基于滞留式静态膨胀药卷的综采面端头悬顶致裂施工方法

本发明属于矿业工程，具体涉及基于滞留式静态膨胀药卷的综采面端头悬顶致裂施工方法。

背景技术：

1、开采赋存有坚硬顶板煤层的综采工作面在生产过程中，常常会存在两端头出现顶板悬顶面积较大的问题，并且随着巷道锚杆（索）技术的进步和支护强度的加大，工作面端头悬顶问题越来越突出。工作面端头的顶板在采场煤壁前方做为回采巷道顶板需要维护其稳定以保证正常的安全生产，在采场煤壁后方尤其是在端头支架之后需要其断裂并及时垮落，以防止空顶面积过大带来的安全隐患。但是回采巷道进入超前支护范围以后（包括采场及端头支架范围），巷道安装有较多的大型设备如超前支架、转载机、破碎机、端头支架、刮板机头（尾）等，无法再进行钻孔、致裂等工程的施工。因此，打钻孔、顶板致裂等工程只能在回采巷道的超前支护范围以外进行。

2、坚硬难冒顶板的煤层采用长壁工作面开采时，在工作面两端头的采空区易形成大面积悬顶，悬顶在超过极限面积后，大面积的顶板在极短时间内冒落，会严重影响工作面的安全生产。近年来，随着锚杆（索）支护技术的快速发展，回采巷道的支护强度越来越高，综采面两端头的大面积悬顶问题越来越多。目前解决此问题的主要方法是提前对巷道顶板、工作面顶板进行预裂，预裂时施工顶板钻孔，然后使用炸药爆破、破碎剂、水力压裂或机械方式将顶板预裂。但是工作面端头采空区的顶板在采场煤壁的前方是回采巷道的顶板，提前对巷道顶板致裂会影响到巷道围岩稳定，甚至还需要进行加强支护，当顶板进行入到回采巷道超前支护范围以内（包括采场和端头支架范围）时，巷道内安装了大量的装备，巷道空间狭小，很难施工钻孔和致裂工程，并且影响正常的回采工作。

3、目前，煤矿井下使用的致裂顶板方法主要有以下四种：

4、一是采用二氧化碳致裂技术。利用二氧化碳受热后由液态转为气态，产生体积膨胀的原理使顶板开裂，但是该技术仅适用于较完整的顶板，应用范围相对较小，存在着二氧化碳的储存、运输与应用过于不便的问题，且二氧化碳含量超标会造成一定危险，影响煤矿井下安全生产。

5、二是水力压裂技术。为向钻孔内注入高压水分段压裂顶板岩石并破坏其完整性，应用广泛，但需要较大设备、人为管控压裂效果较差、施工效率低、破岩效率一般、影响正常生产等问题。

6、三是炸药爆破技术。通过在顶板进行深孔爆破将顶板坚硬岩层致裂，随工作面回采顶板自行垮落，是目前应用范围最广、效果最好的顶板致裂技术，但存在着成本较高、有明火及有害气体、造成大量粉尘、破坏面积较大、易造成工程地质灾害、危险性较高、能量利用率较低、炸药材料保存与运输安全和炸药材料管控严格、影响正常生产等问题。

7、四是静态致裂技术。本技术也分为两种，第1种是利用注浆泵向钻孔内注入静态破碎剂浆液，利用膨胀压力致裂顶板岩石，随工作面回采，巷道顶煤出现冒落，且冒落范围逐渐扩大，自由面不断增加，顶板发生坍塌。但是对于生产能力大的矿山，利用注浆泵灌注膨胀剂浆料施工工序较复杂，影响施工进度，难以在现场推广使用。并且灌注式需要将顶板钻孔从下致上全部灌满，致裂没有对坚硬顶板的选择性，无差别的对全部岩层进行致裂，浪费材料。第2种是将膨胀药剂装入药卷中，药卷装入钻孔前先浸入水中吸水，吸满水的药卷需要快速的装入钻孔内膨胀致裂。此方法仍然存在药卷安装不能精准选择坚硬岩层段，膨胀药卷装入钻孔后膨胀致裂很快就会发生，不能根据工程条件方便灵活的使用。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种与回采作业联动进行、可滞留钻孔内进行注水反应膨胀、安全可靠、节约成本的基于滞留式静态膨胀药卷的综采面端头悬顶致裂施工方法，通过引入过渡连接管，实现了钻孔内静态膨胀药卷的间隔式安装，可以针对钻孔中坚硬岩层段进行精准安装膨胀药卷，综采面端头顶板在“矿压+自重+膨胀应力”的综合作用下快速断裂、垮落，从而避免大面积端头悬顶的发生。

