CN110318755A - 一种微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法和装置，属于煤矿开采领域。本发明在残采区遗留煤柱斜下方的应力降低区，距工作面端头L为15米～25米处的的运输顺槽和回风顺槽的顶板岩层中分别向残采区遗留煤柱各钻两个钻孔，对残采区遗留煤柱进行致裂。本发明充分利用微波加热的高效率、能量密度大、不需介质传热、穿透性强等特性，当下伏煤层工作面开采到残采区遗留煤柱下方附近时，从下伏煤层对残采区遗留煤柱实现上行致裂；微波加热致裂上覆遗留煤柱的方法效率高、易控制、效果好、灵活性强，降低了煤柱的完整性，达到强度弱化、应力释放、减缓矿压显现的目的，大幅提高顶板管理的安全性。

Description

一种微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法和装置，属于煤矿开采领域。

背景技术

新中国成立初期我国的采煤工艺相对落后，为保证围岩的稳定性、保障工作面的安全生产，会留设部分煤柱支撑上覆岩层；在现代高度机械化的开采过程中，受构造及其它开采条件的限制，部分煤柱的留设不可避免；采用柱式体系采煤法时，部分煤柱会留下不采。这就导致在煤层开采完毕后，残采区会有大量的遗留煤柱。

当我国煤矿使用下行开采方法时，下伏煤层会受到残采区遗留煤柱集中应力的影响，从而造成工作面矿压显现强烈，工作面片帮严重，采空区顶板垮落剧烈并伴有巨响，工作面支架压力增加明显，支架压死、巷道单体支柱破坏也时有发生，甚至人员伤亡，严重危害矿井安全生产，可见下伏煤层工作面开采过程中受残采区遗留煤柱的影响十分严重。

当前对于受残采区遗留煤柱影响的下伏煤层工作面强矿压的控制方法有：（1）调整下伏煤层工作面的开采方向、布置方位，从而避开残采区遗留煤柱的集中应力影响区，但并未从根本上解决问题；（2）加强下伏煤层工作面的支护，但当工作面矿压显现强烈时，通过单纯加强支护的技术措施就很难保证安全生产，且支护成本高；（3）在受残采区遗留煤柱影响的下伏煤层工作面，也留设更大的煤柱，但造成了煤炭资源的极大浪费；（4）在残采区遗留煤柱中或其顶底板进行爆破，但施工工程量大，可控性差,尤其对于高瓦斯矿井容易引发瓦斯爆炸,存在安全隐患；（5）采用水压致裂残采区遗留煤柱，但消耗了大量的水资源,且致裂过程中高压压裂液中的化学试剂容易污染井下环境。因此,需要寻找一种效率高、易控制、效果好的致裂残采区遗留煤柱的系统及方法来保障下伏煤层工作面的安全生产。

微波加热的特点为高效率、能量密度大、不需介质传热、穿透性强等。目前它已被广泛应用于油气钻井、开采、原油输送、化学工业、医疗等领域。然而,微波加热致裂技术在煤炭开采技术领域的应用却很少。

发明内容

本发明旨在提供一种微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法和装置，不仅效率高、易控制、效果好、灵活性强、无尘、无噪，不仅可以避免前述方法的劣势和不足，而且充分利用微波加热破岩的高效率、能量密度大、适应性广、穿透性强等特点，对残采区遗留煤柱进行致裂，从而实现煤矿绿色开采，安全生产。

本发明中，当微波（频率为300MHz～300GHz的电磁波）作用于岩体上，电磁场以波的形式给岩体以能量，能量又通过岩石的吸热而转换，使物体内部产生类似摩擦,温度升高，在岩体中产生内应力以及岩体中水分的蒸发、物质的分解和膨胀等共同作用下而导致岩体破裂。

本发明提供了一种微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，包括以下步骤：

第一步：微波功率控制器通过导线分别与大功率微波发生器，温度监测器，数据采集仪连接；大功率微波发生器通过圆形波导—波导转换器—同轴波导与微波发射器连接；温度监测器通过耐高温导线与温度传感器连接；通过信号传输线将数据采集仪—信号放大器—检波探头相连接；通过水管将储水罐—高压泵—冷却器—大功率微波发生器连接形成完整回路，微波发生器冷却控制阀控制开关；并与井下供电系统相连接；

