[發明專利]一種臨空巷道回采工作面堅硬頂板地面脈沖切頂方法

有效

• 申請號: 202010865010.7
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN112412457B
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 李桂臣;畢瑞陽;孫長倫;許嘉徽;梁巨理;榮浩宇;孫元田
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21C41/18
• 分類號: E21C41/18;E21C37/12;E21B47/00;E21B47/06;E21B43/26;E21B33/03;E21D9/10
• 代理公司: 北京淮海知識產權代理事務所(普通合伙) 32205
• 代理人: 劉振祥

1.一種臨空巷道回采工作面堅硬頂板地面脈沖切頂方法，包括鉆孔觸探儀和電脈沖裝置（4），所述鉆孔觸探儀包括輸送桿（8）、升降器（7）、探頭（9）、探針（10）、手壓泵（6）和數據采集儀（12），所述輸送桿（8）為伸縮式桿件，輸送桿（8）的下端與升降器（7）連接，其外徑小于待探測的鉆孔（23）的內徑；所述升降器（7）固定安裝在沿空巷道（5）內，升降器（7）為可升降式結構，且俯仰角度可調節，從而不僅可以調整輸送桿（8）進入鉆孔（23）的深度，也可以調節輸送桿（8）的角度以適應不同角度的鉆孔（23）；所述探頭（9）安裝在輸送桿（8）的上端，其頂端周身均勻的設置有四個徑向安裝孔（24），其內部還設置有連通到四個徑向安裝孔（24）的油道（27），油道（27）的進油口（28）設置在探頭（9）的表面；探針（10）的數量四個，四個探針（10）分別安裝在四個徑向安裝孔（24）中，且兩兩成對的分布在x軸和y軸方向上；探針（10）的里端外側安裝有活塞環（25），并通過活塞環（25）與徑向安裝孔（24）滑動密封配合，探針（10）的長度小于徑向安裝孔（24）的深度，且其里端還通過拉簧（26）與徑向安裝孔（24）的孔底連接；探針（10）頂端的外部設置在壓力傳感器；在探頭（9）上設置有檢測探針（10）伸出長度的位移傳感器；所述手壓泵（6）設置在沿空巷道（5）內，且通過油路（13）與探頭（9）上的進油口（28）連接；所述數據采集儀（12）通過電纜（11）與位移傳感器和壓力傳感器連接；

所述電脈沖裝置（4）包括推桿（18）、操作臺（16）、沖擊波產生器（17）、封孔器（19）和控制器（14），所述推桿（18）為柔性可折彎桿件，其一端與操作臺（16）連接；所述操作臺（16）設置在地面上，操作臺（16）用于控制推桿（18）收縮長度的調節；所述沖擊波產生器（17）的尺寸小于待作業的L形鉆孔（2）的內徑，其安裝在推桿（18）的另一端，其外部相對的兩側固定嵌設有呈V字形的聚能罩（15），聚能罩（15）的里端與沖擊波產生器（17）的出口相連通；所述封孔器（19）為筒式結構，其套設在推桿（18）的外部，并與L形鉆孔（2）的孔口相配合，用于建立推桿（18）與L形鉆孔（2）的孔口之間的密封連接；封孔器（19）上設置有連通到其內腔中的注水口（20）；控制器（14）與操作臺（16）和沖擊波產生器（17）連接；

其特征在于，還包括如下步驟：

S1：在巷道（5）的頂部開設一個豎向延伸的鉆孔（23），鉆孔（23）的孔底延伸到堅硬巖層（3）中；

S2：利用鉆孔觸探儀對鉆孔（23）進行探測；通過調節升降器（7）將輸送桿（8）放進鉆孔（23）的內部，并將探頭（9）輸送到鉆孔（23）內的待測位置；啟動手壓泵（6）工作通過油路（13）和油道（27）向徑向安裝孔（24）中供油，油液同時推動四個活塞環（25）向外側移動，進而推動x軸方向上的兩個探針（10）分別沿x軸正、負兩個方向同時伸出，推動y軸方向上的兩個探針（10）分別沿y軸正、負兩個方向同時伸出；探針（10）緩慢伸出后，其端部逐漸與堅硬巖層（3）接觸并壓緊，直至深入到堅硬巖層（3）中；數據采集儀（12）利用壓力傳感器和位移傳感器進行信號的實時采集，并根據采集的信號分析鉆孔（23）內壓力和位移的信息數據，同時對信息數據進行記錄和存儲；斷開手壓泵（6）和油路（13）之間的連接，在拉簧（26）的作用下，探針（10）回縮到探頭（9）內部，再通過調節升降器（7）帶動輸送桿（8）回縮，使探頭（9）回縮至下一探測深度；依次獲得不同深度的堅硬巖層（3）受壓情況和位移信息數據，直至完成整個鉆孔（23）的探測過程；

