CN104790949A - 巨厚坚硬顶板高瓦斯厚煤层顶板控制和提高瓦斯抽放效率的方法及钻孔机具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了巨厚坚硬顶板高瓦斯厚煤层顶板控制和提高瓦斯抽采效率的方法及钻孔机具。该方法首先在开采煤层沿顶板施工两个顺槽(1)，在开采煤层顶部一定距离处施工瓦斯高抽巷(2)；在瓦斯高抽巷(2)的两帮和底板施工角形槽炮孔(3)和圆形孔(4)；所述的角形槽炮孔(3)包括一个圆形炮孔，在圆形炮孔的直径两端有两个角形槽(5)；在角形槽炮孔(3)中装填炸药，在圆形炮孔(4)底部装填2～3m长的炸药，完成深孔分块爆破作业。本发明采用深孔分块爆破的方法将坚硬顶板控制和煤层增透、提高瓦斯抽采效率合二为一，有效控制了顶板的垮落步距同时提高了煤层的透气性、增加了煤层和瓦斯高抽巷之间的裂隙通道，提高了高抽巷的瓦斯抽采效率。
Description
技术领域
本发明涉及巨厚坚硬顶板控制技术，尤其涉及的是一种巨厚坚硬顶板高瓦斯厚煤层矿井顶板控制和瓦斯抽放的方法及其钻孔机具。
背景技术
在我国，有约三分之一的矿区煤层属于坚硬顶板，分布在50％以上的矿区，如北京、大同、鹤岗、义马、枣庄、通化、神府、乌鲁木齐、晋城、潞安、兖州等矿井煤层都具有很厚的坚硬顶板，岩性主要是砂岩和砾岩，煤层开采后形成大面积悬顶，也就形成了冲击地压发生的典型顶板条件。当开采煤层较厚时，巨厚坚硬顶板在采空区可形成大面积悬顶，短期内不易自然垮落。其初次来压步距约为普通坚硬顶板的2～3倍，周期来压步距为普通坚硬顶板的3～4倍。一旦垮落将会对采面的支护结构造成严重影响，情况严重时还会造成工作面垮落事故。且垮落瞬间巨大能量的释放还易引起破坏性巨大的冲击地压，摧毁采面及临近巷道的支架、风门，造成井下设备严重损坏和人员的重大伤亡。
在山西、山东、淮南等矿区，除存在巨厚坚硬顶板的难题之外，高瓦斯或煤与瓦斯突出问题常常又是另一个影响安全开采的一个重要因素。这些地区的煤层往往赋存大量的瓦斯，其中，吸附瓦斯量占到90％以上，而游离瓦斯量仅有10％左右。当煤层开采时，滞留在煤层中的瓦斯随煤层开采的扰动而不断地释放出来，其危害主要表现在三个方面：瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出。据统计，在我国煤矿事故中，40％以上为瓦斯爆炸事故，其中在特大事故中，瓦斯爆炸事故占82％以上。对于高瓦斯矿井，还易使积累的瓦斯瞬间涌出，引发瓦斯爆炸等重大事故。因此，对于这些矿井，往往兼具“煤层厚、顶板硬且厚、瓦斯量大”这三种特点，给煤矿的安全开采构成了极大的威胁，如何有效控制坚硬顶板垮落，同时提高瓦斯抽放是实现煤矿安全开采的重要课题。对于这种巨厚坚硬顶板高瓦斯厚煤层工作面开采时，控制巨厚坚硬顶板的初次垮落步距和周期垮落步距，消除大面积悬顶以及瓦斯堆积带来的自然发火、瓦斯爆炸等重大安全隐患是确保采面安全开采的重中之重。
现有的技术将坚硬顶板控制和瓦斯抽放分开治理，一般花费时间长，见效慢，影响煤矿的正常生产、费用高、治理效果不明显，且瓦斯抽放问题还具有治理难、易反复的特点。
发明内容
本发明提出了采用顶板深孔分块预裂和煤层松动预裂爆破的方法将坚硬顶板控制和煤层增透，提高瓦斯抽放效率合二为一，既不需要花费较多的时间，不影响正常生产，且效果好，提高了煤层的透气性，增大了瓦斯抽放效率，且避免了出现反复的问题，同时能够有效控制了顶板的垮落步距，确保了煤矿开采的安全性。
本发明的技术方案如下：
本发明首先提供一种巨厚坚硬顶板高瓦斯厚煤层顶板控制和提高瓦斯抽放效率的方法，首先在开采煤层沿顶板施工两个顺槽(1)，在开采煤层顶部一定距离处施工瓦斯高抽巷(2)；在瓦斯高抽巷(2)的两帮和底板施工角形槽炮孔(3)和圆形孔(4)；所述的角形槽炮孔(3)包括一个圆形炮孔，在圆形炮孔的直径两端有两个角形槽(5)；在角形槽炮孔(3)中装填炸药，并进行封堵，在圆形炮孔(4)底部装填2～3m长的炸药，进行封堵，完成顶板深孔分块预裂和煤层松动预裂爆破作业。
