CN104594901A - 一种工作面通过火成岩侵入区的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作面通过火成岩侵入区的方法，具体是一种以特殊溶液为介质的高压电脉冲破裂和软化岩体使工作面通过火成岩侵入区的方法，在火成岩侵入区合理布置钻孔，将特殊溶液注入钻孔并作为高压电脉冲的传播介质，利用高压电脉冲在钻孔内壁产生大量裂纹，并且在高压电脉冲和溶液压力的作用下使裂纹不断扩展形成裂缝，同时溶液与火成岩发生化学反应使其软化，达到对火成岩岩体的破碎与软化的目的，使工作面直接通过火成岩侵入区。该方法避免工作面直接过火成岩侵入区时对采煤机等机械设备的破坏以及工作面跳采时造成的时间、资源和人工的大量浪费，确保工作面安全高效的推进，具有较强的推广和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种工作面通过火成岩侵入区的方法，具体涉及一种高压电脉冲破裂和软化岩体使工作面通过火成岩侵入区的方法，属于煤矿开采领域。
背景技术
石炭系煤系地层受火成岩侵入作用，形成了大面积火成岩侵入区。火成岩在石炭系煤层系地层中穿插，一方面破坏了原有的地层结构，对采空工程的安全进行产生极大威胁，另一方面是煤层硅化，破坏煤炭资源，更为严重的是大面积侵入煤层中的火成岩岩体由于强度大，工作面推进至火成岩侵入区时采煤机严重受损，工作面不得已进行搬家，由此造成的时间、资源和人工的大量浪费。这一普遍现象已成为限制矿井安全高效生产的一大“顽疾”。
目前，综采工作面遇到大面积火成岩侵入区时唯一的方法就是跳过该区域，工作面搬家将带来一系列问题：首先工作面的大型机械设备的转移，将耗费大量的时间和人力，其次，工作面搬家前必须开掘新的切眼，由此引起的掘进与支护工程量极大。
与实际工程中面临的与火成岩侵入区最接近的情况就是煤层内出现陷落柱的情况，而传统过陷落柱的方法是采用爆破崩裂，但爆破会带来诸多不可控的因素，例如崩出石块的大小和距离，特别是在受地应力作用下的岩体中实施爆破无发保证综采设备的安全，此方法存在极大安全隐患；此外还有通过钻孔（一种钻孔弱化岩石使综采工作面直接过陷落柱的方法201210247130.6）和化学溶液腐蚀岩体（一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法201210199761.5）达到软化陷落柱岩体的方法，但遇到类似火成岩这类异常坚硬的岩体时，一方面钻孔难度较大，特别是遇到火成岩侵入区范围和厚度较大的情况，用钻孔的方法破坏岩体结构的方法工程量较大；另一方面化学腐蚀本身是一种相对缓慢的方法，若要加快软化也只能提高化学溶液浓度，而化学溶液中主要是酸溶液，这样工作面机械设备通过时不可避免的遇到残留的酸溶液，这对机械设备是一个极大的威胁。此外随化学溶也与岩体反应的进行，溶液受自重下渗，钻孔内溶液液无法与钻孔内壁完全接触，无法达到较好的软化效果。综上所述，在现有的技术条件下，影响综采工作面正常推进火成岩侵入区的主要原因是火成岩岩体强度极大，侵入的范围也相对较大。因此，寻求一种安全、高效、可控的的火成岩岩体破裂软化方法是解决该问题的关键。。
发明内容
本发明旨在提供一种以特殊溶液为介质的高压电脉冲破裂和软化岩体使工作面通过火成岩侵入区的方法，针对现场通过工作面搬家的方法过火成岩侵入区存在的人力、时间、资源的极大浪费；爆破方法潜在安全隐患较大；单纯钻孔和化学溶液软化效率低和潜在的损坏机械设备的问题，提出一种安全、高效、可控的通过工作面火成岩侵入区的方法。
本发明提供了一种工作面通过火成岩侵入区的方法，该方法以特殊溶液为介质，在火成岩侵入区合理布置钻孔，将特殊溶液注入钻孔并作为高压电脉冲的传播介质，利用高压电脉冲在钻孔内壁产生大量裂纹，并且在高压电脉冲和溶液压力的作用下使裂纹不断扩展形成裂缝，同时溶液与火成岩发生化学反应，使火成岩岩体破碎、软化，工作面直接通过火成岩侵入区。
