本发明涉及一种采煤工作面超前顶板预裂爆破钻孔的倾角确定方法，属于煤矿安全生产技术领域。
背景技术：
采煤工作面坚硬老顶强度高、厚度大、节理裂隙少、承载能力强，在工作面开采后不易垮落，造成采空区大面积悬顶，导致工作面附近煤岩体静载增大，而且当工作面采空区达到一定尺度后，坚硬老顶在较高支承压力作用下突然断裂垮落，造成弹性能的瞬时大量释放，诱发大能量震动，极易引发工作面冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害。
实践表明，在工作面超前两巷内朝向工作面钻孔进行顶板预裂爆破，是较为有效的弱化坚硬老顶和卸压解危措施之一，然而超前预裂爆破钻孔的倾角对其卸压效果影响较大。目前超前预裂爆破钻孔的倾角设计多依赖于理论分析、经验类比、物理模拟和数值模拟等方法。由于煤层赋存环境和顶板岩层条件较为复杂，理论分析方法很难建立一套与现场实际情况相吻合的理论计算模型和方法；经验类比方法往往将临近工作面、采区甚至临近的矿井作为参照，但由于不同区域煤层赋存条件差异较大，其结果往往不符合本工作面实际；物理模拟方法和数值模拟方法往往是对现场实际条件进行了大量的简化且所采用的材料力学性质、分析方法与实际煤岩层性质差异较大，其结果很难与现场相对应。
目前，井下煤岩体裂隙探测方法主要有孔壁印模法、岩芯钻取法、钻孔摄像法等。钻孔摄像技术是利用微型照相机或微型摄像机探入钻孔，利用光学成像原理使钻孔内部直观地显现在使用者面前的一种观测方法。随着科技进步，目前钻孔窥视设备不但可以实现钻孔内拍照、录像，而且可以将视频转换为钻孔孔壁的内部展开图像，可直观观测到钻孔内部裂隙、破碎带的大小、方向和角度等信息。钻孔窥视方法已广泛用于煤矿巷道支护、采空区裂隙探测等方面，并取得了良好的应用效果。目前还没有一种利用采空区钻孔窥视设备确定工作面超前预裂爆破钻孔倾角的方法。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采煤工作面超前顶板预裂爆破钻孔的倾角确定方法，能精确获得施工顶板超前预裂钻孔的倾角范围，从而提高顶板超前预裂爆破卸压效果，最终降低煤矿灾害风险。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采煤工作面超前顶板预裂爆破钻孔的倾角确定方法，具体步骤为：
(1)第一工作面回采前在巷道顶板施工钻孔取芯，探明顶板岩层岩性及层位，从而确定工作面超前预裂爆破的层位；
(2)第一工作面回采时，根据第一工作面液压支架工作阻力和微震监测数据采用已知方法统计和分析，确定第一工作面初次来压与切眼之间的距离以及周期来压步距l；
(3)在第一工作面回采距离超过倾斜长度后，在采空区相邻工作面的回采巷道内，向第一工作面采空区施工两个相同参数的窥视钻孔组，其中一个窥视钻孔组的施工位置沿第一工作面推进方向在初次来压位置的前方、且距离初次来压位置大于1个周期来压步距l；另一个窥视钻孔组的施工位置沿第一工作面推进方向在工作面的后方、且与第一工作面的距离在大于1个周期来压步距l和小于2个周期来压步距l的范围内；所述窥视钻孔组由3个不同倾角的窥视钻孔组成；各窥视钻孔深度均超过步骤(1)确定的工作面超前预裂爆破的层位；
(4)在同一时间段内利用钻孔窥视设备对两个窥视钻孔组内的各窥视钻孔进行探测，并统计各窥视钻孔内部的裂隙分布情况；
(5)根据获得的各窥视钻孔内部的裂隙分布情况，沿各窥视钻孔的深度方向以无裂隙、微裂隙分布、宏观裂隙分布进行分段，然后分别绘制两个钻孔组的第一工作面采空区顶板裂隙分布钻孔柱状图；
(6)对比不同组顶板裂隙分布钻孔柱状图，分析爆破层位内微裂隙和宏观裂隙发育情况，将距离第一工作面切眼较近窥视钻孔组确定为第一钻孔组，另一个钻孔组为第二钻孔组，以第一窥视钻孔组的顶板裂隙分布柱状图为基准，将第二窥视钻孔组的顶板裂隙分布柱状图与其进行比较，确定第二窥视钻孔组的顶板裂隙分布柱状图中爆破层位内微裂隙和宏观裂隙相对不发育的分段(由于爆破层位岩层裂隙发育程度依次是宏观裂隙＞微裂隙＞无裂隙；两个图在爆破层位内窥视钻孔相同位置处，若第二窥视钻孔组中的发育程度低于第一窥视钻孔组中的发育程度，则确定该位置为相对不发育位置)；
