CN110344827B - 等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置 - Google Patents
等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置，属于煤矿开采领域。采用等离子体装置，在上覆煤层开采时，对下伏煤层厚硬顶板进行预裂，达到超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的。本发明充分利用离子间的强烈运动瞬间产生高温、高压的特性，形成冲击波使岩体产生裂隙并扩展，操作方便，方法简单；使采空区的悬顶面积减小，缩短初次来压和周期来压步距，降低来压强度,达到减小或消除厚硬顶板对矿井安全生产的危害，大幅提高顶板管理的安全性，与现有弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的系统及方法相比是一种“粗放式”向“精细式”的转变，实现了煤矿绿色开采，安全生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置，属于煤矿开采领域。
背景技术
我国煤矿大都使用下行开采方法，即先采上覆煤层后采下伏煤层，且许多矿区的下伏煤层存在厚度大、强度高、节理裂隙不发育、完整性好的厚硬顶板。当工作面不断向前推进时,采场厚硬顶板的悬顶面积会逐渐增大而不垮落，而且采场厚硬顶板的初次/周期来压步距也会增大,并积聚大量的能量,当采场厚硬顶板突然垮落时，积聚的能量就会瞬间释放出来，从而引发剧烈的冲击动力灾害，造成设备损坏，人员伤亡，严重危害矿井安全生产。
通过弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压，可以使采空区的悬顶面积减小，缩短初次来压和周期来压步距，从而降低来压强度,达到减小或消除厚硬顶板对矿井安全生产的危害。目前，国内外对下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的弱化方法主要分为:爆破法、水力压裂法、注水弱化法等。爆破法的施工工程量大，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；水力压裂法不仅消耗了大量的水资源,而且预裂过程中高压压裂液中的化学试剂容易污染井下环境；注水弱化法虽然施工简单，但弱化区域范围有限，其弱化煤层开采厚硬顶板强矿压效果不佳。施工地点主要在：厚硬顶板煤层、地面。若在厚硬顶板煤层的工作面两侧巷道中预裂顶板，则向顶板打钻孔施工速度较慢，且空间较小，影响采煤进度；若在地面提前预裂煤层厚硬顶板，煤层埋藏较深时，则不易施工。因此,需要寻找一种效率高、易控制、效果好的弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的系统及方法来保障安全生产。
等离子态是一种区别于固态、液态和气态的聚集态，当某些液体受外界能量激发生成液相等离子体，利用离子间强烈运动瞬间产生高温、高压的特性，形成冲击波使岩体产生裂隙并扩展。目前它已被广泛应用于油气钻井、开采，金属的切割，定向破碎岩块。然而，等离子体弱化强矿压的技术在煤炭开采技术领域(尤其在等离子体超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压方面)的应用却很少。并且在上覆煤层开采时，超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压，向下打钻孔较为容易，与上、下煤层采煤工作互不干扰。
发明内容
本发明旨在提供一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置，不仅效率高、易控制、效果好、灵活性强、无尘、无噪，可以避免前述方法的劣势和不足，而且充分利用离子间的强烈运动瞬间产生高温、高压的特性，在上覆煤层开采时，形成冲击波使下伏煤层厚硬顶板产生裂隙并扩展，降低顶板的完整性，达到超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的，从而实现煤矿绿色开采，安全生产。
本发明提供了一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，包括以下步骤：
第一步：开采上覆煤层时，在上覆煤层采煤工作面用高压电缆将等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、电极稳固装置、液相放电等离子体电极连接；同时用信号传输线将等离子体脉冲控制器、数据采集仪、信号放大器、检波探头连接；再用两用水管将储水罐、高压泵、冷却器、等离子体发生器连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀控制开关；最后用两用水管将高压泵、压力表、高压水喷头连接，通过高压水喷头控制阀控制开关；并与井下供电系统相连接；