第二步：确定下伏煤层工作面与残采区遗留煤柱的位置关系，在残采区遗留煤柱斜下方的应力降低区，运输顺槽和回风顺槽的顶板岩层中分别向残采区遗留煤柱各钻两个钻孔，分别到残采区遗留煤柱的中央位置停止打钻，第一个钻孔称为微波加热致裂钻孔，第二个钻孔称为检波钻孔；

第三步：将同轴波导、微波发射器布置在第二步钻取的微波加热致裂钻孔深处，耐高温导线、温度传感器布置在微波发射器下方，同时将信号传输线、检波探头布置在第二步钻取的检波钻孔的顶部；

第四步：启动大功率微波发生器，微波能量通过圆形波导、波导转换器、同轴波导输送至微波发射器，最终通过微波发射器辐射出的微波作用在残采区遗留煤柱，微波频率为815MHz~1015MHz；同时通过温度监测器查看温度传感器对微波加热致裂钻孔附近煤柱温度的监测，检波探头接收到微波发射器发出的信号，通过信号放大器、信号传输线传到数据采集仪，并分析接收到的反射波形延迟时间频谱情况，对残采区遗留煤柱的致裂效果进行分析，操作微波功率控制器从而调整微波频率及加热功率，微波加热温度，直至微波加热致裂钻孔周围的遗留煤柱；

第五步：关闭大功率微波发生器，回收同轴波导、微波发射器，耐高温导线、温度传感器，信号传输线、检波探头，然后打开微波发生器冷却控制阀，储水罐的水经过高压泵、冷却器、大功率微波发生器回到储水罐，对大功率微波发生器进行冷却降温后，关闭微波发生器冷却控制阀，最后封堵微波加热致裂钻孔；

第六步：将检波钻孔作为下一个微波加热致裂钻孔，并调整钻孔角度，按照第二步的要求钻取一个新的检波钻孔；

第七步：重复第三步至第六步，直至残采区遗留煤柱全部致裂完成；

第八步：当下伏煤层采煤工作面继续推进遇到残采区遗留煤柱时，重复第二步至第七步，直至下伏煤层开采结束。

优选地，上述第二步中，钻孔位于距工作面端头L为15米～25米处的运输顺槽和回风顺槽的顶板岩层中。

优选地，上述第二步中，钻孔直径d_o为120mm～280mm；钻孔的间距d为6～10米。

优选地，上述第二步中，微波加热致裂钻孔和检波钻孔与残采区遗留煤柱的夹角a范围在25º～75º，确保最终致裂裂缝与工作面呈斜交状态。

优选地，上述第三步中，温度传感器在微波发射器下方距离0.5～2m。

优选地，上述第三步中，调节微波发射器在钻孔中的位置，对残采区遗留煤柱的不同位置实现致裂。

优选地，上述第四步中，微波频率为915MHz（±100MHz），微波加热功率为45kW～200kW。

优选地，上述第四步中，微波加热温度范围在200℃～800℃。

优选地，上述第五步中，储水罐内的水使用过滤后的矿井水。

本发明提供了一种实施上述方法的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的装置，包括：大功率微波发生器，微波功率控制器，圆形波导，波导转换器，同轴波导，微波发射器，温度监测器，耐高温导线，温度传感器，数据采集仪，信号放大器，信号传输线，检波探头，储水罐，高压泵，冷却器，水管，导线，微波发生器冷却控制阀；

大功率微波发生器通过圆形波导、波导转换器、同轴波导与微波发射器连接；大功率微波发生器将微波能量通过圆形波导、波导转换器、同轴波导输送到微波发射器，通过微波发射器对煤/岩体进行致裂；

温度监测器通过耐高温导线与温度传感器连接；温度传感器对附近煤/岩体的温度进行监测，并通过耐高温导线将温度数据传输到温度监测器；

数据采集仪、信号放大器、检波探头通过信号传输线相连接；检波探头接收穿过煤/岩体的微波信号，并通过信号传输线将波形数据传输到信号放大器，信号放大器将波形数据进行放大处理后，最终传输到数据采集仪，数据采集仪将得到的波形数据进行分析，判断煤/岩体的致裂效果；

微波功率控制器通过导线分别与大功率微波发生器、温度监测器、数据采集仪连接；微波功率控制器通过导线接收温度监测器和数据采集仪所得到的温度数据及波形数据，进而对大功率微波发生器进行调整；

储水罐、高压泵、冷却器、大功率微波发生器通过水管连接形成完整回路，微波发生器冷却控制阀控制开关；高压泵将储水罐的水通过水管再经冷却器冷却后，输送到大功率微波发生器，对大功率微波发生器进行降温，避免大功率微波发生器过热而无法使用。上述装置中，所述的微波发射器的外壳采用玻璃、陶瓷、聚乙烯或聚丙烯制成。

