CN110388206A - 一种等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法和装置，属于煤矿开采技术领域。采用等离子体装置从下伏煤层对残采区遗留煤柱实现上行致裂，充分利用离子间的强烈运动瞬间产生高温、高压的特性，形成冲击波使煤柱产生裂隙并扩展,降低煤柱的完整性，以达到强度弱化、应力释放、减缓矿压显现的目的，从而实现煤矿绿色开采，安全生产。

Description

一种等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法和装置，属于煤矿开采技术领域。

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。

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,等离子体致裂技术在煤炭开采技术领域(尤其在上行等离子体致裂残采区遗留煤柱方面)的应用却很少。

发明内容

本发明旨在提供一种等离子体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，可以避免现有方法的劣势和不足，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，形成冲击波使煤柱产生裂隙并扩展, 降低煤柱的完整性，以达到强度弱化、应力释放、减缓矿压显现的目的，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上行致裂残采区遗留煤柱的方法，包括以下步骤：

步骤一：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；

步骤二：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，距工作面端头一定距离处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打孔间距d为6～10米的钻孔，等离子体致裂钻孔和检波钻孔分别到残采区遗留煤柱的中央位置停止打钻；

步骤三：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内部，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顶部；

步骤四：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；

步骤五：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，充水等离子体致裂钻孔中的压力迅速增加，使残采区遗留煤柱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，对残采区遗留煤柱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遗留煤柱实现致裂；关闭等离子体发生器；

步骤六：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；

步骤七：将检波钻孔作为下一个等离子体致裂钻孔，并调整钻孔角度，按照第二步的要求钻取新的检波钻孔，重复步骤三至步骤六，直至残采区遗留煤柱全部致裂完成；

步骤八：当下伏煤层采煤工作面继续推进遇到残采区遗留煤柱时，重复步骤二至步骤七，直至下伏煤层开采结束。

上述方法中，所述的步骤二，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，钻孔直径d_o为120mm～280mm。

上述方法中，所述的步骤二，等离子体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。

上述方法中，所述的步骤三，钻孔封隔器工作压力为20MPa～40MPa，钻孔封隔器距钻孔顶部1m～3m。

上述方法中，所述的步骤三，钻孔封隔器为自封式、压缩式或组合式钻孔封隔器中的一种。

上述方法中，所述的步骤四，储水罐内的水使用过滤后的矿井水。

上述方法中，所述的步骤四，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。

上述方法中，所述的步骤五，液相放电等离子体电极放电电压为100kV～220kV，放电频率为100Hz～600Hz。

本发明提供了一种等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的装置，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，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。而且等离子体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为等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的过程实施示意图；

图2为等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的装置示意图；

图3为等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的钻孔布置立体示意图。

图4为等离子体上行致裂残采区遗留煤柱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—等离子体致裂钻孔；18—检波钻孔；19—残采区遗留煤柱；20—下伏煤层工作面；21—运输顺槽；22—回风顺槽；23—采空区矸石； d—钻孔间距；do—钻孔直径；a—钻孔与下伏煤层顶板的夹角；L—钻孔与工作面端头的距离；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，一种等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的装置，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。所述的两用水管既可以起到冷却等离子体发生器的作用；也可以起到往等离子体致裂钻孔内注水的作用。

下面以阳煤集团某矿为例，说明本发明的具体实施过程：

阳煤集团某矿主采3、5号煤层，该矿采用下行开采方法，3号煤层已开采完毕，煤层开采过后遗留了大量煤柱；现开采5号煤层，5号煤层平均厚度为3.3米，煤层倾角1°～4°，煤体容重为1.45t/m，开采条件良好，5号煤层某工作面距上覆3号煤层遗留煤柱40米，煤柱宽度30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5号煤层时，从下伏煤层（5号煤层）采用等离子体的方法对残采区（3号煤层）遗留煤柱进行致裂,具体步骤如下：

第一步：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：确定下伏煤层工作面20与残采区遗留煤柱19的位置关系，在残采区遗留煤柱19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21和回风顺槽22 的顶板岩层中分别向残采区遗留煤柱19打孔间距d为8米，钻孔直径do为150mm，等离子体致裂钻孔17和检波钻孔18分别到残采区遗留煤柱19的中央位置停止打钻，等离子体致裂钻孔17和检波钻孔18与残采区遗留煤柱19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20呈斜交状态；

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17的内部，使钻孔封隔器16膨胀封孔（工作压力25～30Mpa），钻孔封隔器16距钻孔顶部1.5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18的顶部；

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17中，通过压力表13观察，当水充满等离子体致裂钻孔17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17中的压力迅速增加，使残采区遗留煤柱19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，对残采区遗留煤柱19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17周围的遗留煤柱实现致裂；

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17；

第七步：将检波钻孔18作为下一个等离子体致裂钻孔17，并调整钻孔角度，按照第二步的要求钻取新的检波钻孔18，重复第三步至第六步，直至残采区遗留煤柱19全部致裂完成；

第八步：当下伏煤层采煤工作面20继续推进遇到残采区遗留煤柱19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 (9)

1.一种等离子体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：

步骤一：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；

步骤二：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，距工作面端头一定距离处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打孔间距d为6～10米的钻孔，等离子体致裂钻孔和检波钻孔分别到残采区遗留煤柱的中央位置停止打钻；

步骤三：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内部，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顶部；

步骤四：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；

步骤五：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，充水等离子体致裂钻孔中的压力迅速增加，使残采区遗留煤柱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，对残采区遗留煤柱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遗留煤柱实现致裂；关闭等离子体发生器；

步骤六：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；

步骤七：将检波钻孔作为下一个等离子体致裂钻孔，并调整钻孔角度，按照第二步的要求钻取新的检波钻孔，重复步骤三至步骤六，直至残采区遗留煤柱全部致裂完成；

步骤八：当下伏煤层采煤工作面继续推进遇到残采区遗留煤柱时，重复步骤二至步骤七，直至下伏煤层开采结束。

2.根据权利要求1所述的等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述的步骤二，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，钻孔直径d_o为120mm～280mm。

3.根据权利要求1所述的等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述的步骤二，等离子体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所述的等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述的步骤三，钻孔封隔器工作压力为20MPa～40MPa，钻孔封隔器距钻孔顶部1m～3m。

5.根据权利要求1所述的等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述的步骤三，钻孔封隔器为自封式、压缩式或组合式钻孔封隔器中的一种。

6.根据权利要求1所述的等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述的步骤四，储水罐内的水使用过滤后的矿井水。

7.根据权利要求1所述的等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述的步骤四，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所述的等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法，其特征在于：所述的步骤五，液相放电等离子体电极放电电压为100kV～220kV，放电频率为100Hz～600Hz。

9.一种等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的装置，用于实施权利要求1~8任一项所述的等离子体上行致裂残采区遗留煤柱的方法，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。