炮孔封堵装置、封堵方法及预裂爆破切顶效果的检测方法
技术领域
本发明涉及煤矿钻孔爆破和无煤柱开采技术领域，尤其涉及一种炮孔封堵装置、封堵方法及预裂爆破切顶效果的检测方法。
背景技术
大部分煤矿使用沿空留巷方式开采时，会采取定向爆破方式来形成预裂切缝，以此切断留巷巷内顶板与采空区顶板的力学联系，一方面增强巷内顶板的稳定性和适应性，另一方面促使采空区顶板垮落更加充分，且减少对巷内顶板的影响和破坏。而爆破切顶结果如何，是决定沿空留巷成效的关键所在，因此很有必要开展爆破预裂切顶效果的检测，并通过检测结果来优化爆破位置和爆破参数设计，促使相邻炮眼之间能够形成良好的贯穿裂隙，显著增强切顶和留巷效果。
为了检测预裂爆破切顶效果，放炮后通常使用钻孔窥视仪伸入炮眼内进行检测，但目前常用的炮泥封孔会带来两个方面问题：一是封堵的炮泥没被冲出，则需要采用高压水冲孔的方式将炮泥冲出才能检测，带来工序繁锁且工作量较大；二是炮泥被完全冲出，虽然方便检测，但不符合预裂爆破切顶的质量要求。
因此，急需提供一种既防止爆炸能量冲出又便于拆卸的炮眼封堵装置，以更加真实而便捷地对预裂爆破切顶效果进行检测。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种炮孔封堵装置、封堵方法及预裂爆破切顶效果的检测方法，用以解决现有炮眼采用炮泥封堵无法对预裂爆破切顶效果进行检测的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，提供一种炮眼封堵装置，包括炮眼内阻尼装置和炮眼外阻尼装置；炮眼内阻尼装置可拆卸安装于炮眼内，用于对炮眼内的爆炸能量进行阻尼和卸压；炮眼外阻尼装置可拆卸安装于炮眼外，用于防止炮眼内阻尼装置和爆炸能量冲出炮眼外；炮眼内阻尼装置包括聚能管、水沙袋和炮眼阻尼器；炮眼外阻尼装置包括炮眼封孔器和单体柱。
进一步的，水沙袋包括外包装袋、细沙子和水，细沙子和水装入外包装袋中；外包装袋由高弹塑料膜加工而成。
进一步的，外包装袋所用高弹塑料膜的厚度≥1mm，直径为40mm，长度为350mm；装入水与细沙子的体积比为1：0.6。
进一步的，炮眼阻尼器包括阻尼棒和阻尼帽，阻尼帽设有引线孔。
进一步的，阻尼棒采用高弹塑料制作，阻尼帽采用合金钢制作，牵引线采用耐磨耐剪尼龙线或其它线；在引线孔穿线并引至炮眼孔口外。
进一步的，炮眼封孔器包括阻尼垫块和封孔盘；利用单体柱将炮眼封孔器顶在炮眼的孔口，从外部将炮眼封堵。
进一步的，阻尼垫块采用高弹塑料制作，封孔盘采用合金钢制作。
另一方面，还提供一种炮眼封堵方法，利用上述的炮眼封堵装置对炮眼进行封堵，炮眼封堵方法包括如下步骤：
步骤S101：制作水沙袋，并根据需要将水沙袋分段装入炮眼中对炮眼进行初次封堵；
步骤S102：利用炮眼阻尼器对完成初次封堵的炮眼进行第二次封堵；
步骤S103：利用炮眼封孔器和单体柱从炮眼的外部对炮眼进行第三次封堵。
进一步的，步骤S101中，位于炮眼最里端的水沙袋与炸药之间不直接接触，留设空气柱。
进一步的，步骤S102中，在引线孔穿好牵引线后，将阻尼棒和阻尼帽组装，再将炮眼阻尼器整体插入炮眼中；步骤S103为：安装好炮眼阻尼器以后，以炮眼为中心，紧贴顶板岩面铺设炮眼封孔器，使阻尼垫块完全覆盖炮眼；铺设完炮眼封孔器后，采用单体柱将炮眼封孔器顶实。
再一方面，还提供一种爆破预裂切顶效果的检测方法，利用上述的炮眼封堵方法对炮眼进行封堵；放炮后每隔20-30米挑选一个炮眼作为检测炮眼，依次拆除安装于检测炮眼的炮眼外阻尼装置、炮眼内阻尼装置；采用钻孔窥视仪对沿空留巷预裂爆破切顶效果进行检测。
进一步地，未爆破区域与工作面的距离始终大于50m。
再一方面，还提供一种切顶留巷协同锚护结构的建造方法，包括如下步骤：
步骤S1：在巷内直接顶板与工作面顶板之间进行定向爆破预裂，切断直接顶板与工作面顶板之间的力学联系；利用上述爆破预裂切顶效果的检测方法对沿空留巷预裂爆破切顶效果进行检测。
步骤S2：在爆破预裂后的巷内直接顶板与邻近采空区顶板建造由巷内协同锚固结构和巷旁协同支护结构组成的切顶留巷锚护结构；