第二步：在上覆煤层采煤工作面底板向下伏煤层厚硬顶板打一排孔，孔间距d为6～18米，钻孔沿上覆煤层采煤工作面推进方向垂直布置，第一个钻孔称为等离子体致裂钻孔，第二个钻孔称为检波钻孔；
第三步：将两用水管、高压水喷头，液相放电等离子体电极、电极稳固装置、高压电缆穿过钻孔封隔器，并布置在第二步钻取的等离子体致裂钻孔的底部，使钻孔封隔器膨胀封孔，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底部；
第四步：打开高压水喷头控制阀，储水罐内的水经高压泵、两用水管、高压水喷头射入等离子体致裂钻孔中，通过压力表观察，当水充满等离子体致裂钻孔内部时，关闭高压水喷头控制阀；
第五步：交流电经过等离子体发生器、高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极放电后，电能迅速转换为冲击能，充水的等离子体致裂钻孔中的压力迅速增加，使下伏煤层厚硬顶板的原始裂隙开始扩展并产生新的裂隙；同时检波探头接收到液相放电等离子体电极发出的信号，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，对下伏煤层厚硬顶板的裂隙发育情况进行分析，操作等离子体脉冲控制器从而调整放电频率，直至等离子体致裂钻孔周围的厚硬顶板实现致裂；
第六步：关闭等离子体发生器，回收高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极和两用水管、高压喷水头以及检波探头，然后打开等离子体发生器冷却控制阀，储水罐的水通过两用水管经高压泵、冷却器、等离子体发生器回到储水罐，对等离子体发生器进行冷却降温后，关闭等离子体发生器冷却控制阀，最后封堵等离子体致裂钻孔；
第七步：将检波钻孔作为下一个等离子体致裂钻孔，相邻的未致裂钻孔作为新的检波钻孔，重复第三步至第六步，直至第二步钻取的钻孔周围的厚硬顶板全部致裂完成，实现弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的；
第八步：当上覆煤层采煤工作面继续推进时，重复第二步至第七步，直至上覆煤层开采结束。
优选地，上述第二步中，钻孔直径do为120mm～280mm。
优选地，上述第二步中，向下伏煤层厚硬顶板打钻孔深度h在40m～150m。
优选地，上述第二步中，钻孔与上覆煤层采煤工作面底板的夹角a范围在75º～90º。
优选地，上述第三步中，钻孔封隔器工作压力为20MPa～40MPa。
优选地，上述第三步中，钻孔封隔器距钻孔底部为1m～3m。
优选地，上述第三步中，钻孔封隔器选用自封式、压缩式或组合式钻孔封隔器。
优选地，上述第四步中，储水罐内的水可使用过滤后的矿井水。
优选地，上述第四步中，充水的等离子体致裂钻孔中可加入电解质溶液，所述电解质溶液包括NaOH溶液。
优选地，上述第五步中，液相放电等离子体电极放电电压为100kV～220kV，放电频率为100Hz～600Hz。
优选地，上述第八步中，工作面推进距离为10m～20m。
本发明提供了一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的装置，包括等离子体发生器，等离子体脉冲控制器，高压电缆，电极稳固装置，液相放电等离子体电极，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，压力表，两用水管，高压水喷头，等离子体发生器冷却控制阀，高压水喷头控制阀；
等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、电极稳固装置、液相放电等离子体电极通过高压电缆连接；等离子体发生器将电能通过高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极进行释放，其中高压电缆负责将电能进行传输，电极稳固装置保证液相放电等离子体电极的正常工作；
等离子体脉冲控制器、数据采集仪、信号放大器、检波探头依次通过信号传输线连接；检波探头负责接收穿过煤/岩体的波形信号，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；
储水罐、高压泵、冷却器、等离子体发生器、通过两用水管连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀T1控制开关；高压泵将储水罐的水通过两用水管再经冷却器冷却后，输送到等离子体发生器，对等离子体发生器进行降温，避免等离子体发生器过热，而无法使用；高压泵、压力表、高压水喷头通过两用水管连接，通过高压水喷头控制阀T2控制开关；高压泵将储水罐的水通过两用水管输送到高压水喷头，最后通过高压水喷头喷出。
本发明的有益效果：
