CN110374594B - 微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置 - Google Patents
微波加热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
本发明公开了一种微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置。本发明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，在上覆煤层开采时，弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压。本发明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，在上覆煤层开采时，对下伏煤层厚硬顶板进行预裂，达到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。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波加热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。
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。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,微波加热弱化强矿压的技术在煤炭开采技术领域(尤其在微波加热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，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微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置，充分利用了微波加热的高效率、能量密度大、不需介质传热、穿透性强等特性，在上覆煤层开采时，弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压。
本发明不仅效率高、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，在上覆煤层开采时，对下伏煤层厚硬顶板进行预裂，达到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。
本发明提供了一种微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，包括以下步骤：
步骤一，开采上覆煤层时，在上覆煤层采煤工作面将微波功率控制器—大功率微波发生器—圆形波导—波导转换器—同轴波导—微波发射器连接；同时用耐高温导线将微波功率控制器的一端与温度监测器—温度传感器连接；再用信号传输线将微波功率控制器的另一端与数据采集仪—信号放大器—检波探头连接，最后将储水罐—高压泵—冷却器—大功率微波发生器连接形成完整回路，通过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；
步骤二，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，第一个钻孔称为微波加热致裂钻孔，第二个钻孔称为检波钻孔；
步骤三，将同轴波导、微波发射器，布置在步骤二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上方，同时将信号传输线、检波探头布置在步骤二钻取的检波钻孔底部；
步骤四，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下伏煤层厚硬顶板；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厚硬顶板温度的监测，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，对下伏煤层厚硬顶板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厚硬顶板实现致裂；
步骤五，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；
步骤六，在微波加热致裂钻孔深处加入微波强吸收介质，最后封堵微波加热致裂钻孔；
步骤七，将检波钻孔作为下一个微波加热致裂钻孔，相邻的未致裂钻孔作为新的检波钻孔，重复步骤三至步骤六，直至步骤二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；
步骤八，当上覆煤层采煤工作面继续推进时，重复步骤二至步骤七，直至上覆煤层开采结束。
上述方法中，所述步骤二中，钻孔直径do为120mm～280mm，向下伏煤层厚硬顶板打钻孔深度h在40m～150m，钻孔与上覆煤层采煤工作面底板的夹角a范围在75º～90º。
上述方法中，所述的步骤三，温度传感器在微波发射器上方距离0.5m～2m处。
上述方法中，所述的步骤三，调节微波发射器在微波加热致裂钻孔中的位置，对下伏煤层厚硬顶板的不同位置实现致裂。
上述方法中，所述的步骤四，微波频率为815~1015MHz，微波功率为45kW~200kW，微波加热温度为200℃～800℃。
上述方法中，所述的步骤五，储水罐内的水使用过滤后的矿井水。
上述方法中，步骤六中，所述微波强吸收介质为活性炭。
上述方法中，所述步骤八中，工作面推进距离为10m～20m。
本发明提供了一种微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的装置，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为玻璃、陶瓷、聚乙烯、聚丙烯中的一种。
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，在上覆煤层开采时，对下伏煤层厚硬顶板进行预裂，达到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，微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的装置及方法效率高、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为微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的实施效果示意图；
图2为微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的装置示意图；
图3为微波加热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为微波加热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—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—下伏煤层厚硬顶板；18—微波加热致裂钻孔；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；23—下伏煤层；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—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，一种微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的装置，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。
如图1~4所示，山西焦煤集团某矿3、6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3号煤层，后开采6号煤层；3号煤层厚度为2.9～3.6米，煤层倾角0°～4°，煤体容重为1.45t/m，开采条件良好，距地表270米～280米。6号煤层厚度为3.8～6.2m，煤层倾角0°～4.5°，煤体容重为1.45t/m，，距地表340米～350米，距3号煤层底板平均为70米，6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 = 7～8，厚度平均为15米。不难看出当开采6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3号煤层时，在上覆煤层（3号煤层）工作面底板采用微波加热的方法弱化下伏煤层（6号煤层）开采厚硬顶板强矿压，具体包括以下内容：
本实施例微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，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将微波功率控制器2—大功率微波发生器1—圆形波导3—波导转换器4—同轴波导5—微波发射器6连接；同时用耐高温导线8将微波功率控制器2的一端与温度监测器7—温度传感器9连接；再用信号传输线12将微波功率控制器2的另一端与数据采集仪10—信号放大器11—检波探头13连接，最后将储水罐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，通过微波发生器冷却控制阀T1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12米，钻孔直径do为220mm，钻孔深度h为58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，第一个钻孔称为微波加热致裂钻孔18，第二个钻孔称为检波钻孔19；
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18深处，耐高温导线8、温度传感器9布置在微波发射器6上方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19底部；
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）作用在下伏煤层厚硬顶板17；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18附近厚硬顶板温度的监测，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，对下伏煤层厚硬顶板17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18周围的厚硬顶板实现致裂；
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；
第六步：在微波加热致裂钻孔18深处加入微波强吸收介质（活性炭），最后封堵微波加热致裂钻孔18；
第七步：将检波钻孔19作为下一个微波加热致裂钻孔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)
1.一种微波加热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：
步骤一，开采上覆煤层时，在上覆煤层采煤工作面将微波功率控制器—大功率微波发生器—圆形波导—波导转换器—同轴波导—微波发射器连接；同时用耐高温导线将微波功率控制器的一端与温度监测器—温度传感器连接；再用信号传输线将微波功率控制器的另一端与数据采集仪—信号放大器—检波探头连接，最后将储水罐—高压泵—冷却器—大功率微波发生器连接形成完整回路，通过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；
步骤二，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，第一个钻孔称为微波加热致裂钻孔，第二个钻孔称为检波钻孔；
步骤三，将同轴波导、微波发射器，布置在步骤二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上方，同时将信号传输线、检波探头布置在步骤二钻取的检波钻孔底部；
步骤四，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下伏煤层厚硬顶板；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厚硬顶板温度的监测，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，对下伏煤层厚硬顶板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厚硬顶板实现致裂；
步骤五，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；
步骤六，在微波加热致裂钻孔深处加入微波强吸收介质，最后封堵微波加热致裂钻孔；
步骤七，将检波钻孔作为下一个微波加热致裂钻孔，相邻的未致裂钻孔作为新的检波钻孔，重复步骤三至步骤六，直至步骤二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；
步骤八，当上覆煤层采煤工作面继续推进时，重复步骤二至步骤七，直至上覆煤层开采结束。
2.根据权利要求1所述的微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于，所述步骤二中，钻孔直径do为120mm～280mm，向下伏煤层厚硬顶板打钻孔深度h在40m～150m，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所述的微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于，所述的步骤三，温度传感器在微波发射器上方距离0.5m～2m处。
4.根据权利要求1所述的微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于，所述的步骤三，调节微波发射器在微波加热致裂钻孔中的位置，对下伏煤层厚硬顶板的不同位置实现致裂。
5.根据权利要求1所述的微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于，所述的步骤四，微波频率为815~1015MHz，微波功率为45kW~200kW，微波加热温度为200℃～800℃。
6.根据权利要求1所述的微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于，所述的步骤五，储水罐内的水使用过滤后的矿井水。
7.根据权利要求1所述的微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于，步骤六中，所述微波强吸收介质为活性炭。
8.根据权利要求1所述的微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于，所述步骤八中，工作面推进距离为10m～20m。
9.一种微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的装置，用于上述权利要求1~8任一项所述的微波加热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：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所述的微波加热弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的装置，其特征在于：所述的微波发射器的外壳为玻璃、陶瓷、聚乙烯、聚丙烯中的一种。
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