一种临空巷道回采工作面坚硬顶板地面脉冲切顶方法

摘要

一种临空巷道回采工作面坚硬顶板地面脉冲切顶方法，在巷道顶部开设一个竖向的钻孔，钻孔的孔底延伸到坚硬岩层中；利用钻孔触探仪对钻孔进行探测，结合压力情况判断出坚硬岩层对巷道围岩的压力；在回采工作面两侧的煤柱正上方均开设L形钻孔，其竖直段从地面向下延伸至煤柱正上方坚硬岩层的1/2位置处，其水平段沿着工作面推进方向一直延伸至需切顶的坚硬岩层边界；利用封孔器封住L形钻孔的孔口，通过连接在注水口上的水路进行注水作业，接通电源，利用冲击波进行致裂；通过控制器上连接的显示器观察冲击波致裂范围，直至整个工作面推进方向上坚硬岩层两侧同时致裂切断。该方法探测过程不易出现偏差，探测精度高，同时，切顶速度快、安全性好。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿切顶卸压技术领域，具体涉及一种临空巷道回采工作面坚硬顶板地面脉冲切顶方法。

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。临空巷道强矿压显现主要原因之一是因为顶板坚硬，在巷道上方有很大的悬顶，导致巷道变形严重；另一个原因是在工作面推过后，临空巷道采空区上覆坚硬顶板悬顶面积大，后期突然垮落产生的飓风和冲击地压会造成人员、设备的损伤，影响矿井安全生产；因此，回采工作面坚硬顶板的切顶卸压是非常必要的，为了消除安全隐患，需要提供一临空巷道回采工作面坚硬顶板地面脉冲切顶的方法来防止坚硬顶板带来的危害，以提高作业的安全系数。

另外，现有技术在探测方面，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只在探头上安装单一的探针，对钻孔围岩进行探测时不仅测试方位容易出现偏差，而且测试数据也不够精准，进一步增加了煤矿安全生产工作的隐患。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种临空巷道回采工作面坚硬顶板地面脉冲切顶方法，该方法探测过程不易出现偏差，探测精度高，同时，切顶速度快、安全性好，不会造成二次污染，且切顶过程中的动力扰动小，不会损坏原有的支护，能有效保证煤矿的安全生产工作。

为了实现上述目的，本发明一种临空巷道回采工作面坚硬顶板地面脉冲切顶方法，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，其外径小于待探测的钻孔的内径；所述升降器固定安装在沿空巷道内，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；所述手压泵设置在沿空巷道内，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，所述推杆为柔性可折弯杆件，其一端与操作台连接；所述操作台设置在地面上，操作台用于控制推杆收缩长度的调节；所述冲击波产生器的尺寸小于待作业的L形钻孔的内径，其安装在推杆的另一端，其外部相对的两侧固定嵌设有呈V字形的聚能罩，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L形钻孔的孔口相配合，用于建立推杆与L形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；

还包括如下步骤：

S1：在巷道的顶部开设一个竖向延伸的钻孔，钻孔的孔底延伸到坚硬岩层中；

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，其端部逐渐与坚硬岩层接触并压紧，直至深入到坚硬岩层中；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坚硬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，分析出坚硬岩层的压力情况，并通过与其连接的显示装置进行压力情况的显示；结合压力情况判断出坚硬岩层对巷道围岩的压力；

S4：在回采工作面两侧的煤柱正上方均开设L形钻孔，开设L形钻孔时先开设其竖直段，再开设其水平段，L形钻孔的竖直段从地面向下延伸至煤柱正上方坚硬岩层的1/2位置处，L形钻孔的水平段沿着工作面推进方向一直延伸至需切顶的坚硬岩层边界，在开设L形钻孔的竖直段过程中通过操作台控制推杆远离操作台的一端进入到L形钻孔的竖直段的底部，在开设L形钻孔的水平段过程中利用辅助杆件将推杆远离操作台的一端带入L形钻孔的水平段的底部；