S3：數據采集儀（12）根據獲得的鉆孔（23）內壓力和位移的信息數據，分析出堅硬巖層（3）的壓力情況，并通過與其連接的顯示裝置進行壓力情況的顯示；結合壓力情況判斷出堅硬巖層（3）對巷道（5）圍巖的壓力；

S4：在回采工作面兩側的煤柱（22）正上方均開設L形鉆孔（2），開設L形鉆孔（2）時先開設其豎直段，再開設其水平段，L形鉆孔（2）的豎直段從地面向下延伸至煤柱（22）正上方堅硬巖層（3）的1/2位置處，L形鉆孔（2）的水平段沿著工作面推進方向一直延伸至需切頂的堅硬巖層（3）邊界，在開設L形鉆孔（2）的豎直段過程中通過操作臺（16）控制推桿（18）遠離操作臺（16）的一端進入到L形鉆孔（2）的豎直段的底部，在開設L形鉆孔（2）的水平段過程中利用輔助桿件將推桿（18）遠離操作臺（16）的一端帶入L形鉆孔（2）的水平段的底部；

S5：利用封孔器（19）封住L形鉆孔（2）的孔口，以封住作業段，并通過連接在注水口（20）上的水路進行注水作業；L形鉆孔（2）中注滿水后，接通電源，沖擊波通過沖擊波產生器（17）進行能量的釋放，通過沖擊波產生器（17）上部安裝的聚能罩（15）將能量聚集瞬時釋放，聚能罩（15）進口尺寸小，出口尺寸大，且由進口向出口的尺寸逐漸向外部張開，能確保沖擊波能量可靠穩定的作用于堅硬巖層（3）；沖擊波沿著聚能罩（15）方向定向致裂堅硬巖層（3），沖擊波能量釋放的瞬間對堅硬巖層（3）產生撕裂作用，擴散的沖擊波結合L形鉆孔（2）中的水形成電液效應，對堅硬巖層（3）進行壓縮式破壞，在沖擊波重復作業過程中，堅硬巖層（3）會產生裂隙，通過注水口（20）持續低壓注水，并保持恒定的水壓，水沿著沖擊波產生的裂隙進入到堅硬巖層（3）深部，利用水將沖擊波進一步耦合到堅硬巖層（3）中，水既能充當沖擊波的傳播介質，又能起到保護沖擊波產生器（17）的作用，重復進行多次沖擊作業直至堅硬巖層（3）裂隙擴展到堅硬巖層（3）的上下邊界，即完成該作業點的作業，接著通過操作臺（16）收縮推桿（18）帶動沖擊波產生器（17）退至水平段中下一作業點的位置，重復上一個作業點的作業方式，直至整個水平段上的作業點全部完成致裂作業；控制器（14）通過沖擊波產生器（17）能獲得沖擊波的實時延伸距離，進而獲得致裂面（1）的形狀并在顯示器上進行顯示；

S6：通過控制器（14）上連接的顯示器觀察沖擊波致裂范圍，并觀察在下一鄰近作業點作業過程中水壓的變化情況，結合水壓的變化情況判斷下一鄰近作業點的致裂裂隙是否與上一個作業點的致裂范圍貫通，在兩個相鄰作業點的致裂面（1）相通時，即完成該作業點的致裂作業，并繼續進行下一作業點的致裂作業，直至整個工作面推進方向上堅硬巖層（3）兩側同時致裂切斷，形成位于回采工作面兩側的兩個致裂面（1），隨著工作面的推進，堅硬巖層（3）隨著垮落步距及時垮落至采空區（21），完成了堅硬巖層（3）頂板切頂工作。