一种用于煤矿井下的聚能侵彻定向致裂切顶卸压方法

本发明属于煤炭行业井工矿井切顶卸压弱化处理坚硬顶板的，具体涉及一种用于煤矿井下的聚能侵彻定向致裂切顶卸压方法。

背景技术：

1、随着经济发展，煤炭产量和消费量急剧增加，开采强度和深度逐年加深，开采条件变得非常复杂，顶板事故成为威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。由于坚硬顶板具有强度高、整体性强等特点，在开采过程中较难及时自然垮落，会造成悬顶现象。坚硬顶板大面积悬顶对采矿安全会造成极大影响，例如采煤工作面大面积悬顶可能会导致采场大范围来压显现，引发严重的动力灾害及压架等事故；同时由于悬顶在巷旁形成悬臂梁结构，使得沿空巷道所受的偏载过大，巷道出现大变形。针对坚硬顶板不及时垮落的问题，往往采取切顶卸压技术措施，人为调控采空区坚硬顶板的垮落状态，减小悬露面积，防止大面积顶板来压。如何控制切顶后的顶板开裂界面及垮落方向越来越受到重视，尤其在切顶卸压沿空留巷施工中，对顶板开裂方向及保留顶板免受损伤的要求更高，因此工程技术人员一直在探索安全高效的定向致裂切顶卸压方法。

2、目前可使用的切顶卸压弱化坚硬顶板的方法主要包括钻孔爆破和水压致裂。其中钻孔爆破方法是在钻孔内装入炸药，爆炸能量向四周释放，在钻孔周围形成放射状的随机裂纹，这种方法的优点是工序简单及适用条件广泛，但至少存在两方面的缺点：①钻孔周围的爆生裂隙方向随机，对切顶方向控制和保留顶板稳定产生不利影响；②若要使相邻钻孔的爆破裂隙相互贯通，所需的爆炸能量大，不仅浪费炸药，而且对周围环境造成的损伤和破坏难以控制。水压致裂方法是向封闭的钻孔内注入高压水致裂岩体，这种方法对加压设备要求高、常规设备难以达到致裂压力，专用设备价格昂贵，压裂方向较难控制，还会造成作业环境积水，妨碍正常生产，对顶板的岩性及完整性要求高，且压裂效果有待商榷。因此，传统做法的弊端显而易见，急需发展新的替代性技术。

3、综上所述，因煤矿井下切顶卸压对切缝方向控制的严苛要求，切顶卸压的关键在于使裂隙沿着预设方向扩展，避免裂隙朝向保留顶板范围发育，尽可能减弱对保留顶板完整性和强度的不利影响。

技术实现思路

1、本发明针对井工煤矿切顶卸压如何形成精准断裂面和避免保留岩体损伤的问题，提供一种用于煤矿井下的聚能侵彻定向致裂切顶卸压方法，本发明基于射孔弹高速聚能射流对岩石侵彻作用与岩石冲击断裂机理，提出聚能侵彻精准定向切顶方法，通过聚能侵彻作用在顶板岩体内形成定向切缝，可以实现精准致裂坚硬顶板的目标，取得定向切顶卸压的工程效果，对促进煤矿安全高效生产具有重要意义。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种用于煤矿井下的聚能侵彻定向致裂切顶卸压方法，包括如下步骤：

4、第一步，根据被处理岩体的坚硬程度，沿着预设的切顶方向，在顶板上按照给定钻孔间距l布置一排切顶钻孔，切顶时相邻钻孔之间的爆破损伤裂隙相互贯通；

5、第二步，切顶卸压一次爆破的钻孔数量为5个，当5个切顶钻孔施工好以后，开始实施聚能侵彻切顶卸压；5个钻孔同时起爆，沿着切顶钻孔的联孔方向产生叠加应力场并形成预裂切缝面。