S5：利用封孔器封住L形钻孔的孔口，以封住作业段，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，能确保冲击波能量可靠稳定的作用于坚硬岩层；冲击波沿着聚能罩方向定向致裂坚硬岩层，冲击波能量释放的瞬间对坚硬岩层产生撕裂作用，扩散的冲击波结合钻孔中的水形成电液效应，对坚硬岩层进行压缩式破坏，在冲击波重复作业过程中，坚硬岩层会产生裂隙，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坚硬岩层深部，利用水将冲击波进一步耦合到坚硬岩层中，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直至坚硬岩层裂隙扩展到坚硬岩层的上下边界，即完成该作业点的作业，接着通过操作台收缩推杆带动冲击波产生器退至水平段中下一作业点的位置，重复上一个作业点的作业方式，直至整个水平段上的作业点全部完成致裂作业；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；

S6：通过控制器上连接的显示器观察冲击波致裂范围，并观察在下一邻近作业点作业过程中水压的变化情况，结合水压的变化情况判断下一邻近作业点的致裂裂隙是否与上一个作业点的致裂范围贯通，在两个相邻作业点的致裂面相通时，即完成该作业点的致裂作业，并继续进行下一作业点的致裂作业，直至整个工作面推进方向上坚硬岩层两侧同时致裂切断，形成位于回采工作面两侧的两个致裂面，随着工作面的推进，坚硬岩层随着垮落步距及时垮落至采空区，完成了坚硬岩层顶板切顶工作。

作为一种优选，所述L形钻孔的孔径大于冲击波发生器的外径，L形钻孔孔径为75mm。

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，能分析坚硬岩层的压力情况，从而可以判断出坚硬岩层对巷道围岩的压力，以提高切顶作业的安全系数；采用探针进行探测时，每次测试均在一个垂直钻孔的竖直平面中进行，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坚硬岩层，形成致裂面，进而使回采工作面两侧完成卸压，具有切顶角度可控、作业区域可控和重复作业次数可控的特点；再者，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；通过在地面上设置电脉冲装置，并使L形钻孔的竖直段的孔口设置在地布，能便捷的完成切顶作业，不占用地下生产空间，不耽误生产，可超前工作面作业，使工作面推过后，坚硬顶板随着垮落步距，逐渐垮落至采空区。本发明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，增强了切顶的效率，并提高了切顶的效果和可靠性，使整个回采工作面坚硬顶板切顶工作能快速、安全、高效的完成。该方法操作过程简单，实施成本低廉，具有探测精准、切顶快速安全等优点，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是本发明中切顶前沿工作面方向示意图；

图2是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的结构示意图；

图7是本发明中沿工作面推进方向冲击波作业的剖面图；

图8是本发明中切顶后沿工作面方向示意图；

图9是本发明中探头的结构示意图。

图中：1、致裂面，2、L形钻孔，3、坚硬岩层，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、锥形聚能罩，16、操作台，17、冲击波产生器，18、推杆，19、封孔器，20、注水口，21、采空区，22、煤柱，23、钻孔，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的描述：

如图1至图9所示，本发明的一种临空巷道回采工作面坚硬顶板地面脉冲切顶方法，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，其外径小于待探测的钻孔23的内径；所述升降器7固定安装在沿空巷道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23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23；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设置在沿空巷道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的核心采用单片机；所述推杆18为柔性可折弯杆件，其一端与操作台16连接；所述操作台16设置在地面上，操作台16用于控制推杆18收缩长度的调节；所述冲击波产生器17的尺寸小于待作业的L形钻孔2的内径，其安装在推杆18的另一端，其外部相对的两侧固定嵌设有呈V字形的聚能罩15，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L形钻孔2的孔口相配合，用于建立推杆18与L形钻孔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；