步骤S3:在完成挡矸支护体的施工后，在挡矸支护体的外侧同步建造留巷密闭结构，系统完成切顶留巷协同锚护结构建造。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果之一：
a)本发明提供的炮眼封堵装置，创新性设计了便于加工和拆卸的炮眼封堵装置，结构简单，制作成本低，便于加工和拆卸，不仅实现了便捷进行爆破切顶效果检测的目标，而且解决了煤矿爆破预裂切顶后因不便检测而放弃效果检测的难题，对促进沿空留巷技术发展和扩大技术的推广应用具有重要意义和价值。
b)本发明提供的炮眼封堵装置，通过设置水沙袋与炸药之间留有空气柱的分段结构，实现了初次阻尼爆破能量沿炮眼轴向冲出的效果；通过设置炮眼阻尼器，利用阻尼帽和阻尼棒来发挥“刚柔并济”作用，实现了二次阻尼爆破能量沿炮眼轴向冲出的效果；通过设置炮眼封孔器、单体柱对炮眼阻尼器的协同支撑结构，实现了三次阻尼爆破能量沿炮眼轴向冲出的效果；通过对炮眼封堵装置的便捷移除，实现了爆破预裂切顶效果的检测。
c)本发明提供的炮眼封堵方法，炮眼封堵装置的加工制作以及现场封堵施工都非常简便，能够为预裂爆破切顶效果检测和提升沿空留巷技术提供强有力支撑。
d)本发明提供的预裂爆破切顶效果的检测方法，采用可拆卸的炮眼封堵装置对炮眼进行封堵，放炮后能够方便快捷地移除炮眼封堵装置，实现了爆破预裂切顶效果的检测，提高了施工效率，降低了施工成本，解决了煤矿爆破预裂切顶后因不便检测而放弃效果检测的难题。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中炮眼钻装及封孔结构示意图；
图2为本发明实施例中切顶留巷协同锚护结构组成示意图；
图3为本发明实施例中切顶留巷锚护结构协同控制示意图；
图4为本发明实施例中水沙袋的结构示意图；
图5a为本发明实施例中炮眼阻尼器的结构示意图；
图5b为本发明实施例中阻尼棒的结构示意图一；
图5c为本发明实施例中阻尼棒的结构示意图二；
图5d为本发明实施例中阻尼帽的结构示意图一；
图5e为本发明实施例中阻尼帽的结构示意图二；
图6a为本发明实施例中炮眼封孔器的剖面结构示意图；
图6b为本发明实施例中炮眼封孔器的平面结构示意图；
图7为本发明实施例中炮眼封堵装置的结构示意图；
图8为本发明实施例中放炮距离及检测位置示意图；
图9为本发明实施例中炮眼爆破预裂效果实测图。
附图标记：
1-炮眼；2-聚能管；3-炸药；4-雷管；5-水沙袋；501-外包装袋；502-细沙子；503-水；6-炮眼封堵装置；601-阻尼棒；602-阻尼帽；603-引线孔；604-炮眼阻尼器；605-空气柱；606-阻尼垫块；607-封孔盘；608-炮眼封孔器；609-单体柱；610-已爆破区域；611-未爆破区域；7-导爆线；8-顶板；9-采空侧煤帮；10-实煤帮；11-巷内协同锚固结构；12-巷旁协同支护结构；13-顶板锚固梁；14-巷旁加固梁；15-煤帮锚固体；16-挡矸支护体；17-切顶支护体；18-矸石支护体；19-锚杆；20-锚索一；21-锚索二；22-锚索三；23-工字钢梁；24-单体柱；25-铰接梁；26-铁鞋。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明的一个具体实施例，公开了一种显著增强稳定性和适应性的切顶留巷协同锚护结构及其建造方法，包括如下步骤：
步骤S1：通过对留巷顶板预裂爆破切顶原理研究，为了减小工作面回采时采空区顶板垮落对巷内顶板的破坏程度，在巷内直接顶板与工作面顶板之间先进行定向爆破预裂，切断直接顶板与工作面顶板之间的力学联系，减少回采后采空区顶板垮落对巷内顶板的破坏。在巷内直接顶板与工作面顶板之间进行爆破预裂包括如下步骤：
步骤S11：在工作面回采之前，沿巷道走向从里向外，在巷内顶板靠近采面帮200mm处钻打炮眼1，炮眼1分组钻打和爆破，同一组起爆炮眼1宜为8-10个，循环进行。
进一步的，炮眼1布置在顶板8靠近采空侧9，与采空侧9的距离200mm，根据巷道走向，同一组爆破炮眼1的钻孔位置在一条直线上，且钻孔装角度保持不变，促使同一组炮眼1角度保持平行。