本发明的有益效果：

本发明充分利用微波加热的高效率、能量密度大、不需介质传热、穿透性强等特性，当下伏煤层工作面开采到残采区遗留煤柱下方附近时，从下伏煤层对残采区遗留煤柱实现上行致裂，操作方便、方法简单、无尘、无噪。而且微波加热致裂上覆遗留煤柱的方法效率高、易控制、效果好、灵活性强，降低了煤柱的完整性，达到强度弱化、应力释放、减缓矿压显现的目的，大幅提高顶板管理的安全性，与现有遗留煤柱的致裂方法相比是一种“粗放式”向“精细式”的转变，实现了煤矿绿色开采，安全生产。

附图说明

图1为微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的工作状态切面示意图；

图2为微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的装置示意图；

图3为微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的钻孔布置立体示意图；

图4为微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的钻孔布置平面示意图。

图中：1—大功率微波发生器；2—微波功率控制器；3—圆形波导； 4—波导转换器；5—同轴波导；6—微波发射器；7—温度监测器；8—耐高温导线；9—温度传感器；10—数据采集仪；11—信号放大器；12—信号传输线；13—检波探头；14—储水罐；15—高压泵；16—冷却器；17—水管；18—导线；19—微波加热致裂钻孔；20—检波钻孔；21—残采区遗留煤柱；22—下伏煤层工作面；23—运输顺槽；24—回风顺槽；25—采空区矸石； d—钻孔间距；do—钻孔直径；L—钻孔与工作面端头的距离；T1—微波发生器冷却控制阀。

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：

如图2所示，一种微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的装置，包括：大功率微波发生器，微波功率控制器，圆形波导，波导转换器，同轴波导，微波发射器，温度监测器，耐高温导线，温度传感器，数据采集仪，信号放大器，信号传输线，检波探头，储水罐，高压泵，冷却器，微波发生器冷却控制阀；

大功率微波发生器1通过圆形波导3、波导转换器4、同轴波导5与微波发射器6连接；大功率微波发生器1将微波能量通过圆形波导3，波导转换器4，同轴波导5输送到微波发射器6，微波发射器6负责对煤/岩体进行致裂。

温度监测器7通过耐高温导线8与温度传感器9连接；温度传感器9负责对附近煤/岩体的温度进行监测，并通过耐高温导线8将温度数据传输到温度监测器7。

通过信号传输线12将数据采集仪10、信号放大器11、检波探头13相连接；检波探头13负责接收穿过煤/岩体的微波信号，并通过信号传输线12将波形数据传输到信号放大器11，信号放大器11将波形数据进行放大处理后，最终传输到数据采集仪10，数据采集仪10将得到的波形数据进行分析，判断煤/岩体的致裂效果。

微波功率控制器2通过导线18分别与大功率微波发生器1、温度监测器7、数据采集仪10连接；微波功率控制器2通过导线18接收温度监测器7和数据采集仪10所得到的温度数据及波形数据，进而对大功率微波发生器1进行调整。

通过水管17将储水罐14、高压泵15、冷却器16、大功率微波发生器1连接形成完整回路，微波发生器冷却控制阀T₁控制开关；高压泵将储水罐的水通过水管再经冷却器冷却后，输送到大功率微波发生器，对大功率微波发生器进行降温，避免大功率微波发生器过热，而无法使用。

上述装置中，所述的微波发射器的外壳采用玻璃、陶瓷、聚乙烯或聚丙烯制成。

如图1~4所示，山煤集团某矿主采9、11号煤层，该矿采用下行开采方法，9号煤层已开采完毕，煤层开采过后遗留了大量煤柱；现开采11号煤层，11号煤层平均厚度为3.8米，煤层倾角0°～3.5°，煤体容重为1.45t/m，开采条件良好，11号煤层某工作面距上覆9号煤层遗留煤柱45米，煤柱宽度25米，与下伏煤层工作面呈垂直状态。当工作面开采受到上覆残采区遗留煤柱集中应力的影响时，会造成工作面矿压显现强烈，工作面片帮严重，采空区顶板垮落剧烈并伴有巨响，严重危害矿井安全生产。为了防止以上情况出现，现开采11号煤层时，从下伏煤层（11号煤层）采用微波加热的方法对残采区（9号煤层）遗留煤柱进行致裂,具体系统及步骤如下：

