；采用探针进行探测时，每次测试均在垂直于钻孔的一个平面中进行，而探头上具有四个互相垂直的探针同时进行探测，能有效固定测试方位，有效的提高了探测精度。利用电冲击冲击波破碎岩层，形成致裂面，可以有效切断巷道两帮对底板的挤压，有效的完成了底板的卸压；该切断过程具有切断角度可控、作业区域可控和重复作业次数可控的特点；冲击波重复作业的时间很短，能使作业能快速、高效完成，不会造成二次污染，且动力扰动小，不会损坏原有的支护，同时，不会污染井下空气，安全性高。通过使聚能罩具有进口小，出口大的结构，能使冲击波瞬时释放出大量的能量，进而可以对周围岩层进行快速的撕裂，增加了初始冲击能量的强度；通过对巷道底板变形部分进行加固修复，保证了底板卸压后支护的稳固性和可靠性。本发明将探测、切底和修复过程系统的引入了煤矿巷道底板控制领域，改进了传统的钻孔触探法，取代了传统爆破和水力压裂的方法，增强了加固修复的支护效果，利用冲击波的可控性和高速传播特性，使整个沿空巷道切底卸压能快速、安全、高效的完成。使巷道帮部与底板在致裂面发生切断后，切断了帮部对底板的挤压，减小巷道形变量，通过锚注加固，使巷道底板更好的得到控制，并形成稳定的承载体，这样，既能做到底板载荷的有效卸除，也能避免下区段工作面回采对巷道造成二次采动影响。该方法操作过程简单，实施成本低廉，具有探测精准、切断快速安全、修复稳固等优点，有效保证了煤矿的安全高效生产工作，具有广阔的应用前景。