2、本发明采用如下技术方案：基于滞留式静态膨胀药卷的综采面端头悬顶致裂施工方法，包括以下步骤：

3、（1）在回采巷道内位于超前支护段前方的顶板内施工若干个钻孔；

4、（2）将静态致裂药卷棒组件逐根串联放入钻孔内；

5、（3）钻孔孔口处封孔，预留与静态致裂药卷棒组件连接的注水管，并将注水管延伸固定到回采巷道的一帮；

6、（4）采煤工作面向前推进，超前支护段的液压支架或单体支柱逐步向前推移并支护已安放静态致裂药卷棒组件的回采巷道顶板，重复步骤（1）-（3）；

7、（5）直到采煤工作面煤壁推进到步骤（1）施工的钻孔位置，通过注水管向安装有静态致裂药卷棒组件的钻孔内注水，静态致裂药卷棒组件吸水反应膨胀，膨胀过程中将顶板致裂，致裂的顶板在采煤工作面煤壁后方自动垮落。

8、所述的静态致裂药棒组件包括通过双锥直通接头竖向串联且内部连通的若干根膨胀药卷和若干根过渡连接管，串联中两根膨胀药卷相邻、两根过渡连接管相邻或者膨胀药卷与过渡连接管相邻均可，具体根据现场工程条件可灵活的进行调整；

9、膨胀药卷包括沿竖向首尾依次连接的若干节装药筒，装药筒内部同轴线设有一根通水管，通水管上开设有若干个均与装药筒内部连通的第一透水小孔，通水管上下两端均设有用于压紧所有串联装药筒的连接件，通水管上端设有与最上部一节装药筒上端对接的导向头，通水管下端设有与最下部一节装药筒下端对接的堵头，导向头和堵头中心均开设有与通水管连通的通孔。

10、导向头上端部为上细下粗的圆锥面，堵头下端部外圆均为下细上粗的圆锥面，导向头、所有节装药筒和堵头外部设有一根通长的密封胶套，密封胶套上端口热缩后包裹在导向头上端的圆锥面，密封胶套下端口热缩后包裹在堵头下端的圆锥面。

11、装药筒包括同中心设置的外筒体和内筒体，外筒体一端口固定设有开设有中心孔的固定端盖，内筒体一端固定连接在固定端盖内表面，内筒体上开设有若干个第二透水小孔，外筒体和内筒体另一端设有可拆装的活动端盖，外筒体内圆和内筒体外圆之间形成的环形腔内填充有静态膨胀粉剂，通水管同轴向穿过固定端盖、内筒体和活动端盖，通水管外圆与内筒体内圆间隙配合。

12、通水管采用螺纹管，连接件包括紧固螺母和垫板，垫板套在通水管上，紧固螺母螺纹连接在螺纹管上并将垫板压紧装药筒端部；

13、导向头和堵头中心开设的通孔包括套在紧固螺母外部的内六方孔以及与通水管端口对接的圆孔，圆孔内设有临时密封盖；

14、导向头外圆固定设有两个第一防滑钢片，两个第一防滑钢片关于导向头中心线对称设置，两个第一防滑钢片均伸出密封胶套，第一防滑钢片上端与导向头外圆固定连接，第一防滑钢片长度方向与导向头中心线夹角为锐角。

15、过渡连接管包括直管，直管上端和下端外圆均同轴线固定设有一个上细下粗的圆锥导头，圆锥导头外圆下端固定设有两个第二防滑钢片，两个第二防滑钢片关于直管中心线对称设置，第二防滑钢片上端与圆锥导头外圆固定连接，第二防滑钢片长度方向与圆锥导头中心线夹角为锐角；

16、双锥直通接头包括一体制成的上圆锥管、中隔环和下圆锥管，上圆锥管外圆上细下粗，下圆锥管外圆下细上粗，上圆锥管和下圆锥管关于中隔环上下对称，中隔环外径大于上圆锥管和下圆锥管的最大外径；上圆锥管和/或下圆锥管插入直管端口内和/或通水管端口内。

17、步骤（1）具体过程为：钻孔沿回采巷道长度方向均匀布置若干排，每排布置至少三个钻孔，每个钻孔的长度方向均前低后高倾斜设置，钻孔中心线与巷道长度方向的夹角为40-50°。