一种微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，具体包括以下步骤：

第一步：微波功率控制器2通过导线18分别与大功率微波发生器1，温度监测器7，数据采集仪连接10；大功率微波发生器1通过圆形波导3—波导转换器4—同轴波导5与微波发射器6连接；温度监测器7通过耐高温导线8与温度传感器9连接；通过信号传输线12将数据采集仪10—信号放大器11—检波探头13相连接；通过水管17将储水罐14—高压泵15—冷却器16—大功率微波发生器1连接形成完整回路，微波发生器冷却控制阀控制开关；并与井下供电系统相连接；

第二步：确定下伏煤层工作面22与残采区遗留煤柱21的位置关系，在残采区遗留煤柱21斜下方的应力降低区，距工作面端头L为15米处的运输顺槽23和回风顺槽24的顶板岩层中分别向残采区遗留煤柱21打孔间距d为7米，钻孔直径do为220mm的两个钻孔，第一个钻孔称为微波加热致裂钻孔19，第二个钻孔称为检波钻孔20，微波加热致裂钻孔19和检波钻孔20分别到残采区遗留煤柱21的中央位置停止打钻，微波加热致裂钻孔19和检波钻孔20与残采区遗留煤柱21的夹角a分别为70º 和60º ，确保最终致裂裂缝与下伏煤层工作面22呈斜交状态；

第三步：将同轴波导5、微波发射器6，布置在第二步钻取的微波加热致裂钻孔19深处，耐高温导线8、温度传感器9布置在微波发射器6下方1m，同时将信号传输线12、检波探头13布置在第二步钻取的检波钻孔18的顶部；

第四步：启动大功率微波发生器1，微波能量通过圆形波导3—波导转换器4—同轴波导5输送至微波发射器6，最终通过微波发射器6辐射出的微波（频率为915MHz）作用在残采区遗留煤柱21；同时通过温度监测器7查看温度传感器9对微波加热致裂钻孔19附近煤柱温度的监测，检波探头13接收到微波发射器6发出的信号，通过信号放大器11—信号传输线12传到数据采集仪10，并分析接收到的反射波形延迟时间频谱情况，对残采区遗留煤柱21的致裂效果进行分析，操作微波功率控制器2从而调整微波频率至915MHz（±100MHz）及加热功率（80kW～150kW），微波加热温度（400℃～700℃），直至微波加热致裂钻孔19周围的遗留煤柱实现致裂；

第五步：关闭大功率微波发生器1，回收同轴波导5、微波发射器6，耐高温导线8、温度传感器9，信号传输线12、检波探头13，然后打开微波发生器冷却控制阀T₁，储水罐14的水经过高压泵15—冷却器16—大功率微波发生器1回到储水罐14，对大功率微波发生器1进行冷却降温后，关闭微波发生器冷却控制阀T1，最后封堵微波加热致裂钻孔19；

第六步：将检波钻孔20作为下一个微波加热致裂钻孔19，并钻取新的检波钻孔20，新的检波钻孔20与残采区遗留煤柱21的夹角a为25º～55º，与微波加热致裂钻孔19的间距d为7米，钻孔直径do为220mm，新的检波钻孔20到残采区遗留煤柱21的中央位置停止打钻；

第七步：重复第三步至第六步，直至残采区遗留煤柱21全部致裂完成；

第八步：当下伏煤层采煤工作面22继续推进遇到残采区遗留煤柱21时，重复第二步至第七步，直至下伏煤层开采结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的技术实质和原理之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：微波功率控制器通过导线分别与大功率微波发生器，温度监测器，数据采集仪连接；大功率微波发生器通过圆形波导—波导转换器—同轴波导与微波发射器连接；温度监测器通过耐高温导线与温度传感器连接；通过信号传输线将数据采集仪—信号放大器—检波探头相连接；通过水管将储水罐—高压泵—冷却器—大功率微波发生器连接形成完整回路，微波发生器冷却控制阀控制开关；并与井下供电系统相连接；

第二步：确定下伏煤层工作面与残采区遗留煤柱的位置关系，在残采区遗留煤柱斜下方的应力降低区，距工作面端头L为15米～25米处的的运输顺槽和回风顺槽的顶板岩层中分别向残采区遗留煤柱各钻两个钻孔，到残采区遗留煤柱的中央位置停止打钻，第一个钻孔称为微波加热致裂钻孔，第二个钻孔称为检波钻孔；

