【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤矿开采相关设备，具体涉及一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法。
技术介绍
1、随我国浅层煤炭资源不断开发消耗，我国对煤炭开采越来越向深部发展，而深层矿井原岩应力高，硬度高，且煤层上方存在整体性强、强度高、厚度大、节理裂隙不发育的硬厚顶板，开采时难以及时垮落，容易形成大面积悬顶，造成高应力集中现象使巷道发生变形，导致工作面支架无法正常向前推进，若开采中硬厚顶板突然断裂会对工作面造成很大的冲击地压，对巷道和开采设备造成破坏，甚至出现人员伤亡，会严重威胁着煤矿安全生产作业，因此，需对硬厚顶板进行破碎分割卸压，避免其出现突然垮落的现象；
2、近年来，煤矿开采技术逐渐提高，目前最常用的切顶卸压的方法主要为爆破断顶和水力压裂两种，爆破断顶的方式，施工工艺复杂、爆破效率差、机具及材料损耗大、费时费力，其存在较多安全隐患，炸药爆破时所产生的震动会扰动采场围岩，同时，若爆破断顶用药量大，爆破形成的冲击对工作面瓦斯控制也具有危害，爆破断顶用药量小又达不到预设的效果，炸药用量的多少较难掌握，而水力压裂破断坚硬顶板的方法避免了爆破断顶技术存在的主要缺点，但其破断效果取决于裂缝扩展范围和方向，在实际应用过程中，受地应力大小以及顶板岩层状态的影响，水力压裂的方向和扩散范围难以控制，水力压裂切顶的效果不是十分理想，不能对工作面硬厚顶板进行大范围的有效破断；
3、因此，基于上述问题，本专利技术提供了一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法。
技术实现思路
1、针对现
2、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
3、一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，包括如下步骤：
4、步骤一：根据煤矿工作面的地质状况，来确定工作面顶板和煤层的数据；
5、步骤二：确定目标岩层，确定超声振动破碎范围，确定钻孔的位置，以便确定其钻孔的角度和深度；
6、步骤三：测量切顶位置岩石的固有频率，根据目标岩层的固有频率调节超声波发生器与岩石发生共振；
7、步骤四：在待掘进煤层的顶板按预设角度向上钻孔，并沿巷道的前进方向间隔预设距离多次钻孔，得到多个平行排列的卸压钻孔；
8、步骤五：将超声波激励装置放到卸压钻孔中并固定，先对目标岩层进行超声激励预裂，使其表面出现细微裂纹降低岩石的强度，待岩石处于共振状态时，再施加冲击载荷；
9、步骤六：超声波激励与冲击载荷共同作用下，目标岩层表面细微裂痕持续发育迅速扩展及贯通，使目标层岩石快速被破碎；
10、步骤七：对预设的卸压钻孔分别进行多次超声振动处理，完成对整个顶板所有预设位置的破碎，从而破碎顶板，使顶板垮落。
11、优选的，所述步骤三中，进一步的，将超声波发生器频率调整到与岩石自身的固有频率相同时，岩石会在超声波的激励下发生共振现象，岩石内部质点的振幅会得到最大程度的放大，此时岩石极不稳定，共振条件作用下岩石最容易发生破坏，此时施加冲击有助于岩石加速破碎。
12、优选的，所述步骤四中，进一步的，在所述并沿巷道内，以预先设置间距和预设深度多次向所述煤层上方的顶板内按预设角度打孔，以得到所述多个平行排列的卸压钻孔。
13、优选的，所述并沿巷道的前进方向间隔预设距离多次钻孔采用间距为10m的定向卸压钻孔。
14、优选的，所述步骤五中，在对目标岩层进行超声激励预裂时，还包括根据目标岩层的硬度调节超声波发生器发出超声波的频率和功率，使其对换能器激发的超声波输出频率等于岩石固有频率，对目标岩层进行超声激励预裂，使其表面出现细微裂纹降低岩石的强度，待岩石处于共振状态时，再施加冲击载荷。
15、优选的，所述步骤六中，在对目标岩层进行超声波激励与冲击载荷共同作用时，还包括：调节超声波发生装置使超声波输出频率等于岩石固有频率，在超声波激励下，可以以较常规方法小很多的载荷使岩石发生破坏；
16、在对目标岩层施加冲击载荷时，超声致裂装置会喷出高压水，能够有效降低装置与岩石的温度，防止局部温度过高，避免瓦斯爆燃等事故的发生，超声波激励与冲击载荷共同作用时，目标岩层表面细微裂痕持续发育，并迅速扩展及贯通至相邻的卸压钻孔，使目标层岩石快速被破碎。
17、优选的，所述步骤七中，在对预设的卸压钻孔分别进行超声振动处理时，包括：在超声波激励与冲击载荷共同作用下，完成对目标岩层致裂点岩石破碎后，更换超声致裂装置的位置，重复上述破碎步骤；
18、对预设的卸压钻孔分别进行超声波振动激励处理，直至完成对整个顶板所有预设位置的致裂，从而破断顶板，使顶板垮落，保证工作面支架向前推进。
19、本专利技术提供了一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法。
20、与现有技术相比，具备以下有益效果：