进一步的，炮眼1的直径为50mm，炮眼1的角度(切顶线)为15°-20°，炮眼1的深度为6500-8000mm，眼距为500-700mm，炮眼1角度及钻眼位置如图1所示。完成切顶爆破位置需超出工作面回采所形成的超前压力区影响范围之外(30-50m范围之外)，具体爆破参数根据顶板围岩结构、性能等确定。
步骤S12：同一组炮眼1钻打完毕后，根据围岩结构、力学性能、炮眼深度情况选定分段装药结构数量、聚能管数量和装药量；根据每段装药量，再将所需炸药量和雷管4分别装入所对应的聚能管。
进一步的，每段装药结构采用一根聚能管2来实现，且每根聚能管2长1500mm，直径为42mm；每个炮眼1装入3-4根聚能管2，即分段装药结构总长4500-6000mm。
示例地，当炮眼深度为6500mm时，使用3根聚能管2，采用“3-2-1”分段装药结构和装药量，如图1所示，即第一根聚能管装3节炸药3，第二根聚能管装2节炸药3，第三根聚能管装1节炸药3，以此类推；装药时从聚能管2上端管口向下连续装入，并将最下部的炸药3固定住，防止在聚能管2安装时滑出。
为了减缓炸药3起爆后沿炮眼轴向所形成的巨大冲力，在最后一根聚能管2(如上述的第三根管)装入2-3节水沙袋5，水沙袋5依次从下端管口向上连续装入，并将最下部的水沙袋5进行固定以防安装时滑出，要求水沙袋5与炸药3之间留有一定的空气柱。
进一步的，水沙袋5直径为40mm，每节长度为350mm，袋子膜厚不小于1mm，且在袋内先装入高250mm的沙子，然后将袋子注满水，再进行封口。
步骤S13：将装好炸药3及水沙袋5的聚能管2依次送入炮眼1内，采用多节炮泥对炮眼1进行封堵，以防止爆炸能量沿炮眼1轴向直接冲出；炮眼1封堵好后进行定向爆破预裂，以切断直接顶板与工作面顶板之间的力学联系。
进一步的，炮泥封堵长度约2000mm，每节炮泥长200-300mm，每送入一节炮泥需采用炮棍将其杵实，且实现放炮后炮泥不能被全部冲出。
步骤S14：爆破效果检测。
为了检测爆破预裂效果，每间隔30-50m进行一次爆破预裂效果检测，即在同一组爆破炮眼1中选择2-3个相邻炮眼1，采用可拆卸的炮眼封堵装置6代替炮泥对检测炮眼1进行封孔，炮眼封堵装置6既能够防止爆炸能量沿炮眼轴向冲出，又便于在爆破后取出炮眼封堵装置6进行爆破效果检测。
可以理解的是，在步骤S13中，也可以利用炮眼封堵装置6代替炮泥对检测炮眼1进行封孔。
步骤S2：通过对留巷锚护结构协同控制原理的研究分析，在爆破预裂后的巷内直接顶板与邻近采空区顶板建造由巷内协同锚固结构11和巷旁协同支护结构12组成的切顶留巷锚护结构，如图1至图3所示，具体包括如下建造步骤：
步骤S21：在巷道掘进时和工作面回采前，利用锚杆19、锚索一20、锚索二21等锚固材料建造巷内协同锚固结构11，巷内协同锚固结构11由顶板锚固梁13、巷旁加固梁14、煤帮锚固体15三个次级子结构组成。
本实施例中，顶板锚固梁13对上履岩体起到有效的支撑作用，巷旁加固梁14将顶板锚固梁13与上履较稳定岩体加固为一个整体，煤帮锚固体15对顶板锚固梁13和巷旁加固梁14均起到有效的支撑作用。其中，顶板锚固梁13、煤帮锚固体15在巷道掘进时完成建造，巷旁加固梁14可在后期超前工作面一定距离建造。
步骤S211：巷道掘进时，通过锚杆19、锚索一20、锚网、钢带等对一定范围内的顶板围岩进行协同锚固，建造顶板锚固梁13，具体施工方法为：
根据巷道高度、围岩松动圈等具体情况确定锚杆19的长度，示例性的，锚杆19的长度为2400-2600mm，锚固长度1000mm，预紧力120kN；顶板靠近肩角的锚杆19与垂直线的夹角为20°，偏向煤帮方向钻装，其它锚杆19垂直于巷道轮廓线钻装。进一步的，锚杆19排距优选为800mm，间距、安装数量根据实际情况确定。
根据围岩结构、力学性能等具体选定锚索一20长度，示例性的，锚索一20长度为6200-7200mm，锚固长度2000mm，预紧力180kN；靠近两个肩角的锚索一20与垂直线的夹角为20°，分别偏向煤帮方向钻装，其它锚索一20呈垂直钻装。进一步的，锚索一20排距为1600mm，间距、安装数量根据实际情况确定。