本发明充分利用离子间的强烈运动瞬间产生高温、高压的特性，形成冲击波使岩体产生裂隙并扩展，在上覆煤层开采时，对下伏煤层厚硬顶板进行预裂，达到超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的，操作方便，方法简单。并且在上覆煤层开采时，等离子体超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的系统及方法效率高、易控制、效果好、灵活性强、与上、下煤层的采煤工作互不干扰、容易施工，从而使采空区的悬顶面积减小，缩短初次来压和周期来压步距，降低来压强度,达到减小或消除厚硬顶板对矿井安全生产的危害，大幅提高顶板管理的安全性，与现有弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的系统及方法相比是一种“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为等离子体超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的系统及方法实施例示意图；
图2为等离子体超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的系统示意图；
图3为等离子体超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的钻孔布置立体示意图；
图4为等离子体超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的钻孔布置平面示意图。
图中：1—等离子体发生器；2—等离子体脉冲控制器；3—高压电缆； 4—电极稳固装置；5—液相放电等离子体电极；6—数据采集仪；7—信号放大器；8—信号传输线；9—检波探头；10—储水罐；11—高压泵；12—冷却器；13—压力表；14—两用水管；15—高压水喷头；16—钻孔封隔器；17—下伏煤层厚硬顶板；18—等离子体致裂钻孔；19—检波钻孔；20—上覆煤层采煤工作面； 21—运输顺槽；22—回风顺槽；d—钻孔间距；h—钻孔深度；do—钻孔直径；a—钻孔与上覆煤层采煤工作面底板的夹角；T1—等离子体发生器冷却控制阀；T2—高压水喷头控制阀。
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，一种等离子体超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的系统，具体包括：
等离子体发生器1，等离子体脉冲控制器2，高压电缆3，电极稳固装置4，液相放电等离子体电极5，数据采集仪6，信号放大器7，信号传输线8，检波探头9，储水罐10，高压泵11，冷却器12，压力表13，两用水管14，高压水喷头15，等离子体发生器冷却控制阀T1，高压水喷头控制阀T2。
等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、电极稳固装置、液相放电等离子体电极通过高压电缆连接；等离子体发生器将电能通过高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极进行释放，其中高压电缆负责将电能进行传输，电极稳固装置保证液相放电等离子体电极的正常工作；
等离子体脉冲控制器、数据采集仪、信号放大器、检波探头依次通过信号传输线连接；检波探头负责接收穿过煤/岩体的波形信号，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；
储水罐、高压泵、冷却器、等离子体发生器、通过两用水管连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀T1控制开关；高压泵将储水罐的水通过两用水管再经冷却器冷却后，输送到等离子体发生器，对等离子体发生器进行降温，避免等离子体发生器过热，而无法使用；高压泵、压力表、高压水喷头通过两用水管连接，通过高压水喷头控制阀T2控制开关；高压泵将储水罐的水通过两用水管输送到高压水喷头，最后通过高压水喷头喷出。
晋煤集团某矿6、8号石炭二叠系煤层赋存稳定，该矿采用下行开采方法，先开采6号煤层，后开采8号煤层；6号煤层平均厚度为3.3米，煤层倾角1°～5°，煤体容重为1.45t/m，开采条件良好，距地表360米～370米。8号煤层平均厚度为5.9m，有1层0.13米～0.21米的夹石，煤层倾角1°～4.5°，煤体容重为1.45t/m，距地表420米～430米，距6号煤层底板平均为60米，8号煤层顶板岩层质地较硬、致密、较完整，主要为深灰细粒砂岩，普氏硬度f = 8～9，厚度平均为10米。致密坚硬，整体性良好；开采8号煤层时，随着工作面不断向前推进，采场厚硬顶板的悬顶面积会逐渐增大而不垮落，而且采场厚硬顶板的初次/周期来压步距也会增大，并积聚大量的能量，当采场厚硬顶板突然跨落时，积聚的能量就会瞬间释放出来，从而引发剧烈的冲击动力灾害，严重危害矿井安全生产。为了防止以上情况出现，现开采6号煤层时，在上覆煤层（6号煤层）工作面底板采用等离子体的方法超前弱化下伏煤层（8号煤层）开采厚硬顶板强矿压，具体包括以下步骤：