21、1、本专利技术通过对煤层待掘进巷道上覆硬厚顶板进行预先致裂，实现对下沉顶板的破碎切除，保证工作面支架正常推进，还可以使超声振动致裂覆盖范围掘进巷道及巷道使用期间均处于低应力区，保证开采的工作人员处于被有效保护的状态，使煤炭开采在安全有序的情况下进行；
22、2、本专利技术采用超声振动切割顶板卸压的方法避免了爆破技术、水力压裂技术存在的缺点，超声波振动切割顶板卸压技术具有方向性好、能量集中、穿透能力强等优点，可以有效解决工作面前方顶板应力过大，工作面支架难以向前推进的问题，不但工艺简单、安全、成本低且卸压范围大、效果好，可有效避免采煤安全事故，保证工作面正常向前推进，具有重要的工程实际应用价值。
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1.一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述煤矿工作面生产地质条件数据包括工作面顶板、岩层和煤层物理和结构数据,根据所述采区工作面综合柱状分层图或通过钻孔用钻孔窥视仪观察等方法，确定所述工作面顶板的结构数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述钻孔角度和深度的计算公式如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述步骤三中，进一步的，将超声波发生器频率调整到与岩石自身的固有频率相同时，岩石会在超声波的激励下发生共振现象，岩石内部质点的振幅会得到最大程度的放大，此时岩石极不稳定，共振条件作用下岩石最容易发生破坏，此时施加冲击有助于岩石加速破碎。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述步骤四中，进一步的，在所述并沿巷道内，以预先设置间距和预设深度多次向所述煤层上方的顶板内按预设角度打孔
6.根据权利要求5所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述并沿巷道的前进方向间隔预设距离多次钻孔采用间距为10m的定向卸压钻孔。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述步骤五中，在对目标岩层进行超声激励预裂时，还包括根据目标岩层的硬度调节超声波发生器发出超声波的频率和功率，使其对换能器激发的超声波输出频率等于岩石固有频率，对目标岩层进行超声激励预裂，使其表面出现细微裂纹降低岩石的强度，待岩石处于共振状态时，再施加冲击载荷。
8.根据权利要求1所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述步骤六中，在对目标岩层进行超声波激励与冲击载荷共同作用时，还包括：调节超声波发生装置使超声波输出频率等于岩石固有频率，在超声波激励下，可以以较常规方法小很多的载荷使岩石发生破坏；
9.根据权利要求1所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述步骤七中，在对预设的卸压钻孔分别进行超声振动处理时，包括：在超声波激励与冲击载荷共同作用下，完成对目标岩层致裂点岩石破碎后，更换超声致裂装置的位置，重复上述破碎步骤；
...【技术特征摘要】
1.一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述煤矿工作面生产地质条件数据包括工作面顶板、岩层和煤层物理和结构数据,根据所述采区工作面综合柱状分层图或通过钻孔用钻孔窥视仪观察等方法，确定所述工作面顶板的结构数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述钻孔角度和深度的计算公式如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述步骤三中，进一步的，将超声波发生器频率调整到与岩石自身的固有频率相同时，岩石会在超声波的激励下发生共振现象，岩石内部质点的振幅会得到最大程度的放大，此时岩石极不稳定，共振条件作用下岩石最容易发生破坏，此时施加冲击有助于岩石加速破碎。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波振动激励破碎岩体切顶卸压方法，其特征在于：所述步骤四中，进一步的，在所述并沿巷道内，以预先设置间距和预设深度多次向所述煤层上方的顶板内按预设角度打孔，以得到所述多个平行排列的卸压钻孔。
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈岩，厉二康，王济华，李佳瑶，张涵，白宇，白二虎，侯志强，荣腾龙，郭保华，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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