6、第三步，每个切顶钻孔内安装聚能侵彻装置，当5个钻孔内的聚能侵彻装置均安装完成以后，按照串联方式将5个钻孔内的聚能侵彻装置连接；操作员启动起爆装置，用电缆发出电流激发导爆索沿着切顶钻孔的轴向被引燃，射孔弹内部的起爆药在瞬间被点燃，起爆药进一步引爆射孔弹内部的主炸药。

7、第四步，5个钻孔同时起爆，沿着切顶钻孔的联孔方向产生叠加应力场并形成预裂切缝面，实现沿空巷道定向致裂采空侧悬臂顶板的切顶卸压工程目的；

8、第五步，重复第一步至第四步，按照每个循环5个钻孔依次实施剩余巷道的聚能侵彻定向致裂切顶卸压。

9、进一步地，第一步中所述钻孔间距l的确定方法如下：当被处理岩体的单轴抗压强度p≤30mpa时，按照钻孔间距l=1.0m布置切顶钻孔；

10、当被处理岩体的单轴抗压强度30mpa＜p≤60mpa时，按照钻孔间距l=0.8m布置切顶钻孔；

11、当被处理岩体的单轴抗压强度p＞60mpa时，按照钻孔间距l=0.6m布置切顶钻孔。

12、进一步地，所述切顶钻孔的直径为75mm，切顶钻孔的轴线与水平面的夹角为90°，切顶钻孔的深度h为被处理岩体的深度。

13、进一步地，所述聚能侵彻装置包括套管，所述套管的侧壁沿套管轴向对称设有若干聚能孔，套管内沿套管轴向对称设有若干射孔弹；所述射孔弹包括截面呈v形的弹壳，弹壳的内侧设有截面呈v形的药型罩，弹壳和药型罩之间填充有主炸药，弹壳的锥角尖端设有起爆药，起爆药与主炸药相接触，套管内的射孔弹的起爆药通过导爆索串联。

14、进一步地，所述射孔弹的v形的弹壳的开口方向朝向聚能孔，弹壳的轴线与聚能孔的轴线位于同一直线。

15、进一步地，所述聚能孔等间距布置。

16、本发明通过聚能侵彻装置使爆轰产物在钻孔壁的非设定方向上产生均匀压力，而在设定的两个方向上产生集中拉力，实现岩体定向张拉致裂成缝。

17、聚能侵彻装置的切顶过程分为两个阶段。第一阶段，炸药产生的爆轰波在射孔弹内部传播，激发药型罩形成高速高能的金属射流，射流穿过套管的聚能孔并冲击钻孔壁，在钻孔壁的岩体内形成侵彻裂隙，侵彻裂隙是切顶裂缝的发育方向。第二阶段，炸药产生的爆生气体的膨胀作用沿着侵彻裂隙方向将岩体快速劈裂，使裂纹沿着侵彻裂隙的方向再次发育和延伸扩展，并与相邻钻孔的裂纹贯穿形成裂缝，使爆破裂缝呈现明显的方向性，避免非预裂方向围岩的破碎损伤。

18、聚能侵彻产生的定向裂缝改变了顶板岩层结构的连续赋存状态，切断了保留顶板与切落顶板岩层之间的应力传递路径，从而优化悬顶周围采掘作业空间的应力环境，达到切顶卸压的工程目的。

19、射孔弹的爆炸以及聚能侵彻过程为通过导爆索把起爆能量传递给射孔弹头部的起爆药，起爆药进一步引爆射孔弹药型罩内部的主炸药。药型罩内的主炸药爆炸后产生的爆轰波作用到药型罩上，使药型罩形成高温、高压、高速、高能量密度的聚能射流，聚能射流穿过套管上的聚能孔，并沿聚能孔方向对钻孔壁岩体进行侵彻破坏，形成初始导向裂隙，对裂隙的扩展和顶板断裂方向起控制作用。