第一步：开采上覆煤层时，在上覆煤层采煤工作面20用高压电缆3将等离子体脉冲控制器2—等离子体发生器1—电极稳固装置4—液相放电等离子体电极5连接；同时用信号传输线8将等离子体脉冲控制器2—数据采集仪6—信号放大器7—检波探头9连接；再用两用水管14将储水罐10—高压泵11—冷却器12—等离子体发生器1连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀T1控制开关；最后用两用水管14将高压泵11—压力表13—高压水喷头15连接，通过高压水喷头控制阀T2控制开关；并与井下供电系统相连接；
第二步：在上覆煤层采煤工作面20底板向下伏煤层厚硬顶板17打一排孔间距d为10米，钻孔直径do为220mm，钻孔深度h为53米的钻孔，钻孔与上覆煤层采煤工作面20底板的夹角a为90º，钻孔沿上覆煤层采煤工作面20推进方向垂直布置，第一个钻孔称为等离子体致裂钻孔18，第二个钻孔称为检波钻孔19；
第三步：将两用水管14、高压水喷头15，液相放电等离子体电极5、电极稳固装置4、高压电缆3穿过钻孔封隔器16，并布置在第二步钻取的等离子体致裂钻孔18的底部，使钻孔封隔器16膨胀封孔（工作压力25 ～30Mpa），钻孔封隔器16距钻孔底2米，同时将信号传输线8、检波探头9布置在第二步钻取的检波钻孔19的底部；
第四步：打开高压水喷头控制阀T2，储水罐10内的水经高压泵11—两用水管14—高压水喷头15射入等离子体致裂钻孔18中，通过压力表13观察，当水充满等离子体致裂钻孔18内部时，关闭高压水喷头控制阀T2；
第五步：110KV/320Hz经过等离子体发生器1—高压电缆3—电极稳固装置4—液相放电等离子体电极5放电后，电能迅速转换为冲击能，充水等离子体致裂钻孔18中的压力迅速增加，使下伏煤层厚硬顶板17的原始裂隙开始扩展并产生新的裂隙；同时检波探头9接收到液相放电等离子体电极5发出的信号，通过信号放大器7—信号传输线8传到数据采集仪6，并分析接收到的反射波形延迟时间频谱情况，对下伏煤层厚硬顶板17的裂隙发育情况进行分析，操作等离子体脉冲控制器2从而调整放电频率，直至等离子体致裂钻孔18周围的厚硬顶板实现致裂；
第六步：关闭等离子体发生器1，回收高压电缆3—电极稳固装置4—液相放电等离子体电极5和两用水管14—高压喷水头15以及检波探头9，然后打开等离子体发生器冷却控制阀T1，储水罐10的水通过两用水管14经高压泵11—冷却器12—等离子体发生器1回到储水罐10，对等离子体发生器1进行冷却降温后，关闭等离子体发生器冷却控制阀T1，最后封堵等离子体致裂钻孔18；
第七步：将检波钻孔19作为下一个等离子体致裂钻孔18，相邻的未致裂钻孔作为新的检波钻孔19，重复第三步至第七步，直至第二步钻取的钻孔周围的厚硬顶板全部致裂完成，实现超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的；
第八步：当上覆煤层采煤工作面20继续推进12米时，重复第二步至第七步，直至上覆煤层开采结束。
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)
1.一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：开采上覆煤层时，在上覆煤层采煤工作面用高压电缆将等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、电极稳固装置、液相放电等离子体电极连接；同时用信号传输线将等离子体脉冲控制器、数据采集仪、信号放大器、检波探头连接；再用两用水管将储水罐、高压泵、冷却器、等离子体发生器连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀控制开关；最后用两用水管将高压泵、压力表、高压水喷头连接，通过高压水喷头控制阀控制开关；并与井下供电系统相连接；
第二步：在上覆煤层采煤工作面底板向下伏煤层厚硬顶板打一排孔，孔间距d为6～18米，钻孔沿上覆煤层采煤工作面推进方向垂直布置，第一个钻孔称为等离子体致裂钻孔，第二个钻孔称为检波钻孔；
第三步：将两用水管、高压水喷头，液相放电等离子体电极、电极稳固装置、高压电缆穿过钻孔封隔器，并布置在第二步钻取的等离子体致裂钻孔的底部，使钻孔封隔器膨胀封孔，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底部；
第四步：打开高压水喷头控制阀，储水罐内的水经高压泵、两用水管、高压水喷头射入等离子体致裂钻孔中，通过压力表观察，当水充满等离子体致裂钻孔内部时，关闭高压水喷头控制阀；