进一步的，所述的方法具体包括如下步骤：
A、首先在开采煤层沿顶板施工两个顺槽(1)，在开采煤层顶部垂直距离20～30m，距轨道顺槽(1)水平距离40～80m的位置施工与轨道顺槽相平行的瓦斯高抽巷(2)；
B、在瓦斯高抽巷(2)的两帮和底板施工所述角形槽炮孔(3)和圆形孔(4)；在施工角形槽炮孔(3)时，对于瓦斯高抽巷同一个断面的两帮和底板的角形槽炮孔的角形槽(5)所形成的切割平面应与瓦斯高抽巷(2)巷道的走向垂直；
C、在瓦斯高抽巷(2)的两帮和底板施工所述圆形孔(4)，圆形孔(4)与角形槽炮孔(3)间隔布置，从岩层直接打入煤层中。
C、在角形槽炮孔(3)中装填炸药，并进行封堵，在圆形炮孔(4)底部装填2～3m长的炸药，并进行封堵，完成顶板深孔分块预裂爆破作业，将坚硬顶板预裂分割成多块，完成煤层松动预裂爆破，增加煤层的裂隙区，提高煤层瓦斯抽放。
进一步的，所述角形槽(5)的尖角角度为50°～75°；圆形炮孔的孔径为50～60mm。帮部角形槽炮孔的轴向与两帮所成的夹角在45°～75°之间，其炮孔深度根据角度的变化在18m到80m之间进行调整，底板角形槽炮孔与底板垂直，其终孔在两帮炮孔的孔底所在的平面上。该平面距煤层顶板的垂直距离为7m左右。
所述圆形孔(4)的孔径为80～100mm，帮部圆形孔的轴向与两帮所成的夹角在30°～65°之间，其圆形孔的深度根据角度的变化在24m到90m之间进行调整，圆形炮孔的终孔所在的平面在煤层中，距煤层顶板的垂直距离为4m左右。
本发明还提供一种钻孔机具，其特征在于，用于施工上述的角形槽炮孔(3)；该钻孔机具包括钻头(6)、刻槽机具(7)和钻杆(10)，刻槽机具(7)的后面连接钻杆(10)，在距离钻头(6)为10cm的位置设置一个刻槽机具(7)，刻槽机具(7)中有一个能够转动的刀盘(8)，刀盘(8)的圆周为刀刃(9)，刀盘(8)为圆盘形，刻槽机具(7)为圆柱形，刀盘(8)中心位于刻槽机具(7)的轴线上，且圆盘的直径大于刻槽机具的外径，使得刀刃(9)凸出在刻槽机具(7)的两侧。
进一步的，在所述钻杆(10)的圆周上沿轴向设置若干排滚轮(11)，每排之间间隔1.5m～3.0m。
进一步的，所述刀刃(9)为夹角为50°～75°(如图2所示为60°)的角形刀口，用来施工角形槽(5)。
本发明的优点是主要体现在以下几点：
1、本发明采用深孔分块爆破技术将坚硬顶板分割成多个一定大小的岩体，当回采至顶板分割处时，顶板就会自然垮落，从而有效控制了坚硬顶板的垮落步距；
2、本发明在高抽巷的两帮和底板施工角形槽炮孔和圆形孔间隔布置，其中，角形槽炮孔孔底位于距煤层顶部7m左右的岩层中，圆形孔孔底位于距煤层顶部4m左右的煤层中，角形槽炮孔装填炸药，并进行封堵，在圆形炮孔(4)底部装填2～3m长的炸药，并进行封堵，爆破时，利用角形槽的应力集中特性以及圆形孔的空孔效应、导向作用，一方面，使爆生裂纹沿角形槽方向扩展，形成切割断裂面，另一方面，圆形孔周围的微裂纹受到爆炸应力波的影响而被激活，起裂扩展汇合成主裂纹带，在岩层中的圆形孔可保证角形槽炮孔方向的裂纹沿角形槽方向扩展。同时，圆形孔底部的炸药爆破后使煤层中的圆形孔周围的裂隙相互贯通，形成了大面积的贯通裂隙网络，从而提高了煤层的透气性，增加了瓦斯抽放效率。且，这种爆破方法使岩层和煤层联通的裂隙网络大大增加，提高了瓦斯从煤层向高抽巷运动的通道的通透性，提高了瓦斯抽放效率。
3、设计了易于施工角形槽炮孔的钻眼机具，一次施工即可形成角形槽炮孔，施工方便，且在钻杆上装有定位滚轮，有效保证了角形槽炮孔的成孔质量。
4、该方法在高抽巷中进行施工，避免了传统的在顺槽中进行钻眼爆破，不影响煤矿生产，采用爆破的方式，见效快，费用低。