18、步骤（2）具体过程为：根据回采巷道顶板上方岩层分布情况，确定钻孔孔口到坚硬岩层的距离及坚硬岩层的厚度，并结合每根膨胀药卷和过渡连接管的长度，选择膨胀药卷、过渡连接管的数量及串联方式，以确保膨胀药卷位于钻孔的坚硬岩层段；然后将膨胀药卷、过渡连接管按照预定的串联方式由钻孔孔口向上依次送入到钻孔内，在每插入一根膨胀药卷或过渡连接管的下端使用双锥直通接头进行串联；按照这种方式将预定数量的膨胀药卷、过渡连接管全部插入到钻孔内，第一防滑钢片和第二防滑钢片下端扎入钻孔内壁，保证各根膨胀药卷和过渡连接管不会下滑。

19、步骤（3）具体过程为：在钻孔的孔口使用封孔材料进行封孔，封孔段不小于0.5m，封孔材料具有一定的胶结能力和膨胀性，保证注水时钻孔不漏水；封孔时预留一根注水管，注水管里端插入到钻孔中最下端一根膨胀药卷的通水管或过渡连接管的直管内孔中，然后将注水管外端延伸固定到回采巷道的侧帮；膨胀药卷滞留在钻孔中，膨胀药卷内的静态膨胀粉剂由于密封没有遇水，因此不发生反应膨胀。

20、步骤（5）具体过程为：将回采巷道内布置的供水管路连接钻孔孔口预留的注水管，一次连接一排或多排钻孔的所有注水管进行注水作业，注水压力大于钻孔高度所产生的水压差，注水时间不小于30min；高压水进入到通水管，再依次由第一透水小孔、第二透水小孔进入到外筒体内，静态膨胀粉剂遇水后开始吸水反应，1个小时后开始缓慢径向膨胀，8个小时后膨胀压力超过16mpa，24小时后膨胀压力超过38mpa，24小时后膨胀药卷仍持续缓慢膨胀，且膨胀力一保持直到钻孔围岩被致裂，膨胀期间不发生震动，无粉尘、有害气体和炮轰波，使用非常安全；在钻孔有限空间及围岩制约因素影响下，静态膨胀粉剂依靠自身长时间的稳定反应，通过膨胀应力持续弱化顶板岩层，使得岩层内部产生张拉破坏并诱发内部裂纹的产生与扩展，直至贯通形成宏观裂隙，达到弱化致裂煤层顶板的目的；采煤工作面继续往前推进，钻孔位置顶板逐渐进入悬顶状态，顶板本身在矿压和自重的作用下也会出现变形甚至断裂，再加上钻孔内膨胀药卷的膨胀应力，相当于综采面端头顶板在“矿压+自重+膨胀应力”的综合作用下快速断裂、垮落，从而避免大面积端头悬顶的发生。

21、采用上述技术方案，本发明的滞留式致裂综采面端头悬顶的具体工作原理如下：

22、由于回采巷道在采煤工作面前方的20~50米范围为超前支护段，此区域回采巷道压力大，往往使用超前支架或单体柱架棚对顶板进行加强支护，超前支护段内的装备多、空间狭小，不能进行钻孔及安装施工。因此，钻孔及静态致裂药棒组件安装的施工区域一般在回采巷道的超前支护段的前方进行，但是回采巷道尤其是超前支护段的回采巷道需要保持顶板稳定，在采煤工作面前方进行致裂反而破坏了巷道顶板。采用滞留式静态致裂药棒组件可以合理的解决这个问题，预先在超前支护段前方进行钻孔和安装静态致裂药棒组件，静态致裂药棒组件滞留在钻孔内不发生反应，等采煤工作面煤壁推进到钻孔位置时，向静态致裂药棒组件内注水，此时的工作仅为连接注水管路，打开阀门注水，不需要其他设备。注水后钻孔内的静态致裂药棒组件吸水反应开始膨胀致裂。采煤工作面继续往前推进，钻孔位置顶板逐渐进入悬顶状态，顶板本身在矿压和自重的作用下也会出现变形甚至断裂，再加上钻孔内膨胀药卷的膨胀应力，相当于综采面端头顶板在“矿压+自重+膨胀应力”的综合作用下快速断裂、垮落，从而避免大面积端头悬顶的发生。