本发明提供的一种工作面通过火成岩侵入区的方法，包括以下步骤：
步骤一，通过物探确定火成岩侵入区的厚度、位置和边界，并钻孔取芯，在火成岩侵入区合理布置钻孔；
步骤二，对所取火成岩岩芯经行岩石力学和物理力学实验，得到火成岩的单轴抗压和抗拉强度，采用重量法、滴定法和原子吸收法确定火成岩化学成分及含量，通过X射线衍射得到其火成岩主要矿物成分；
步骤三，根据火成岩化学成分和矿物成分，配制含有能与该岩石发生反应的化学溶液，结合不同时间，不同浓度化学溶液为介质条件下，不同强度电脉冲试验后火成岩试件的强度测试结果对所配溶液进行优化；
步骤四，根据物探结果，确定火成岩侵入区的钻孔布置及参数和注液量，将粒径为1～15mm的硬质颗粒与所配溶液混合，通过注液设备将其注入钻孔。
步骤五，将放电电极和传输电缆送入钻孔，并用封堵装置将钻孔经行封堵；根据物探得到的火成岩岩层厚度和钻孔位置选取合理强度的高压电脉冲和脉冲作用点，使火成岩岩体达到最好的破裂软化效果。
上述方案中，所述步骤一中，从回风顺槽一侧，按水平方向布置一排钻孔，孔的间距h为煤层开采厚度的三分之一，孔直径d=75～100mm，孔高度为开采煤层厚度的二分之一；钻孔的角度与煤层倾角相同，孔底部距煌斑岩侵入区在进风顺槽一侧边界的距离为煤层开采厚度的三分之一。
上述方案中，所述钻孔的孔径为75mm，孔间距为煤层开采厚度的三分之一。
上述方案中，所述步骤二中采用重量法，滴定法和原子吸收以及X射线衍射试验充分了解火成岩的矿物成分，化学成分及含量，在此基础上选配化学溶液，通过实验室试验掌握该化学溶液对火成岩的软化机理，并通过设计不同浓度的化学溶液为介质的电脉冲模拟试验，得到以不同时间、不同浓度的化学溶液为介质条件下，不同强度电脉冲试验后火成岩试件的单轴抗压、抗拉强度的变化规律。
进一步地，所述化学溶液为质量浓度为5%～7%的HCl、HF或二者的混合溶液。
上述方案中，所述步骤四中的硬质颗粒为石英砂，其用量为钻孔中所加入化学溶液体积的5～10%。由于是石英砂具有坚硬、耐磨、化学性能稳定的特点，本发明考虑使用石英砂作为硬质颗粒。
所述步骤五中，高压电脉冲作用点按由钻孔底部至顶部每隔500mm分布，作用强度为：冲击波峰值压力>100MPa,放电电压30kV，装置储能4.5kJ，电源功率<2000W，工作频率5～10次/min，供电电压为200V/50Hz。
所述封堵装置主要由特制的内部为喇叭形的塑料螺母和内部有穿孔的金属螺栓构成，随着螺栓不断旋入，螺母受螺栓所用发生膨胀，使其对钻孔壁的压力不断增加，最终将钻孔密封，实现封堵效果。
本发明技术方案中，根据物探结果显示的火成岩岩体厚度和试验所得火成岩强度合理布置钻孔，选取最优的高压电脉冲作用点和作用强度，以达到最好的破裂软化效果。
将硬质颗粒混入配制好的化学溶液中后注入钻孔，当高压电脉冲作用后，在火成岩岩体内产生大量的裂纹，此时石英砂受冲击力作用填充到已张开裂缝中，尽管受顶板岩层压力作用，但在石英砂的支撑下裂纹不会闭合，这样化学溶液很容易地进入张开裂缝中并发生化学反应，加速火成岩岩体的软化。
本发明提供的一种以特殊化学溶液为介质的高压电脉冲破裂和软化使工作面通过火成岩侵入区的方法，与现有技术相比，具有以下的优点与积极效果：
（1）本发明利用X射线衍射试验和重量法、滴定法、原子吸收法，精确测定火成岩的矿物组成和所含化学成分及其含量，对于火成岩岩石组分的精确掌握为该发明使用的特殊化学溶液的配制提供可靠的依据，进而能够准确确定特殊化学溶液的组分。
（2）本发明充分考虑的地应力作用下岩体裂缝易被压密的特性，特殊溶液中混入一定量的粒径为1～15mm的硬质颗粒，当岩体受高压电脉冲作用产生裂纹时，溶液中的石英砂在冲击力的作用下充填到裂纹中，这样就避免了地应力将裂缝重新压密的可能。
（3）本发明的优点还在于高压电脉冲对岩体产生的破坏力是可控的，通过设置不同的电压，对电脉冲的强度进行严格的控制，这就避免了用炸药爆破时产生的诸多不可控因素引起的潜在危险。
