CN107013212B - 一种超声波激励放顶或放煤装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波激励放顶或放煤装置及方法，属于能源工程领域。用钻机在工作面前方顶板或顶煤内间隔施工超前钻孔，将超声激励装置放入上述钻孔中并固定，对钻孔进行超声激励致裂，使顶板和顶煤产生裂缝,破坏煤岩体的整体性、降低其强度，以减小顶板来压的步距及强度，防止突然大面积来压,保障安全；同时使顶煤得到有效预裂，放煤顺利，顶煤回收率高。该方法为坚硬顶板或顶煤开采提供了一种新型技术手段，其方法简单,施工方便,安全可靠,效果好。

Description

一种超声波激励放顶或放煤装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用超声波激励致裂进行放顶或放煤的装置及方法,尤其是一种适用于硬度大、强度高、完整性好的顶板或顶煤的致裂。

背景技术

我国许多矿区(如榆林神东矿区、大同矿区等)煤层之上直接赋存或在厚度较薄的直接顶上赋存有强度高、厚度大、整体性强、节理裂隙不发育的坚硬顶板。坚硬厚层顶板在工作面采空区后方大面积悬顶往往会给采场造成高应力集中现象。当采空区上方悬顶面积达到一定后,积聚在顶板煤或岩体内的高应力突然释放,伴随的动力效应严重威胁着安全开采。轻者造成开采设备的毁坏,重者造成人员伤亡。

目前常用的强制放顶方式为爆破放顶和注入高压水放顶,爆破放顶施工方式涉及炸药问题,在放顶过程中对施工人员和通风要求高；尤其是在高瓦斯矿井，其适用性受到限制；注入高压水放顶施工过程需要考虑水的供给以及钻孔封孔问题,施工步骤复杂。

发明内容

技术问题:本发明的目的是克服已有技术中的不足之处,提供一种简单、安全可靠的超声波激励放顶或放煤装置及方法。

技术方案:本发明的超声波激励放顶或放煤装置,包括置入浅孔与深孔内的超声致裂装置，导线和超声波驱动电源。导线的一端与超声致裂装置相连，另一端与超声波驱动电源相连。超声致裂装置由换能器与致裂控制装置组成。所述的致裂控制装置包括V形弹簧片、钢管、铁丝和套环。

所述的V形弹簧片与换能器焊接用来固定超声致裂装置。

所述的V形弹簧片上设有小孔，中部焊接一根钢管，从V形弹簧片上的小孔里引出铁丝与钢管上的套环相连，套环下方引出一根铁丝，类似于一种伞状结构。回收超声致裂装置时，用钻杆顶住钢管，拉紧铁丝使V形弹簧片向内收缩，脱离孔壁。

使用上述装置的超声波激励放顶或放煤方法，包括如下步骤：

a.在回采巷道内向顶板和顶煤间隔施工超前钻孔至设定深度,包括浅孔与深孔两种类型,浅孔布置在顶煤中,深孔布置在顶板中。

b.对钻孔进行超声激励预裂:首先用导线连接超声致裂装置,将超声致裂装置用钻杆送至浅孔或深孔内设定位置。然后用导线连接超声致裂装置与超声波驱动电源,所述超声波驱动电源放置在回采巷道内。开启超声波驱动电源,对浅孔或深孔进行超声激励预裂，完成一个钻孔的预裂后，关闭超声波驱动电源。

c.用钻杆顶住钢管，拉住铁丝，使V形弹簧片向内收缩脱离孔壁,取出超声致裂装置,重复步骤b,对下一个浅孔或深孔进行致裂,直至完成所有钻孔的致裂。

所述在顶煤施工的浅孔与在顶板施工的深孔分别与顶煤和顶板所呈的角度为15°～45°，施工过程中可根据具体情况进行适当调整。

所述浅孔或深孔的深度为采高的3～5倍,在实际运用过程中，可根据具体情况进行适当调整；所述浅孔或深孔的间距为5～10m，具体参数根据工作面的长度可适当进行调整；所述浅孔或深孔的排距根据顶板的垮落步距确定，为垮落步距的1/5～1/3，可根据具体情况进行适当调整。

所述浅孔或深孔在空间位置上相互错开布置或平行布置，保证有足够的预裂范围即可。

有益效果:本发明依据采煤工作面后方采空区大面积悬顶的情况,基于超声波频率高,方向性好,能量集中,穿透性强的特点,通过控制预裂浅孔和深孔在空间内的布置方式,达到有效预裂顶板或放煤的目的。在工作面前方顶煤和顶板内间隔施工超前钻孔,对钻孔施加超声激励；结合超声波致裂的裂缝扩展规律,对工作面前方顶板和顶煤按照其完整程度分区进行超声激励控制,使相邻钻孔在超声波激励作用下产生的裂缝贯通,实现坚硬顶板和顶煤超声波预裂，破坏煤岩的整体性、降低其强度,以减小顶板来压的步距及强度；同时使顶煤得到有效预裂，放煤顺利，顶煤回收率高。该方法为坚硬顶板或顶煤开采提供了一种新型技术手段，其方法简单,施工方便,安全可靠,效果好,具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明施工布置平面示意图；