(7)在第二窥视钻孔组的顶板裂隙分布柱状图中以第一工作面巷道工作面帮肩角为起点，该起点分别与步骤(6)确定的爆破层位内微裂隙和宏观裂隙相对不发育的分段两侧连线，然后得出两个连线分别与第一工作面底板之间的倾角；最终确定两个连线倾角之间为第一工作面巷道内施工顶板超前预裂钻孔的倾角范围。
进一步，所述步骤(3)中两个窥视钻孔组之间的距离大于8个周期来压步距l；所述窥视钻孔的直径为42～100mm。
进一步，所述步骤(3)的窥视钻孔组内3个窥视钻孔的倾角计算过程为：
设窥视钻孔的倾角为a，则满足：a1≤a≤a2，其中h1为顶煤厚度，m；h2为煤层顶板至老顶距离，m；h3为老顶厚度，m；w1为巷道宽度，m；w2为工作面间煤柱宽度，m；w3为老顶悬臂梁悬顶距理论值，m；a1为窥视钻孔最小倾角，°；a2为窥视钻孔最大倾角，°；
老顶悬臂梁悬顶距理论值w3的计算方法为
最终确定每个窥视钻孔组中3个窥视钻孔的倾角分别为a1、
与现有技术相比，本发明先采用钻孔取芯的方式确定工作面超前预裂爆破的层位，根据工作面液压支架工作阻力和微震监测数据采用已知方法统计和分析，确定第一工作面初次来压与切眼之间的距离以及周期来压步距；然后在采空区相邻工作面的回采巷道内，向第一工作面采空区施工两个相同参数的钻孔组，所述钻孔组由3个不同倾角的钻孔组成；在同一时间段内利用钻孔窥视设备对各钻孔进行探测，并统计各钻孔内部的裂隙分布情况；进而以无裂隙、微裂隙分布、宏观裂隙分布进行分段，分别绘制两个钻孔组的第一工作面采空区顶板裂隙分布钻孔柱状图；以第一钻孔组的顶板裂隙分布柱状图为基准，将第二钻孔组的顶板裂隙分布柱状图与其进行比较，确定第二钻孔组的顶板裂隙分布柱状图中爆破层位内微裂隙和宏观裂隙相对不发育的分段；在第二钻孔组的顶板裂隙分布柱状图中以第一工作面巷道工作面帮肩角为起点，该起点分别与相对不发育的分段两侧连线，然后得出两个连线分别与第一工作面底板之间的倾角；最终确定两个连线倾角之间为第一工作面巷道内施工顶板超前预裂钻孔的倾角范围。本发明能精确获得施工顶板超前预裂钻孔的倾角范围，从而提高顶板超前预裂爆破卸压效果，最终降低煤矿灾害风险。
附图说明
图1是本发明实施例中采空区顶板覆岩裂隙探测钻孔布置示意图。
图2为本发明实施例中取芯孔探测的顶板岩层示意图。
图3为本发明实施例中窥视钻孔组内各窥视钻孔倾角确定方法的示意图。
图4为本发明实施例中窥视钻孔组1窥视结果所绘制顶板裂隙分布柱状图。
图5为本发明实施例中窥视钻孔组2窥视结果所绘制顶板裂隙分布柱状图。
图6为本发明实施例中对比窥视钻孔组1和窥视钻孔组2窥视结果所确定的顶板超前预裂钻孔的倾角范围示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
(1)工作面1回采前在巷道顶板施工钻孔取芯，探明顶板岩层岩性及层位，从而确定工作面超前预裂爆破的层位；如图2所示，厚度为13.5m的粗粒砂岩层中为超前预裂爆破对象；
(2)工作面1回采时，根据工作面1液压支架工作阻力和微震监测数据采用已知方法统计和分析，确定工作面1初次来压与切眼之间的距离为50m以及周期来压步距l为20m；
(3)在工作面1回采距离超过倾斜长度180m后，在采空区相邻工作面2的回采巷道(运输顺槽)内，向工作面1采空区施工两个相同参数的窥视钻孔组，其中窥视钻孔组1的施工位置沿工作面1推进方向在初次来压位置的前方、且距离初次来压位置大于1个周期来压步距l(即20m)；窥视钻孔组2的施工位置沿工作面1推进方向在工作面1的后方、且与工作面1的距离在大于1个周期来压步距l和小于2个周期来压步距l的范围内(即20m～40m)；所述两个钻孔组之间的距离大于8个周期来压步距l(即160m)；所述窥视钻孔的直径为42～100mm；所述窥视钻孔组由3个不同倾角的窥视钻孔组成；各窥视钻孔深度均超过步骤(1)确定的工作面超前预裂爆破的层位；窥视钻孔组内3个窥视钻孔的倾角计算过程为：
设窥视钻孔的倾角为a，则满足：a1≤a≤a2，其中h1为顶煤厚度，m；h2为煤层顶板至老顶距离，m；h3为老顶厚度，m；w1为巷道宽度，m；w2为工作面间煤柱宽度，m；w3为老顶悬臂梁悬顶距理论值，m；a1为窥视钻孔最小倾角，°；a2为窥视钻孔最大倾角，°；
老顶悬臂梁悬顶距理论值w3的计算方法为
最终确定每个窥视钻孔组中3个窥视钻孔倾角分别为a1、