锚杆19之间采用W型钢带沿巷道断面进行横向连锁，锚索一20之间采用T型钢带沿巷道走向进行纵向连续连锁，W型和T型钢带规格需根据锚杆19、锚索一20的间排距选定；锚网可采用钢筋网或菱形钢丝网，可根据实际情况选定。
步骤S212：工作面回采前，通过锚索二21、钢带将顶板锚固梁13与顶板深部较稳定岩体锚固为一个整体，建造巷旁加固梁14。其中，锚索三22可在工作面回采前与锚索二21同步钻装。具体施工方法为：
根据围岩结构、力学性能等具体选定锚索二21的长度，示例性的，锚索二21的长度为8200-9200mm，比锚索一20长2000mm，锚入上方较稳定的岩层不少于1000mm，锚固长度2500mm，预紧力200kN；锚索二21呈垂直钻装，排距为1600mm，间距、安装数量根据实际情况确定，其中最外侧锚索二21与采空侧相距800-1000mm。
沿巷道走向，锚索二21之间采用T型钢带进行纵向连续连锁。
为了减少锚索二21的锚固力发生弱化现象，以及爆破切顶可能造成的松动与破坏，锚索二21宜超前工作面30-50m以外且在完成爆破切顶后进行钻装。
步骤S213：巷道掘进时，通过锚杆19、锚索三22、锚网、钢带等对一定范围内的实煤帮10进行协同锚固，建造煤帮锚固体15，具体施工方法为：
锚杆19长度及锚固参数同顶板锚杆19，预紧力100kN；帮部上角锚杆19与水平线的夹角为15°，偏向顶板方向钻装；帮部下角锚杆19与水平线的夹角为30°，偏向底板方向钻装；其它锚杆19垂直于巷道轮廓线钻装。锚杆19排距优选为800mm，间距、安装数量根据实际情况具体确定。
根据煤帮松动圈、顶底板岩层条件等情况选定锚索三22的长度，示例性的，锚索三22的长度为4200-6200mm，锚固长度1500mm，预紧力140kN；帮部上角锚索三22与水平线的夹角为20°，偏向顶板方向钻装；帮部下角锚索三22与水平线的夹角为20°，偏向底板方向钻装；锚索三22排距优选为1600mm，间距根据实际情况确定。当煤层比较坚固时，也可以只在腰线处垂直于煤帮钻装一排锚索三22。
锚杆19之间采用W型钢带沿巷道断面进行横向连锁；沿巷道走向，采用T型钢带将锚索三22进行纵向连续连锁(只在煤帮腰线钻装一排锚索三22时宜采用W型钢带)。
为了减少锚索三22的锚固力发生弱化现象，以及爆破切顶可能造成的松动与破坏，锚索三22宜与锚索二21同步施工。
步骤S22：当工作面回采通过以后，在留巷段采空侧建造巷旁协同支护结构12，巷旁协同支护结构12由挡矸支护体16、切顶支护体17、矸石支护体18三个次级子结构组成，其中，挡矸支护体16用于将采空区垮落的矸石挡在采空区内，切顶支护体17用于对顶板锚固梁13和巷旁加固梁14进行补强支护，矸石支护体18用于对采空区上履较稳定岩体进行有效支撑。通过建造巷旁协同支护结构12以实现对巷旁顶板和采空区深部顶板的有效支护和控制，并防止采空区矸石落入巷内，同时为巷旁密闭施工打好基础。具体通过如下方法来建造：
步骤S221：采用工字钢梁23、连接杆等材料建造挡矸支护体16，以防止采空区顶板垮落后所形成的矸石串入巷内，具体施工方法为：
挡矸用的工字钢梁23不能架设在巷内，需架设在采空区垮断顶板与巷内顶板交接处，且与最靠近采空侧顶板锚杆19的间隔200mm。
进一步的，在工作面回采通过以后，利用爆破切顶后采空区顶板垮落所形成的倒台阶，先在底板挖坑将工字钢梁23下部埋入，要求埋入深度不小于150mm，再将工字钢梁23上部架在倒台阶上，且架接长度不小于100mm；若顶板没有形成有效的倒台阶时，则在采空区顶板与巷内顶板交接处沿刨一个深度不小于100mm的坑，然后将工字钢梁23上部插入坑内。
为了便于施工，根据采空侧巷旁高度，可以使用一根完整的工字钢梁23，也可以使用两节工字钢梁，中间采用连接装置进行连锁，要求搭接长度不小于1000mm。
进一步的，工字钢梁23之间采用连接杆进行连锁，防止倾倒。