图2是图1的A—A剖面图；

图3是本发明的致裂控制装置示意图；

图4是本发明钻孔预裂示意图；

图5是本发明的致裂控制装置工作时示意图；

图6是本发明的致裂控制装置回收时示意图；

图中:1—浅孔；2—顶板；3—深孔；4—超声致裂装置；5—V形弹簧片；6—换能器；7—导线；8—回采巷道；9—超声波驱动电源；10—顶煤；11—液压支架；12—铁丝；13—采空区；14—工作面；15—端头支架；16—小孔；17—钢管；18—套环；A—致裂控制装置；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的超声波激励放顶或顶煤装置,包括超声致裂装置(4)、导线(7)和超声波驱动电源(9)。导线(7)的一端与超声致裂装置相连，另一端与超声波驱动电源(9)相连。超声致裂装置(4)由换能器(6)与致裂控制装置(A)组成。所述的致裂控制装置(A)包括V形弹簧片(5)和铁丝(12)。所述的V形弹簧片(5)与换能器(6)焊接用来固定超声致裂装置(4)。所述的V形弹簧片(5)上设有小孔(16)，中部焊接一根钢管(17)，从V形弹簧片(5)上的小孔(16)里引出铁丝(12)与钢管(17)上的套环(18)相连，套环下方引出一根铁丝(12)，类似于一种伞状结构。回收超声致裂装置时，用钻杆顶住钢管(17)，拉紧铁丝(12)使V形弹簧片(5)向内收缩，脱离孔壁。

本发明的超声波激励放顶或放煤方法,具体步骤如下：

a.在回采巷道内向顶板(2)和顶煤(10)间隔施工超前钻孔,包括浅孔(1)与深孔(3),浅孔(1)布置在顶煤(10)中,深孔(3)布置在顶板(2)中。

b.对钻孔进行超声激励预裂:首先用导线连接超声致裂装置(4),将超声致裂装置(4)用钻杆送至浅孔(1)或深孔(3)内设定位置。然后用导线(7)连接超声致裂装置(4)与超声波驱动电源(9),所述超声波驱动电源(9)放置在回采巷道(8)内。开启超声波驱动电源(9),对浅孔(1)或深孔(3)进行超声激励预裂，当完成一个钻孔的预裂后，关闭超声波驱动电源(9)。

c.用钻杆顶住钢管(17)，拉住铁丝(12)，使V形弹簧片(5)向内收缩脱离孔壁,取出超声致裂装置(4),重复步骤b,对下一个浅孔(1)或深孔(3)进行预裂,直至完成所有钻孔的预裂。

Claims (4)

1.一种超声波激励放顶或放煤方法，其特征在于，利用超声波激励放顶或放煤装置，该超声波激励放顶或放煤装置包括超声致裂装置(4)、导线(7)和超声波驱动电源(9)；导线(7)的一端与超声致裂装置相连，另一端与超声波驱动电源(9)相连；超声致裂装置(4)置于钻孔中，超声致裂装置(4)由换能器(6)与致裂控制装置(A)组成；所述的致裂控制装置(A)包括V形弹簧片(5)、钢管(17)、铁丝(12)和套环(18)；所述的V形弹簧片(5)与换能器(6)焊接用来固定超声致裂装置(4)；所述的V形弹簧片(5)上设有小孔(16)，中部焊接一根钢管(17)，从V形弹簧片(5)上的小孔(16)里引出铁丝(12)与钢管(17)上的套环(18)相连，套环(18)下方引出一根铁丝(12)，类似于一种伞状结构；回收超声致裂装置(4)时，用钻杆顶住钢管(17)，拉紧铁丝(12)使V形弹簧片(5)向内收缩，脱离孔壁；

并包括如下步骤:

a.在回采巷道内向顶板(2)和顶煤(10)间隔施工超前钻孔，包括浅孔(1)与深孔(3)，浅孔(1)布置在顶煤(10)中，深孔(3)布置在顶板(2)中；

b.对钻孔进行超声激励预裂:首先用导线(7)连接超声致裂装置(4)，将超声致裂装置(4)用钻杆送至浅孔(1)或深孔(3)内设定位置；然后用导线(7)连接超声致裂装置(4)与超声波驱动电源(9)，所述超声波驱动电源(9)放置在回采巷道(8)内；开启超声波驱动电源(9)，对浅孔(1)或深孔(3)进行超声激励预裂，完成一个钻孔预裂后，关闭超声波驱动电源(9)；

c.用钻杆顶住钢管(17)，拉住铁丝(12)，使V形弹簧片(5)向内收缩，脱离孔壁，取出超声致裂装置(4)，重复步骤b，对下一个浅孔(1)或深孔(3)进行致裂，直至完成所有钻孔的预裂。

2.根据权利要求1所述的一种超声波激励放顶或放煤方法，其特征在于:在顶煤施工的浅孔(1)与在顶板(2)施工的深孔(3)分别与顶煤(10)和顶板(2)所呈的角度为15°～45°，施工过程中可根据具体情况进行适当调整。

3.根据权利要求1或2所述的一种超声波激励放顶或放煤方法，其特征在于:所述浅孔(1)或深孔(3)的深度为采高的3～5倍；所述浅孔(1)或深孔(3)的间距为5～10m；所述浅孔(1)或深孔(3)的排距根据顶板的垮落步距确定，为垮落步距的1/5～1/3。

4.根据权利要求2所述的一种超声波激励放顶或放煤方法，其特征在于:所述浅孔(1)或深孔(3)在空间位置上相互错开布置或平行布置，保证有足够的预裂范围即可。