第五步：交流电经过等离子体发生器、高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极放电后，电能迅速转换为冲击能，充水的等离子体致裂钻孔中的压力迅速增加，使下伏煤层厚硬顶板的原始裂隙开始扩展并产生新的裂隙；同时检波探头接收到液相放电等离子体电极发出的信号，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，对下伏煤层厚硬顶板的裂隙发育情况进行分析，操作等离子体脉冲控制器从而调整放电频率，直至等离子体致裂钻孔周围的厚硬顶板实现致裂；
第六步：关闭等离子体发生器，回收高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极和两用水管、高压喷水头以及检波探头，然后打开等离子体发生器冷却控制阀，储水罐的水通过两用水管经高压泵、冷却器、等离子体发生器回到储水罐，对等离子体发生器进行冷却降温后，关闭等离子体发生器冷却控制阀，最后封堵等离子体致裂钻孔；
第七步：将检波钻孔作为下一个等离子体致裂钻孔，相邻的未致裂钻孔作为新的检波钻孔，重复第三步至第六步，直至第二步钻取的钻孔周围的厚硬顶板全部致裂完成，实现弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的；
第八步：当上覆煤层采煤工作面继续推进时，重复第二步至第七步，直至上覆煤层开采结束。
2.根据权利要求1所述的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于：第二步中，钻孔直径do为120mm～280mm，钻孔与上覆煤层采煤工作面底板的夹角a范围在75º～90º。
3.根据权利要求1所述的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于：第二步中，向下伏煤层厚硬顶板打钻孔深度h在40m～150m。
4.根据权利要求1所述的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于：第三步中，钻孔封隔器工作压力为20MPa～40MPa，钻孔封隔器距钻孔底部为1m～3m。
5.根据权利要求4所述的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于：所述钻孔封隔器选用自封式、压缩式或组合式钻孔封隔器。
6.根据权利要求1所述的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于：第四步中，储水罐内的水为过滤后的矿井水。
7.根据权利要求1所述的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于：第四步中，充水的等离子体致裂钻孔中加入电解质溶液，所述电解质溶液包括NaOH溶液。
8.根据权利要求1所述的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于：第五步中，液相放电等离子体电极放电电压为100kV～220kV，放电频率为100Hz～600Hz。
9.根据权利要求1所述的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于：第八步中，工作面推进距离为10m～20m。
10.一种用于实施权利要求1~9任一项所述方法的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的装置，其特征在于：包括等离子体发生器，等离子体脉冲控制器，高压电缆，电极稳固装置，液相放电等离子体电极，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，压力表，两用水管，高压水喷头，等离子体发生器冷却控制阀，高压水喷头控制阀；
等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、电极稳固装置、液相放电等离子体电极通过高压电缆连接；等离子体发生器将电能通过高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极进行释放，其中高压电缆负责将电能进行传输，电极稳固装置保证液相放电等离子体电极的正常工作；
等离子体脉冲控制器、数据采集仪、信号放大器、检波探头依次通过信号传输线连接；检波探头负责接收穿过煤/岩体的波形信号，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；
储水罐、高压泵、冷却器、等离子体发生器、通过两用水管连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀控制开关；高压泵将储水罐的水通过两用水管再经冷却器冷却后，输送到等离子体发生器，对等离子体发生器进行降温，避免等离子体发生器过热，而无法使用；高压泵、压力表、高压水喷头通过两用水管连接，通过高压水喷头控制阀控制开关；高压泵将储水罐的水通过两用水管输送到高压水喷头，最后通过高压水喷头喷出。
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