步骤S222：采用单体柱24、铰接梁25、铁鞋26、连接装置等材料建造切顶支护体17，以实现对巷旁加固梁和顶板锚固梁的补强支护，同时更有利于采空区顶板的垮落，具体施工方法为：
铰接梁25沿巷道走向进行布置，与靠近采空区最外侧顶板锚杆托盘相贴，用单体柱24对铰接梁25进行支撑，排距为800-1000mm(根据顶板岩层结构性能、铰接梁25规格等情况选定)，单体柱24的初始支撑力为10-15MPa(根据顶板围岩条件、锚杆锚索作用情况选定)。
单体柱24下部穿铁鞋26，以防止单体柱24被压入底板。进一步的，铁鞋26采用300×300×20mm方形钢板或300×20mm圆盘制作。
单体柱24之间采用连接杆进行连锁，防止倾倒。
步骤S223：为了矸石支护体18能够对采空区完成垮落后的上方老顶形成有效支撑，根据煤层顶板围岩结构和力学性能，基于合理的爆破切顶设计，提高切缝质量和效果，促使采空区顶板充分垮落并将采空区填实，形成矸石支护体18并对采空区上履较稳定岩体进行有效支撑，即对上方老顶形成有效的支撑作用，减少老顶后续断裂垮落对巷内顶板所形成的影响和破坏。矸石支护体18由采空区顶板垮落后形成的矸石堆组成。
步骤S3:在完成挡矸支护体16的施工后，随即在其外侧建造留巷密闭结构，系统完成切顶留巷协同锚护结构建造。具体建造过程为：
步骤S31：从巷旁往采空区方向依次铺设钢筋网、密闭布、铁丝网、沙袋，在挡矸支护体16的外侧形成留巷密闭结构。
步骤S32：留巷密闭结构由钢筋网、密闭布、铁丝网、沙袋组成。在架设挡矸支护用的工字钢梁23外侧，先依次将铁丝网、密闭布、钢筋网与顶板锚网进行连接，要求搭接重叠处均不小于100mm，用铁丝绑好。
步骤S33：完成钢筋网、密闭布、铁丝网与顶板锚网连接施工后，紧贴铁丝网外侧堆砌一层或两层沙袋，以增强留巷空间的密闭性，更好地实现瓦斯治理和防止煤层自燃。
本实施例中，锚索一20、锚索二21和锚索三22的直径相等，示例性的，锚索的直径为21.6mm，锚杆19直径为22mm；树脂锚固剂分为快速锚固剂、中速锚固剂两种，锚杆19可使用快速锚固剂，锚索一20、锚索二21和锚索三22均使用快速锚固剂和中速锚固剂进行搭配；快速锚固剂的凝结时间为60s左右，中速锚固剂的凝结时间为90s左右，锚固剂长度为500mm/条，直径宜为25mm。
本发明针对沿空留巷结构稳定性和适应性，创新提出了协同锚护结构及其建造方法，通过对锚杆19、锚索一20、锚索二21、锚索三22在杆体长度、预紧力、锚固长度、钻装角度等方面的协同控制设计，促使留巷锚护结构形成协同增强效应，具体体现在以下几方面：
(1)通过锚杆19、锚索一20、锚索二21实现对顶板不同深度岩层的协同锚固。具体的，锚杆19长度为2400-2600mm，锚索一20长度为6200-7200mm，锚索二21长度为8200-9200mm，从而在顶板形成三层锚固子结构，并通过锚索二21将它们锚固为一个整体，最终在巷内顶板形成一个整体结构。
(2)通过锚杆19、锚索三22实现对实煤帮10不同深度的协同锚固。具体的，锚杆19长度为2400-2600mm，锚索三22长度为4200-5200mm，从而在实煤帮10形成两层锚固子结构，并通过锚索三22将它们锚固为一个整体，最终在实煤帮形成一个整体结构。
(3)实现锚杆19、锚索一20、锚索二21、锚索三22在预紧力上的协同。具体的，顶板锚杆19预紧力为120kN左右，锚索一20预紧力为160kN左右，锚索二21预紧力为200kN左右，实现顶板锚杆19与锚索一20、锚索二21的预紧力协同；帮部锚杆19预紧力为100kN左右，锚索三22预紧力为140kN，实现实煤帮锚杆19与锚索三22的预紧力协同。
(4)实现锚杆19、锚索一20、锚索二21、锚索三22杆体长度及锚固长度的协同。具体的，锚杆19长度为2400-2600mm，对应的锚固长度为1000mm左右；锚索一20长度为6200-7200mm，对应的锚固长度为2000mm左右；锚索二21长度为8200-9200mm，对应的锚固长度为2500mm左右；锚索三22长度为4200-5200mm，对应的锚固长度为1500mm左右。不同长度的锚杆、锚索选用不同的加长锚固方式，实现杆体长度与锚固长度、预紧力大小之间的协同。