(4)在同一时间段内利用钻孔窥视设备对两个窥视钻孔组内的各窥视钻孔进行探测，并统计各窥视钻孔内部的裂隙分布情况；
(5)根据获得的各窥视钻孔内部的裂隙分布情况，沿各窥视钻孔的深度方向以无裂隙、微裂隙分布、宏观裂隙分布进行分段，然后分别绘制两个窥视钻孔组的工作面1采空区顶板裂隙分布钻孔柱状图，如图4和5所示；
(6)对比不同组顶板裂隙分布钻孔柱状图，分析爆破层位内微裂隙和宏观裂隙发育情况，以窥视钻孔组1的顶板裂隙分布柱状图为基准，将窥视钻孔组2的顶板裂隙分布柱状图与其进行比较，确定窥视钻孔组2的顶板裂隙分布柱状图中爆破层位内微裂隙和宏观裂隙相对不发育的分段；
(7)在窥视钻孔组2的顶板裂隙分布柱状图中以工作面1巷道(回风顺槽)工作面帮肩角为起点，该起点分别与步骤(6)确定的爆破层位内微裂隙和宏观裂隙相对不发育的分段两侧连线，然后得出两个连线分别与工作面1底板之间的倾角为60°和75°，如图6所示；最终确定工作面1巷道(回风顺槽)内施工顶板超前预裂钻孔的倾角范围为60°～75°。
以上所述实施例仅为清楚说明本发明所作的举例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
1.一种采煤工作面超前顶板预裂爆破钻孔的倾角确定方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)第一工作面回采前在巷道顶板施工钻孔取芯，探明顶板岩层岩性及层位，从而确定工作面超前预裂爆破的层位；
(2)第一工作面回采时，根据第一工作面液压支架工作阻力和微震监测数据采用已知方法统计和分析，确定第一工作面初次来压与切眼之间的距离以及周期来压步距l；
(3)在第一工作面回采距离超过倾斜长度后，在采空区相邻工作面的回采巷道内，向第一工作面采空区施工两个相同参数的窥视钻孔组，其中一个窥视钻孔组的施工位置沿第一工作面推进方向在初次来压位置的前方、且距离初次来压位置大于1个周期来压步距l；另一个窥视钻孔组的施工位置沿第一工作面推进方向在工作面的后方、且与第一工作面的距离在大于1个周期来压步距l和小于2个周期来压步距l的范围内；所述钻孔组由3个不同倾角的窥视钻孔组成；各窥视钻孔深度均超过步骤(1)确定的工作面超前预裂爆破的层位；
(4)在同一时间段内利用钻孔窥视设备对两个窥视钻孔组内的各窥视钻孔进行探测，并统计各窥视钻孔内部的裂隙分布情况；
(5)根据获得的各窥视钻孔内部的裂隙分布情况，沿各窥视钻孔的深度方向以无裂隙、微裂隙分布、宏观裂隙分布进行分段，然后分别绘制两个窥视钻孔组的第一工作面采空区顶板裂隙分布钻孔柱状图；
(6)对比不同组顶板裂隙分布钻孔柱状图，分析爆破层位内微裂隙和宏观裂隙发育情况，将距离第一工作面切眼较近窥视钻孔组确定为第一钻孔组，另一个钻孔组为第二钻孔组，以第一钻孔组的顶板裂隙分布柱状图为基准，将第二窥视钻孔组的顶板裂隙分布柱状图与其进行比较，确定第二窥视钻孔组的顶板裂隙分布柱状图中爆破层位内微裂隙和宏观裂隙相对不发育的分段；
(7)在第二窥视钻孔组的顶板裂隙分布柱状图中以第一工作面巷道工作面帮肩角为起点，该起点分别与步骤(6)确定的爆破层位内微裂隙和宏观裂隙相对不发育的分段两侧连线，然后得出两个连线分别与第一工作面底板之间的倾角；最终确定两个连线倾角之间为第一工作面巷道内施工顶板超前预裂钻孔的倾角范围。
2.根据权利要求1所述的一种采煤工作面超前顶板预裂爆破钻孔的倾角确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中两个窥视钻孔组之间的距离大于8个周期来压步距l；所述窥视钻孔的直径为42～100mm。
3.根据权利要求1所述的一种采煤工作面超前顶板预裂爆破钻孔的倾角确定方法，其特征在于，所述步骤(3)的窥视钻孔组内3个窥视钻孔的倾角计算过程为：
设窥视钻孔的倾角为a，则满足：a1≤a≤a2，其中h1为顶煤厚度，m；h2为煤层顶板至老顶距离，m；h3为老顶厚度，m；w1为巷道宽度，m；w2为工作面间煤柱宽度，m；w3为老顶悬臂梁悬顶距理论值，m；a1为窥视钻孔最小倾角，°；a2为窥视钻孔最大倾角，°；
老顶悬臂梁悬顶距理论值w3的计算方法为
最终确定每个窥视钻孔组中3个窥视钻孔的倾角分别为a1、