23、钻孔和安装静态致裂药棒组件在回采巷道超前支护段前方施工，注水在采煤工作面煤壁附近进行。每排施工了多个钻孔，钻孔中心线与回采巷道长度方向的夹角为40~50︒，优选45°，前低后高偏向采空区方向，钻孔致裂范围在垂直方向中超过坚硬顶板厚度。再具有倾角的钻孔内安装膨胀药卷后，膨胀药卷的膨胀力向施加在钻孔孔壁，同时产生垂直向下的分力，以更有效的致裂顶板钻孔。钻孔在巷道内的位置尽量靠近煤柱帮（非回采帮）。钻孔的深度、长度、每排钻孔数量、孔间距、排间距、钻孔倾角等具体施工参数需要根据工程现场具体条件进行设计。

24、为了提高工作效率、节省成本，需要将煤层上方的坚硬顶板进行针对性的致裂（即精准致裂），而对于非坚硬顶板则无需人工致裂，其在矿压与重力作用下会自然垮落。本发明的装置和方法是在顶板钻孔内安装“膨胀药卷+过渡连接管”组合装置，致裂段安装膨胀药卷，非坚硬岩层不需致裂的钻孔段安装过渡连接管，实现膨胀药卷的灵活间隔安装。本装置主要膨胀药卷、过渡连接管、双锥直通接头等组成，通过双锥直通接头可实现两根膨胀药卷之间、一根膨胀药卷与一根过渡连接管之间、两根过渡连接管之间等多种组合方式连接，并且过渡连接管还可以预先制作成不同长度，以实现对钻孔中坚硬岩层段的精准致裂。该装置结构可靠，方法操作简单，可达到方便、有效、安全、精准、低成本致裂顶板的目的。

25、本发明具有显著的技术进步，具体如下：

26、（1）膨胀药卷结构简单。为全封闭式药卷，直接装入巷道顶板的钻孔内即可，在插入钻孔内时两个第一防滑钢片自身弹性下被压缩，顺着钻孔向上移动，在药卷安装到位后，第一防滑钢片展开，第一防滑钢片下端扎入钻孔内壁，能够保证药卷不会下滑。

27、（2）组装容易。使用时只需将多根药卷通过双锥直通接头分别连接通水管端口后装入钻孔内，在对钻孔孔口进行封孔时需预留注水管，注水管上端与最下部药卷内的通水管下端口连接，需要反应致裂时通过注水管向钻孔注水即可。

28、（3）制作成本低。静态膨胀粉剂价格低廉，其他管材、板材、螺母等材料也易得。过渡连接管使用普通钢管。

29、（4）运输方便。膨胀药卷体积小、重量轻，可由煤矿工人单人搬运。过渡连接管代替部分膨胀药卷，降低致裂成本，更进一步提高了静态致裂技术的使用方便程度，而且过渡连接管重量更轻，更易运输和安装。

30、（5）安全性高。静态膨胀粉剂按一定密度压实装入装药筒中，药卷存储、运输过程中为全密封结构，装入钻孔内部后可滞留待用，避免了工人直接接触药剂，提高了施工安全性。

31、（6）效率提高。通过将静态膨胀粉剂预先装入装药筒内制作成膨胀药卷，安装在钻孔内可滞留一段时间，在需要进行膨胀破岩时向钻孔内注水即可，静态膨胀粉剂通过吸水反应，可根据工程情况方便的对安装有药卷的钻孔注水致裂，密封的药卷结构可避免钻孔内潮湿、淋水导致药卷提前反应，简化了施工步骤，节省了施工的时间。

32、（7）节约成本。可根据煤层岩性分布、现场施工及生产进度动态设计钻孔布置参数，并且可根据煤层顶板坚硬岩层位置、坚硬岩层强度动态改变膨胀药卷的安装位置和使用量，致裂位置更精准，可大幅降低成本。

33、综上所述，本发明在回采巷道超前支护前方提前施工钻孔装入膨胀药卷，膨胀药卷滞留在钻孔内待用，当需要膨胀药卷致裂时，直接连接供水管向钻孔内注水即可，注水管路可提前连接好，需要用时直接使用快插或打开阀门即可注水，膨胀药卷遇水后发生反应，膨胀致裂岩层。此装备及方法特别适用于解决综采面端头顶板在采场前方是巷道顶板需要维护其稳定，在采场后方需要及时破断垮落但又无法施工的矛盾问题，并且极大地简化了施工工艺，尤其是综采面生产班无需额外增加工作人员，且避免了井下工人直接接触膨胀药剂，使用更为方便安全。