(5)实现锚杆19、锚索一20、锚索二21、锚索三22钻眼角度与结构设计的协同。具体的，顶板靠两帮肩角的锚杆19与铅垂线的夹角均为20°，两帮最上端锚杆19上扎角度为15°、最下端锚杆19下扎角度为30°，其余锚杆19垂直于巷道轮廓线安装；顶板靠两帮肩角的锚索一20与铅垂线的夹角为20°，其余锚索一20呈垂直安装；顶板靠采空侧锚索二21呈垂直安装；实煤帮部上角锚索三22与水平线的夹角为20°，实煤帮部下角锚索三22与水平线的夹角为20°。通过对肩角、底角关键部位锚杆和锚索的角度控制，一方面可以形成有效“斜拉”作用，防止围岩变形和移出，另一方面通过底角锚杆、锚索下扎一定角度钻装来有效防治底鼓。
与现有技术相比，本实施例提供的切顶留巷协同锚护结构及其建造方法，基于协同原理，一方面通过顶板锚固梁13、巷旁加固梁14、煤帮锚固体15的协同锚固作用来建造巷内协同锚固结构11，同时通过挡矸支护体16、切顶支护体17、矸石支护体18的协同支护作用来建造巷旁协同支护结构12；另一方面通过发挥巷内协同锚固结构11和巷旁协同支护结构12的协同承载和协同变形，显著增强切顶留巷锚护结构的稳定性和适应性，从而有效解决沿空留巷存在的问题和难题，增强切顶留巷协同锚护结构的工程适用性，促进煤矿安全、经济、高效、绿色生产。该方法施工简便易行，锚护成本低，解决了煤矿沿空留巷技术应用和推广所面临的局限性，且适用于其它工程岩体的控制，具有巨大的应用和推广价值。
实施例2
本发明的又一具体实施例，公开了一种切顶留巷协同锚护结构，采用实施例1的建造方法建造，切顶留巷锚护结构由巷内协同锚固结构11和巷旁协同支护结构12两个子结构组成；巷内协同锚固结构11由顶板锚固梁13、巷旁加固梁14、煤帮锚固体15三个次级子结构组成；巷旁协同支护结构12由挡矸支护体16、切顶支护体17、矸石支护体18三个次级子结构组成。
图2示出了巷内协同锚固结构11的顶板锚固梁13、巷旁加固梁14、煤帮锚固体15三个次级子结构以及巷旁协同支护结构12的挡矸支护体16、切顶支护体17、矸石支护体18三个次级子结构的空间位置关系。通过研究上述各子结构以及次级子结构之间的时空关系与协同作用，建立切顶留巷协同锚护结构的力学公式，如式(1)、式(2)、以此作为切顶留巷锚护结构稳定性与适应性控制的理论基础和评判依据，当锚护结构的力学参数满足式(1)、式(2)时，表明所建造的切顶留巷锚护结构是安全可靠的。
f(Fq1+Fq2+Fq3+Fq4+Fq5+Fq6)－∑(Fq1+Fq2+Fq3+Fq4+Fq5+Fq6)＝△F＞0 (1)
f(Fq1+Fq2+Fq3+Fq4+Fq5+Fq6)≥k·Fq0 (2)
式中：Fq0为上覆岩层作用力，Fq1为顶板锚固梁承载力，Fq2为锚固实煤帮支承力，Fq3为巷旁加固梁承载力，Fq4为切顶支护力，Fq5为挡矸支护力，Fq6为矸体支护力，△F为协同作用增力，f表示各力之间的非线性协同作用，∑表示各力之间的线性叠加，k表示切顶留巷锚护结构的安全系数。
经验证，通过本实施例的建造方法建造的切顶留巷锚护结构的力学参数符合公式(1)和(2)，因此，采用本实施例的建造方法建造的切顶留巷锚护结构是安全可靠的。
实施例3
定向爆破预裂切顶效果是决定沿空留巷成效的关键要素之一，需要通过合理的爆破位置和爆破参数设计，促使相邻炮眼之间能够形成良好的贯穿裂隙，显著减少采空区顶板垮落时对巷内顶板的影响和破坏程度，同时有利于采空区顶板的充分垮落，从而明显增强沿空留巷锚护结构的稳定性、适应性与适用性。本发明的一个具体实施例，公开了实施例1中步骤S14中的炮眼封堵装置，能够对炮眼1进行可拆卸封堵，便于对预裂爆破切顶效果进行检测，如图4至9所示，炮孔封堵装置包括炮眼内阻尼装置、炮眼外阻尼装置，炮眼内阻尼装置可拆卸和安装于炮眼内，包括水沙袋5和炮眼阻尼器604，用于爆炸能量沿炮眼1轴向冲出的阻尼和卸压；炮眼外阻尼装置可拆卸和安装于炮眼外，包括炮眼封孔器608和单体柱609，用于防止爆炸能量和炮眼内阻尼装置冲出炮眼外。