（4）本发明充分将物理和化学作用对岩体的破坏很好的结合，高压电脉冲产生的冲击压力将岩体破裂的同时使化学溶液充分与岩体接触，化学软化和物理破裂相互促进形成对岩石破坏的“良性循环”，较单一的物理作用（如钻孔）或化学作用（化学溶液软化）具有高效率、适应性强的特点。
附图说明
图1是本发明火成岩侵入区示意图。
图2是图1中沿B-B线的剖面图。
图3是图1中沿A-A线的剖面图。
图4是图3中沿D-D线的剖面图。
图5是煌斑岩侵入区岩体作用下煌斑岩岩体受力示意图。
图6为煌斑岩侵入区岩体作用下煌斑岩岩体破裂效果图。
图7 为封堵装置示意图。
图中：1：煤体；2：火成岩岩体；3：综采工作面；4：进风顺槽；5：回风顺槽；6：孔；7：化学溶液；8：电缆；9：电火花震源箱；10：封堵装置；11：电极；12：裂缝；13：硬质颗粒；14：钻孔内壁；15：喇叭形螺母；16：螺栓，σp为冲击压力，σy为顶板、底板压力。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
以同煤雁崖煤业公司扩区一盘区山的火成岩侵入区为例，说明本发明。
火成岩侵入区的概况：同煤雁崖煤业公司扩区一盘区山4#层8102工作面从回风巷算起，210巷从1034m-1130m区域为顶板煌斑岩侵入区，从1130m-1234m煌斑岩侵入煤层中部，厚度0.2-1.3m,从南到北逐渐变厚，煌斑岩侵入区域全长200m，2102巷从1742m-尾切巷区域为顶板煌斑岩侵入区，5102巷从 1194m-1260m区域为底煌斑岩侵入区，厚度0.1-0.4m，从1790m-1846m为顶板煌斑岩侵入区。煌斑岩侵入区域内，煤层受煌斑岩不规则的穿插侵入，破坏严重，局部煤层挤压变薄，煤层变质为高灰煤。5102巷相邻8101工作面采空区，在回采过程中发现煌斑岩侵入严重，机组难以截割，工作面被迫搬家，停产45天。针对这一情况，下面结合附图对本发明的具体实施过程做出进一步说明。
本发明所提供的一种以特殊溶液为介质的高压电脉冲破裂和软化岩体使综采工作面过火成岩侵入区的方法，其主要解决的是火成岩岩层异常坚硬，综采工作面无法直接推进的情况，火成岩侵入区示意图见附图1所示。
本发明提供的以特殊化学溶液为介质的高压电脉冲破裂和软化过工作面火成岩侵入区的方法，其所述方法是：首先从岩体2中钻孔取芯，在实验室利用X射线衍射试验和重量法、滴定法、原子吸收法，精确测定火成岩的矿物组成和所含化学成分及其含量。煌斑岩是侵入煤层的一种火成岩，目前通过试验发现煌斑岩含有15%～20%的白云石（Mg Ca（CO3）2）和30%左右的正长石（KALSi3O8），矿物化学成分中CaO占15%左右，MgO占5%以上， K2O 占5%以上、Al2O3占9%左右。
结合上述火成岩的实际情况，主要成分为金属氧化物等，因此考虑选取酸来中和金属氧化物，此处主要考通过化学腐蚀促进煌斑岩岩体内孔隙的增加；最终选取质量分数为6%的HCl和HF的化学溶液作为高压电脉冲的介质。
称取4.45×105ml化学溶液，然后筛选粒径为1～15mm、体积为0.25×105ml 的石英砂混入上述溶液中，配制成特殊化学溶液。
如附图2、3，从回风顺槽5一侧，按水平方向布置一排钻孔。钻孔间距h为1000mm，钻孔直径d=75mm，钻孔高度为1500mm。如附图3所示为钻孔剖面图，钻孔角度与煤层倾角相同，均为3°，钻孔底部距煌斑岩侵入区在进风顺槽一侧边界的距离为三分之一煤层开采厚度。
图4中4、5分别为进风顺槽和回风顺槽。本发明实施过程为，将预先配制好的特殊溶液7注入钻孔，然后将高压电脉冲电极11和电缆8送入钻孔底部，随后用封堵装置10（封堵装置为楔形体，插入钻孔中密封性好）将钻孔密封，连接电极的电缆另一端与电火花震源箱9连接，电极从钻孔底部到钻孔口位置，每隔三分之一煤层开采厚度的距离发射35～40次高压电脉冲。