第三步：将同轴波导、微波发射器布置在第二步钻取的微波加热致裂钻孔深处，耐高温导线、温度传感器布置在微波发射器下方，同时将信号传输线、检波探头布置在第二步钻取的检波钻孔的顶部；

第四步：启动大功率微波发生器，微波能量通过圆形波导、波导转换器、同轴波导输送至微波发射器，最终通过微波发射器辐射出的微波作用在残采区遗留煤柱，微波频率为815MHz~1015MHz；同时通过温度监测器查看温度传感器对微波加热致裂钻孔附近煤柱温度的监测，检波探头接收到微波发射器发出的信号，通过信号放大器、信号传输线传到数据采集仪，并分析接收到的反射波形延迟时间频谱情况，对残采区遗留煤柱的致裂效果进行分析，操作微波功率控制器从而调整微波频率及加热功率，微波加热温度，直至微波加热致裂钻孔周围的遗留煤柱；

第五步：关闭大功率微波发生器，回收同轴波导、微波发射器，耐高温导线、温度传感器，信号传输线、检波探头，然后打开微波发生器冷却控制阀，储水罐的水经过高压泵、冷却器、大功率微波发生器回到储水罐，对大功率微波发生器进行冷却降温后，关闭微波发生器冷却控制阀，最后封堵微波加热致裂钻孔；

第六步：将检波钻孔作为下一个微波加热致裂钻孔，并调整钻孔角度，按照第二步的要求钻取新的检波钻孔；

第七步：重复第三步至第六步，直至残采区遗留煤柱全部致裂完成；

第八步：当下伏煤层采煤工作面继续推进遇到残采区遗留煤柱时，重复第二步至第七步，直至下伏煤层开采结束。

2.根据权利要求1所述的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：第二步中，钻孔直径d_o为120mm～280mm；钻孔的间距d为6～10米。

3.根据权利要求1所述的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：第二步中，微波加热致裂钻孔和检波钻孔与残采区遗留煤柱的夹角a范围在25º～75º，确保最终致裂裂缝与工作面呈斜交状态。

4.根据权利要求1所述的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：第三步中，温度传感器在微波发射器下方距离0.5～2m。

5.根据权利要求1所述的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：第三步中，调节微波发射器在钻孔中的位置，对残采区遗留煤柱的不同位置实现致裂。

6.根据权利要求1所述的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：第四步中，微波加热功率为45kW～200kW。

7.根据权利要求1所述的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：第四步中，微波加热温度范围在200℃～800℃。

8.根据权利要求1所述的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：第五步中，储水罐内的水使用过滤后的矿井水。

9.一种实施权利要求1~8任一项所述方法的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的装置，其特征在于：包括大功率微波发生器，微波功率控制器，圆形波导，波导转换器，同轴波导，微波发射器，温度监测器，耐高温导线，温度传感器，数据采集仪，信号放大器，信号传输线，检波探头，储水罐，高压泵，冷却器，水管，导线，微波发生器冷却控制阀；

大功率微波发生器通过圆形波导、波导转换器、同轴波导与微波发射器连接；大功率微波发生器将微波能量通过圆形波导、波导转换器、同轴波导输送到微波发射器，通过微波发射器对煤/岩体进行致裂；

温度监测器通过耐高温导线与温度传感器连接；温度传感器对附近煤/岩体的温度进行监测，并通过耐高温导线将温度数据传输到温度监测器；

数据采集仪、信号放大器、检波探头通过信号传输线相连接；检波探头接收穿过煤/岩体的微波信号，并通过信号传输线将波形数据传输到信号放大器，信号放大器将波形数据进行放大处理后，最终传输到数据采集仪，数据采集仪将得到的波形数据进行分析，判断煤/岩体的致裂效果；

微波功率控制器通过导线分别与大功率微波发生器、温度监测器、数据采集仪连接；微波功率控制器通过导线接收温度监测器和数据采集仪所得到的温度数据及波形数据，进而对大功率微波发生器进行调整；

储水罐、高压泵、冷却器、大功率微波发生器通过水管连接形成完整回路，微波发生器冷却控制阀控制开关；高压泵将储水罐的水通过水管再经冷却器冷却后，输送到大功率微波发生器，对大功率微波发生器进行降温，避免大功率微波发生器过热而无法使用。

10.根据权利要求9所述的微波加热上行致裂残采区遗留煤柱的装置，其特征在于：所述的微波发射器的外壳采用玻璃、陶瓷、聚乙烯或聚丙烯制成。