本实施例中，水沙袋5包括外包装袋501、细沙子502和水503。在水沙袋5与炸药3之间留有空气柱605。通过水沙袋5、空气柱605和炮眼阻尼器604的协同作用，实现对爆炸能量沿炮眼1轴向冲出时的初次阻尼和卸压作用。
本实施例中，炮眼阻尼器604包括阻尼棒601、阻尼帽602，其中阻尼帽602设置引线孔603。进行炮眼封堵时，先在引线孔603穿根牵引线，要求线头留在炮眼孔口外，然后将阻尼帽602与阻尼棒601套实再装入炮眼1中。通过阻尼棒601、阻尼帽602和炮眼封孔器608之间的协同作用，实现对爆炸能量沿炮眼1轴向冲出时的二次阻尼和卸压作用。
本实施例中，炮眼封孔器608由阻尼垫块606、封孔盘607组成。先将阻尼垫块606与封孔盘607组装好，然后将组装好的炮眼阻尼器604插入炮眼1中，再用炮眼封孔器608封孔和用单体柱609顶实。通过炮眼阻尼器604、炮眼封孔器608和单体柱609之间的协同作用，实现对爆炸能量沿炮眼1轴向冲出时的三次阻尼和卸压作用。
本实施例中，放完炮以后，在做好安全保护的基础上，先移除炮眼封孔器608和单体柱609，再利用牵引线将炮眼阻尼器604和移出，实现对沿空留巷预裂爆破切顶效果的现场检测。
利用本实施例中的炮眼封堵装置对炮眼进行封堵，包括如下步骤：
步骤S101：制作水沙袋5，并根据需要将水沙袋5装入炮眼1最下端的聚能管2中，对对炮眼1进行初次封堵。装入的水沙袋5能够实现对爆炸能量的初次阻尼和卸压。
制作单个水沙袋5的步骤为：将细沙子502、水503装入外包装袋501中，并做好封口。优选地，水沙袋5的外包装袋501采用厚度不小于1mm的高弹塑料膜加工而成，其直径为40mm，长度350mm，水503与细沙子502的体积比为1：0.6；制作水沙袋5时，先装入高250mm的细沙子502，再注满水503，最后将袋口箍紧封口，防止水沙渗出。水沙袋结构如图4所示。
进一步的，根据最下端聚能管2的装药数量来选择水沙袋5的数量，为2-3节。具体的，在炮眼1最下端聚能管2中，从下端管口由下向上装入2-3节水沙袋5并固定住，防止安装时滑脱，水沙袋5与炸药3之间留有空气柱605，再用阻尼器604对聚能管2进行堵塞。通过水沙袋5、空气柱605和炮眼阻尼器604的协同作用，实现对爆炸能量沿炮眼1轴向冲出时的初次阻尼和卸压作用。
步骤S102：制作炮眼阻尼器604，对炮眼1进行第二次封堵。通过发挥其阻尼棒601与阻尼帽602之间的“刚柔并济”作用，以实现对爆炸能量的第二次阻尼和卸压。
制作单个炮眼阻尼器604的步骤为：在加工好阻尼棒601、阻尼帽602与引线孔603的基础上，先在引线孔603穿根牵引线，要求线头留在炮眼1孔口外，用于放炮后将炮眼阻尼器604从炮眼1中移出；再将阻尼帽602与阻尼棒601套实，两者之间可用软布或其它材料塞紧，以防止安装时滑脱；然后将炮眼阻尼器604装入炮眼。通过阻尼棒601、阻尼帽602和炮眼封孔器608之间的协同作用，实现对爆炸能量沿炮眼1轴向冲出时的二次阻尼和卸压作用。
进一步的，阻尼棒601采用高弹塑料制作，阻尼棒601包括基座和棒体，总长1800mm，基座部分长300mm，直径为46mm，棒体部分长1500mm，直径为40mm；阻尼帽602采用合金钢制作，外径为46mm，内孔径为42mm，内孔深300mm，高度为500mm。炮眼阻尼器604结构如图5a-图5e示。
步骤S103：制作炮眼封孔器608，安装炮眼封孔器608对炮眼1进行第三次封堵。通过发挥其阻尼垫块606的弹性阻尼作用和封孔盘607的刚性阻抗作用，以及与阻尼棒601之间的弹性阻尼作用，以实现对爆炸能量的第三次阻尼和卸压。
制作炮眼封孔器608的步骤为：在制作好阻尼垫块606和封孔盘607的基础上，先将阻尼垫块606压入封孔盘607的圆槽当中，然后将炮眼封孔器608对居中对准炮眼1进行封孔，再用单体柱609将并炮眼封孔器608顶实。通过炮眼阻尼器604、炮眼封孔器608和单体柱609之间的协同作用，实现对爆炸能量沿炮眼1轴向冲出时的三次阻尼和卸压作用。