附图说明
图1为本发明的高抽巷位置示意图及炮眼布置图；
图2为本发明角形槽炮孔结构示意图(截面图)；
图3为本发明采用的钻孔机具结构示意图；
图4为本发明采用的钻孔机具的角形槽刀盘结构示意图；
图5为角形槽刀盘横断面图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1-图5，巨厚坚硬顶板高瓦斯厚煤层顶板控制和提高煤层透气性，增大煤层瓦斯抽放效率的方法，包括如下步骤：
A、在开采煤层沿顶板施工两个顺槽1，在距开采煤层顶部垂直距离20～30m，距轨道顺槽1水平距离40～80m的位置施工与轨道顺槽相平行的瓦斯高抽巷2；
B、分别利用特制的钻孔机具在瓦斯高抽巷2的两帮和底板施工角形槽炮孔3和圆形孔4。.所述的角形槽炮孔3包括一个圆形炮孔，在圆形炮孔的直径两端有两个角形槽5，角形槽5的尖角角度为50°～75°(如图2所示为60°)；圆形炮孔的孔径一般为50～60mm(图2中炮孔孔径为60cm)，帮部角形槽炮孔的轴向与两帮所成的夹角在45°～75°之间，其炮孔深度根据角度的变化在18m到80m之间进行调整，底板角形槽炮孔与底板垂直，其终孔在两帮炮孔的孔底所在的平面上。该平面距煤层顶板的垂直距离为7m左右。炮孔深度根据角度的变化调整，一般为18米～80米，具体见图示。所述的圆形孔(4)的孔径为80～100mm，帮部圆形孔的轴向与两帮所成的夹角在30°～65°之间，其圆形孔的孔深根据角度的变化在24m到90m之间进行调整，圆形炮孔的终孔所在的平面在煤层中，距煤层顶板的垂直距离为4m左右。在具体施工过程中，应根据具体的地质情况，确定角形槽炮孔3和圆形孔4的深度、炮孔间距和排距。
C、在角形槽炮孔3中装填炸药，并进行封堵，在圆形炮孔(4)底部装填2～3m长的炸药，并进行封堵，完成深孔分块爆破作业，将坚硬顶板分割成多块，实现对顶板的有效控制，同时，在瓦斯高抽巷2施工的圆形孔在岩层中提高了爆生裂纹沿切槽方向的扩展，同时增多了瓦斯从煤层向高抽巷运动的通道，在煤层中的圆形孔爆破，在周围形成了密集的贯通裂隙网络，提高了煤层的整体透气性，这样大大提高了煤层瓦斯的抽采效率。
在施工角形槽炮孔3时，对于高抽巷同一个断面的两帮和底板的角形槽炮孔的角形槽所形成的的切割平面应与瓦斯高抽巷巷道的走向垂直(即角形槽顶点连线与瓦斯高抽巷巷道轴线垂直)，由于各炮孔一对角形槽形成的切割平面与高抽巷巷道的轴向相垂直，可以利用角形槽的应力集中作用，使爆破后在顶板中形成切割带，将顶板分块，同时，在圆形孔底部进行爆破，使煤层中圆形孔周围的微裂隙重新扩展并相互贯通，形成大面积的贯通裂隙网络，使煤层的透气性增强。
本发明采用的特制的钻孔机具包括钻头6、刻槽机具7和钻杆10，在距离钻头6为10cm的位置设置一个刻槽机具7，刻槽机具7中有一个能够转动的刀盘8，刀盘8的刀刃9为夹角为60°的角形刀口，用来施工角形槽，参考图3和图4，刀盘8为圆盘形，刻槽机具7为圆柱形，刀盘8中心位于刻槽机具7的轴线上，且圆盘的直径大于刻槽机具的外径，使得刀刃9凸出在刻槽机具7的两侧。刻槽机具的后面连接钻杆10，为了保证钻孔机具在炮孔中方便定位，保证角形槽的方向一直处于预定方位，在钻杆的圆周上沿轴向设置若干排滚轮11每排之间间隔1.5-3.0m，四个方向设置了转动滚轮11，保证钻机能够稳定钻进。