图5~6为本发明所述的方法对煌斑岩侵入区岩体作用下煌斑岩岩体受力和破裂效果，岩体外侧上下的力为煌斑岩岩体所受地应力值，岩体中心孔向外施加的力即为本发明方法对钻孔内壁产生的冲击应力。在内、外力作用下，沿钻孔内壁产生裂纹12，同时特殊溶液中的石英砂13填充到裂纹12中，溶液7受高压电脉冲产生的冲击压力进入裂纹12进而对煌斑岩岩体进行软化。
图7示出了封堵装置的结构，所述封堵装置主要由特制的内部为喇叭形螺母15紧固在钻孔内壁14的端部，然后将内部有孔的金属螺栓16插入喇叭形螺母15内，电火花震源箱9发射的电脉冲从螺栓16的孔中穿入。随着螺栓不断旋入，螺母受螺栓作用用发生膨胀，使其对钻孔壁的压力不断增加，最终将钻孔密封，实现封堵效果。
Claims (8)
1.一种工作面通过火成岩侵入区的方法，其特征在于：以化学溶液为介质，在火成岩侵入区合理布置钻孔，将特殊溶液注入钻孔并作为高压电脉冲的传播介质，利用高压电脉冲在钻孔内壁产生大量裂纹，并且在高压电脉冲和溶液压力的作用下使裂纹不断扩展形成裂缝，同时溶液与火成岩发生化学反应，使火成岩岩体破碎、软化，工作面直接通过火成岩侵入区。
2.根据权利要求1所述的工作面通过火成岩侵入区的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，通过物探确定火成岩侵入区的厚度、位置和边界，并钻孔取芯，在火成岩侵入区合理布置钻孔；
步骤二，对所取火成岩岩芯经行岩石力学和物理力学实验，得到火成岩的单轴抗压和抗拉强度，采用重量法、滴定法和原子吸收法确定火成岩化学成分及含量，通过X射线衍射得到其火成岩主要矿物成分；
步骤三，根据火成岩化学成分和矿物成分，配制含有能与该岩石发生反应的化学溶液，结合不同时间，不同浓度化学溶液为介质条件下，不同强度电脉冲试验后火成岩试件的强度测试结果对所配溶液进行优化；
步骤四，根据物探结果，确定火成岩侵入区的钻孔布置及参数和注液量，将粒径为1～15mm的硬质颗粒与所配溶液混合，通过注液设备将其注入钻孔；
步骤五，将放电电极和传输电缆送入钻孔，并用封堵装置将钻孔经行封堵；根据物探得到的火成岩岩层厚度和钻孔位置选取合理强度的高压电脉冲和脉冲作用点，使火成岩岩体达到最好的破裂软化效果。
3.根据权利要求2所述的工作面通过火成岩侵入区的方法，其特征在于：所述步骤一中，从回风顺槽一侧，按水平方向布置一排钻孔，孔的间距h为煤层开采厚度的三分之一，孔直径d=75～100mm，孔高度为开采煤层厚度的二分之一；钻孔的角度与煤层倾角相同，孔底部距煌斑岩侵入区在进风顺槽一侧边界的距离为煤层开采厚度的三分之一。
4.根据权利要求3所述的工作面通过火成岩侵入区的方法，其特征在于：所述钻孔的孔径为75mm，孔间距为500mm。
5.根据权利要求2所述的工作面通过火成岩侵入区的方法，其特征在于：所述步骤二中采用重量法，滴定法和原子吸收以及X射线衍射试验充分了解火成岩的矿物成分，化学成分及含量，在此基础上选配化学溶液，通过实验室试验掌握该化学溶液对火成岩的软化机理，并通过设计不同浓度的化学溶液为介质的电脉冲模拟试验，得到以不同时间、不同浓度的化学溶液为介质条件下，不同强度电脉冲试验后火成岩试件的单轴抗压、抗拉强度的变化规律。
6.根据权利要求5所述的工作面通过火成岩侵入区的方法，其特征在于：所述化学溶液为质量浓度为5%～7%的HCl、HF或二者的混合溶液。
7.根据权利要求2所述的工作面通过火成岩侵入区的方法，其特征在于：所述步骤四中的硬质颗粒为石英砂，其用量为钻孔中所加入化学溶液体积的5～10%。
8.根据权利要求2所述的工作面通过火成岩侵入区的方法，其特征在于：所述步骤五中，高压电脉冲作用点按由钻孔底部至顶部每隔500mm分布，作用强度为：冲击波峰值压力>100MPa,放电电压30kV，装置储能4.5kJ，电源功率<2000W，工作频率5～10次/min，供电电压为200V/50Hz。
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