还包括如下步骤：

S1：在巷道5的顶部开设一个竖向延伸的钻孔23，钻孔23的孔底延伸到坚硬岩层3中；S2：利用钻孔触探仪对钻孔23进行探测；通过调节升降器7将输送杆8放进钻孔23的内部，并将探头9输送到钻孔23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，其端部逐渐与坚硬岩层3接触并压紧，直至深入到坚硬岩层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23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6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坚硬岩层3受压情况和位移信息数据，直至完成整个钻孔23的水平探测过程；

S3：数据采集仪12根据获得的钻孔23内压力和位移的信息数据，分析出坚硬岩层3的压力情况，并通过与其连接的显示装置进行压力情况的显示；结合压力情况判断出坚硬岩层3对巷道5围岩的压力；也可进行提前探测，分析出受压情况，以便及时采取相应的补救措施；

S4：在回采工作面两侧的煤柱22正上方均开设L形钻孔2，开设L形钻孔2时先开设其竖直段，再开设其水平段，L形钻孔2的竖直段从地面向下延伸至煤柱2正上方坚硬岩层3的1/2位置处，L形钻孔2的水平段沿着工作面推进方向一直延伸至需切顶的坚硬岩层3边界，在开设L形钻孔2的竖直段过程中通过操作台16控制推杆18远离操作台16的一端进入到L形钻孔2的竖直段的底部，在开设L形钻孔2的水平段过程中利用辅助杆件将推杆18远离操作台16的一端带入L形钻孔2的水平段的底部；

S5：利用封孔器19封住L形钻孔2的孔口，以封住作业段，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坚硬岩层3；冲击波沿着聚能罩15方向定向致裂坚硬岩层3，冲击波能量释放的瞬间对坚硬岩层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，对坚硬岩层3进行压缩式破坏，在冲击波重复作业过程中，坚硬岩层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坚硬岩层3深部，利用水将冲击波进一步耦合到坚硬岩层3中，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直至坚硬岩层3裂隙扩展到坚硬岩层3的上下边界，即完成该作业点的作业，接着通过操作台16收缩推杆18带动冲击波产生器17退至水平段中下一作业点的位置，重复上一个作业点的作业方式，直至整个水平段上的作业点全部完成致裂作业；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；

S6：通过控制器21上连接的显示器观察冲击波致裂范围，并观察在下一邻近作业点作业过程中水压的变化情况，结合水压的变化情况判断下一邻近作业点的致裂裂隙是否与上一个作业点的致裂范围贯通，在两个相邻作业点的致裂面1相通时，即完成该作业点的致裂作业，并继续进行下一作业点的致裂作业，直至整个工作面推进方向上坚硬岩层3两侧同时致裂切断，形成位于回采工作面两侧的两个致裂面1，随着工作面的推进，坚硬岩层3随着垮落步距及时垮落至采空区21，完成了坚硬岩层3顶板切顶工作。

作为一种优选，所述L形钻孔2的孔径大于冲击波发生器17的外径，L形钻孔2孔径为75mm。

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，能分析坚硬岩层的压力情况，从而可以判断出坚硬岩层对巷道围岩的压力，以提高切顶作业的安全系数；采用探针进行探测时，每次测试均在一个垂直钻孔的竖直平面中进行，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坚硬岩层，形成致裂面，进而使回采工作面两侧完成卸压，具有切顶角度可控、作业区域可控和重复作业次数可控的特点；再者，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；通过在地面上设置电脉冲装置，并使L形钻孔的竖直段的孔口设置在地布，能便捷的完成切顶作业，不占用地下生产空间，不耽误生产，可超前工作面作业，使工作面推过后，坚硬顶板随着垮落步距，逐渐垮落至采空区。本发明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，增强了切顶的效率，并提高了切顶的效果和可靠性，使整个回采工作面坚硬顶板切顶工作能快速、安全、高效的完成。该方法操作过程简单，实施成本低廉，具有探测精准、切顶快速安全等优点，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。