本发明的方法可以将坚硬顶板控制和瓦斯抽放有机结合起来，有效控制了顶板的垮落步距，同时提高了瓦斯抽采的效率。通过在煤层顶板一定距离处布置瓦斯高抽巷(由于高抽巷先于工作面的两条顺槽施工，所以不影响煤矿的正常作业)，然后利用特制的钻孔机具在高抽巷的两帮和底板施工径向角形槽炮孔，同时，在角形槽炮孔间隔布置圆形孔，然后在角形槽炮孔中装填炸药并封堵，圆形孔中不装填炸药，利用爆破时角形槽处产生的应力集中，以及圆形空孔的空孔效应、导向作用和应力集中作用，使爆破后沿角形槽劈方向形成优势裂纹面，圆形空孔起导向作用和自由面作用，进一步保证优势裂纹面沿切槽方向扩展，最终在空间上形成顶板割断面，达到控制顶板的目地。同时，圆形孔还增加了瓦斯沿煤层向高抽巷运动的裂隙带，圆形孔底部爆破，使煤层中的圆形孔周围形成的密集的裂隙网络还进一步提高了煤层的透气性，提高了瓦斯抽采的效率。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.巨厚坚硬顶板高瓦斯厚煤层顶板控制和提高瓦斯抽采效率的方法，其特征在于，首先在开采煤层沿顶板施工两个顺槽，在距开采煤层顶部一定距离处施工瓦斯高抽巷(2)；在瓦斯高抽巷(2)的两帮和底板施工角形槽炮孔(3)和圆形孔(4)；所述的角形槽炮孔(3)包括一个圆形炮孔，在圆形炮孔的直径两端有两个角形槽(5)；在角形槽炮孔(3)中装填炸药，并进行封堵，在圆形孔(4)底部装填2～3m长的炸药，进行封堵，完成顶板深孔分块预裂和煤层松动预裂爆破作业。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
A、采煤工作面的轨道顺槽和材料顺槽沿煤层顶板掘进，在距开采煤层顶部垂直距离20～30m，距轨道顺槽(1)水平距离40～80m的位置施工与轨道顺槽相平行的瓦斯高抽巷(2)；
B、在瓦斯高抽巷(2)的两帮和底板施工所述角形槽炮孔(3)；在施工角形槽炮孔(3)时，对于瓦斯高抽巷同一个断面的两帮和底板的角形槽炮孔的角形槽(5)所形成的切割平面应与瓦斯高抽巷(2)巷道的走向垂直；
C.在瓦斯高抽巷(2)的两帮和底板施工所述圆形孔(4)，圆形孔与角形槽炮孔(3)间隔布置，从岩层直接打入煤层中；
D、在角形槽炮孔(3)中装填炸药，并进行封堵，在圆形炮孔(4)底部装填2～3m长的炸药，进行封堵，完成顶板深孔分块预裂爆破作业，将坚硬顶板预裂分割成多块，并完成煤层松动预裂爆破，增加煤层的裂隙区，提高煤层瓦斯抽放。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述瓦斯高抽巷的宽度为4.0～5.0m，高度为2.4～3.0米；所述角形槽(5)的尖角角度为50°～75°；圆形炮孔的孔径为50～60mm；帮部角形槽炮孔的轴向与两帮所成的夹角在45°～75°之间，其炮孔深度根据角度的变化在18m到80m之间进行调整，底板角形槽炮孔与底板垂直，其终孔在两帮炮孔的孔底所在的平面上；该平面距煤层顶板的垂直距离为7m左右。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述圆形孔(4)的孔径为80～100mm，帮部圆形孔的轴向与两帮所成的夹角在30°～65°之间，其圆形孔的深度根据角度的变化在24m到90m之间进行调整，圆形炮孔的终孔所在的平面在煤层中，距煤层顶板的垂直距离为4m左右。
5.一种钻孔机具，其特征在于，用于施工权利要求1或2中所述的角形槽炮孔(3)；该钻孔机具包括钻头(6)、刻槽机具(7)和钻杆(10)，刻槽机具(7)的后面连接钻杆(10)，在距离钻头(6)为10cm的位置设置一个刻槽机具(7)，刻槽机具(7)中有一个能够转动的刀盘(8)，刀盘(8)的圆周为刀刃(9)，刀盘(8)为圆盘形，刻槽机具(7)为圆柱形，刀盘(8)中心位于刻槽机具(7)的轴线上，且圆盘的直径大于刻槽机具的外径，使得刀刃(9)凸出在刻槽机具(7)的两侧。
6.根据权利要求4所述的钻孔机具，其特征在于，在所述钻杆(10)的圆周上沿轴向设置若干排滚轮(11)，每排之间间隔1.5m～3.0m。
7.根据权利要求4所述的钻孔机具，其特征在于，所述刀刃(9)为夹角为50°～75°的角形刀口，用来施工角形槽(5)。
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