进一步的，阻尼垫块606采用高弹塑料制作，其规格为
进一步的，安装好炮眼阻尼器604以后，以炮眼为中心，紧贴顶板岩面铺设好炮眼封孔器608，再采用单体柱609将炮眼封孔器608顶实，示例性的，单体柱609的初撑力为2-3MPa。
在完成上述步骤之前，将导爆线7、牵引线在引线孔603穿线并引至炮眼1孔口外，注意不要将线拉断或压断。
图7示出了炮眼1、聚能管2、炸药3、空气柱605、水沙袋5、炮眼阻尼器604及内部结构、炮眼封孔器608及内部结构、单体柱609之间的空间关系。示范地，先将装好炸药3和水沙袋5的聚能管2装入炮眼1内，要求炸药3与水沙袋5之间留有空气柱605；然后将炮眼阻尼器604装入，注意将连接引线孔603的牵引线牵引至炮眼1孔口外，再用炮眼封孔器608居中对准炮眼1进行封孔，最后用单体柱609将炮眼封孔器608顶实，并给予2-3MPa的初撑力，以保证支撑效果。
与现有技术相比，本实施例的炮眼封堵装置，创新性设计了便于加工和拆卸的炮眼封堵装置结构，结构简单，制作方便且成本低。一方面，通过设置水沙袋5与炸药3之间留有空气柱605的分段结构，实现了初次阻尼爆破能量沿炮眼轴向冲出的效果；另一方面，通过设置炮眼阻尼器604的“刚柔并济”结构，实现了二次阻尼爆破能量沿炮眼轴向冲出的效果；再一方面，通过设置炮眼封孔器608和单体柱609的支撑结构，实现了三次阻尼爆破能量沿炮眼轴向冲出的效果。利用本发明的炮眼封堵装置进行封堵，炮眼封堵装置加工制作以及封堵施工都非常简便，能够为预裂爆破切顶效果检测和提升沿空留巷技术提供强有力支撑。
实施例4
本发明的又具体实施例，公开了一种爆破预裂切顶效果的检测方法，包括如下步骤：
利用实施例3的炮眼封堵方法对炮眼1进行封堵；放炮后每隔20-30米挑选一个炮眼1作为检测炮眼，由外向内依次拆除安装于检测炮眼的炮眼外阻尼装置、炮眼内阻尼装置，采用钻孔窥视仪对沿空留巷预裂爆破切顶效果进行检测。
具体的，完成步骤S101-S103后，进行放炮及相关工序操作。放炮结束后，在做好安全防护的基础上，先拆移单体柱609，再将炮眼封孔器608移开，最后通过牵引线将炮眼阻尼器604从炮眼1内移出，将钻孔窥视仪伸入爆破后的炮眼1内，对沿空留巷预裂爆破切顶效果进行检测。
本实施例中，可以通过检测效果对爆破参数等进行优化，示例性的，若爆破效果好，取得了预期爆破效果，则进行下一步煤矿开采施工；若爆破效果不好，则采取爆破加密措施，对沿空留巷进行加密爆破，以提升爆破效果。
进一步的，为了利用工作面回采时所形成的超前动压作用力，来更好地将工作面回采前方的煤层顶板压沉、压裂、压碎，促进工作面回采通过后其煤层顶板垮落更加充分，同时减少对巷内顶板的破坏和影响，要求已爆破区域610与工作面的距离不小于50m，或未爆破区域611与工作面的距离始终要大于50m。放炮距离及检测位置如图8所示。
进一步的，根据顶板岩层结构和力学性能的变化，需分段进行爆破预裂切顶效果的现场检测，即沿着放炮位置走向，每间隔30-50m进行一次爆破切顶效果检测。如图8所示，在某一组切顶炮眼1中选取2-3个相邻的炮眼1，采用本发明所提供的炮眼封堵装置能够对炮眼进行内外两级封堵，放完炮后再按要求进行拆移，即可进行爆破预裂效果检测。检测的标准为，相邻炮眼之间形成相互贯通的有效裂隙，如图9所示，表明爆破预裂切顶效果符合沿空留巷施工质量要求；若不能形成有效裂隙，则需要对装药结构、装药数量、炮眼参数等重新进行调整和校检，直至符合沿空留巷的切顶效果要求。
与现有技术相比，本实施例提供的爆破预裂切顶效果的检测方法，采用可拆卸的炮眼封堵装置对炮眼进行封堵，放炮后能够方便快捷地移除炮眼封堵装置，实现了爆破预裂切顶效果的检测，提高了施工效率，降低了施工成本，不仅实现了便捷进行爆破切顶效果检测的目标，而且解决了煤矿爆破预裂切顶后因不便检测而放弃检测的难题，对促进沿空留巷总体效果的提升和扩大技术的推广应用具有重要意义和价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