20、聚能侵彻定向致裂顶板的聚能作用是利用射孔弹的薄层锥形药型罩产生聚能射流，聚能射流表现为一束极细的金属射流，这一金属射流是药型罩的产物。聚能射流的头部速度可达6～8km/s，对钻孔壁岩体产生的压力可达15万～30万mpa。聚能射流首先穿过套管的聚能孔，然后作用到钻孔壁岩体，并在钻孔壁岩体上形成定向侵彻裂隙。

21、所述的被处理岩体是位于井工矿井采场或巷道上方的坚硬岩层，是本发明方法切顶卸压处理的主要对象。

22、所述的聚能侵彻装置的套管上布置有定向聚能孔，套管的外径为72mm，套管的壁厚为3mm；套管材料为金属材质，能够经受得住射流和炸药爆炸产生的高温高压。在套管壁上呈180度方向布置有聚能孔，聚能孔的直径为12mm；沿套管轴向，相邻聚能孔的间距为50mm，长度为1.0m的单根套管上布置有20对聚能孔。单根套管的长度为1.0m，根据切顶钻孔的深度，通过丝扣连接可以任意加长套管的整体长度。

23、所述的套管上布置的聚能孔的直径为12mm，聚能孔所在位置为套管的薄弱点，射孔弹内部的炸药爆炸产生的能量穿过聚能孔并在钻孔壁岩体上形成侵彻裂隙，爆生气体沿聚能孔方向驱动裂纹，形成强力“气楔”，在垂直于设定方向上产生反向拉应力作用，裂纹不断扩展，最终使顶板岩体沿着设定的方向张拉开裂。

24、所述的射孔弹由弹壳、起爆药、主炸药和药型罩四部分组成。弹壳为钢质壳体，对承压能力要求高；起爆药是与主炸药相同类型的炸药，但灵敏度更高，用于引爆主炸药；主炸药是形成聚能射流的能量来源，为高能固体炸药；药型罩为射孔弹结构的锥形金属罩，与射孔弹外壳共同包裹主炸药，用于积聚炸药的爆炸能量。

25、所述的射孔弹的药型罩的锥角为60°，药型罩的壁厚为1.0mm，药型罩的材质为铁质金属。射孔弹内部的主炸药爆轰瞬间，药型罩金属材料被挤压、融化，形成药型罩金属射流，从套管的聚能孔喷出并侵彻钻孔壁生成定向侵彻裂隙。

26、所述聚能侵彻装置的导爆索采用煤矿许用导爆索，导爆索的作用是引燃射孔弹头部的起爆药，导爆索的直径为6.0mm，爆速≥6000m/s。

27、本发明的有益效果如下：

28、本发明以聚能侵彻装置定向侵彻钻孔壁岩体和爆破能量沿着侵彻方向积聚致裂岩体为创新点，提出的聚能侵彻定向致裂新型切顶卸压方法，具有能量集中、方向性强、穿透力大的特点，相比现有切顶方法具有如下优势：①能够控制爆生裂隙的发育和扩展方向，进一步引导顶板朝着爆生裂隙的方向定向垮落，达到精准切顶卸压的工程目的；②聚能侵彻的爆炸能量集中，减少了冲击波对钻孔壁整体的压缩作用，在指定方向上产生预期定向裂纹，使更多的能量转化为岩石的有效破碎能，岩体沿着裂纹方向形成断裂面。

29、与现有技术相比，本发明所提供的技术方案首先根据被处理岩体的坚硬程度，确定相邻切顶钻孔的间距；然后按照发明要求提供的钻孔参数打设切顶钻孔，并在钻孔内安装聚能侵彻装置；最后连线并引爆聚能侵彻装置，操作简单，能够适用于例如沿空巷道采空侧悬臂顶板、采煤工作面端头悬顶、综采工作面初采阶段顶板不能及时垮落等切顶卸压工程问题，可以控制裂隙的发育方向，提高切顶效率，为现场安全高效定向切顶卸压提供新途径，对减弱甚至杜绝井工矿井因为悬顶引发的顶板事故灾害、提高煤炭工业的整体科学技术水平和促进煤炭行业健康发展具有积极作用。