CN110836113B - 一种利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，解决放煤过程中坚硬顶煤难冒落而造成煤炭损失的问题；本发明利用微波对煤体中各矿物成分的选择性与整体性加热特性，使之产生热应力，引起煤体结构损伤与热破裂，提高坚硬顶煤的裂隙发育程度、降低顶煤强度，达到提高顶煤冒放性的目的。本发明方法使用安全、设备可回收、对工作面回采干扰小、顶煤冒放效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，属于提高综放工作面顶煤冒放性方法。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，储量丰富。我国厚及特厚煤层储量、产量均占煤炭总储量和总产量的40％以上。综放开采对于厚及特厚煤层的开采有着巨大的优越性和广阔的前景，综放开采将成为我国厚及特厚煤层开采技术发展的主要方向。
但目前综放开采面临着采出率低的问题，导致这一现象的主要原因是顶煤的硬度较大，节理裂隙发育差，坚硬顶煤不能及时垮落和充分破碎，这将使大量顶煤难以回收，造成煤炭资源浪费；因此，放顶煤开采要实现高产高效，首要条件是顶煤要有良好的冒放性。现解决顶煤冒放性的主要手段是注水软化和深孔爆破；但这些方法都存在一些难以解决的问题，如注水软化对坚硬煤层的弱化效果不明显、适用性低，爆破中炸药管理要求高、安全性差、影响工作面正常作业等，急需探索新的方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，该方法利用微波对煤体的电磁辐射热效应，使煤体结构损伤、产生热破裂，实现坚硬顶煤的弱化，具有广泛的社会实用性。
技术方案：基于对煤岩的研究知识，我们发现：
1、由于煤体中含有多种矿物，这些矿物的电导率、磁导率、介电常数都各不相同，使得微波对煤体内各矿物吸收的微波能量存在差异，造成煤体内部各矿物的升温效率不同，在煤体内形成明显的局部温差，使之产生热应力，引起煤体结构损伤和热破裂，增加了坚硬煤体的裂隙发育程度。
2、微波对煤体的热损伤效应不会随着微波的消失而消失。
3、微波对煤体的电磁辐射热效应具有整体性，在其影响范围内的煤体均会出现热损伤效应，使在影响范围内的煤体强度得到弱化。。
基于上述考虑，我们设计了利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，本发明采用的技术方案为：
一种利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，包括如下步骤：
(a)根据矿井地质资料和现场钻孔取样，经检测得出坚硬顶煤的矿物成分及物理力学性质；
(b)根据步骤(a)的检测结果及综放工作面生产工艺，确定坚硬顶煤的位置高度，设计微波辐射弱化顶煤钻孔布置方案，包括钻孔的终孔位置距上覆岩层的垂直距离H、钻孔角度β、孔径R和孔距D；结合坚硬顶煤的岩性与工作面开采技术条件，得出坚硬顶煤的最佳微波辐射参量，微波辐射参量包括微波电压和微波功率；
(c)根据步骤(b)的设计方案，在工艺巷内布置钻场，向坚硬顶煤施工顺层钻孔；按照工作面推进方向，将钻孔的分布区域分为松动区、弱化区和准备区，松动区为微波辐射弱化顶煤工作完成的区域，弱化区为微波辐射弱化顶煤工作正在进行的区域，准备区为接下来微波辐射弱化顶煤工作的实施区域；
(d)将微波馈入天线布置到弱化区的钻孔中，使用封孔夹持器进行封孔；固定完毕后，在钻孔周围的工艺巷煤壁上铺设金属屏蔽网；
(e)根据步骤(b)的设计方案，在集中控制平台进行微波辐射参量设定，开始微波辐射弱化顶煤工作；
(f)当前微波辐射弱化顶煤工作执行完毕后，退出封孔夹持器，将钻孔中的微波馈入天线有序撤出，弱化区更新为松动区，准备区更新为弱化区，返回步骤(d)。
具体的，使用微波发生装置向微波馈入天线提供微波源；所述微波发生装置包括壳体、微波发生器、降温风扇、高压转化器和微波功率无极调节器，微波发生器、降温风扇和高压转化器置于壳体内，降温风扇用于降低微波发生器的工作温度，高压转化器用于提供微波发生器的工作电压，微波功率无极调节器用于调节微波发生器的微波功率；在壳体上设置有微波传出孔和信号接线孔，微波发生器与微波馈入天线通过同轴电缆连接，同轴电缆穿过微波传出孔，微波功率无极调节器与高压转化器通过信号线连接，信号线穿过信号接线孔。
具体的，所述封孔夹持器为微波屏蔽材质，包括主体和楔子，主体的侧面设置有外螺纹，主体的底端面环绕主体的中心轴线均匀设置有两个盲孔；在主体内设置有同轴的楔形腔和走线通道，走线通道贯穿主体和楔形腔，楔子放置在主体的楔形腔内，主体、楔形腔、楔子、走线通道的中心轴线在同一条直线上，走线通道的内径与同轴电缆的外径相适配；沿主体的中心轴线，楔形腔的长度大于楔子的长度，楔形腔最小横截面直径小于楔子的最小横截面直径，楔形腔最大横截面直径大于楔子的最大横截面直径，楔形腔最小横截面和楔子的最小横截面均朝向主体的底端面一侧。
具体的，使用扳手固定封孔夹持器，扳手包括带缺口的圆环，固定在圆环径向两侧分别固定连接有一个握把，每个握把上固定一个卡销；微波馈入天线穿过封孔夹持器的走线通道后，将封孔夹持器的顶部推进钻孔孔口处；同时，利用圆环上的缺口将同轴电缆卡入圆环内，将两个卡销对应插入封孔夹持器外端面的两个盲孔中；当微波馈入天线在外力F作用下推入钻孔指定位置的同时，通过握把旋转扳手带动封孔夹持器转动，封孔夹持器在外螺纹的作用下，攻入钻孔，封孔夹持器与钻孔相互紧密配合；封孔夹持器攻入钻孔的时间与微波馈入天线伸入到钻孔指定位置的时间相一致，解除外力F作用后，微波馈入天线、同轴电缆和楔子在重力G作用下发生位移并形成过盈配合，从而达到固定与封孔的目的。
具体的，使用扳手退出封孔夹持器，在外力F作用下先将同轴电缆向上推起，此时的同轴电缆、楔子、主体之间产生间隔，通过圆环上的缺口将同轴电缆卡入圆环内，将两个卡销对应插入封孔夹持器外端面的两个盲孔中，反方向转动扳手，封孔夹持器在外螺纹的作用下退出钻孔。
具体的，所述金属屏蔽网为柔性金属网，采用锚杆将金属屏蔽网固定于煤壁，金属屏蔽网的孔径小于微波发生装置产生的微波波长的1/4。
有益效果：本发明提供的利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，创新地使用微波辐射的方法提高综放工作面顶煤冒放性，具有如下优势：1、本发明装备以电作为能源，可控性好；无需注入其他流体介质，环保性强；安装简单、升温速度快，工作周期短，效率高，各类煤岩体普遍适用(适用性强)，节省了作业时间与成本；2、本发明中微波对煤体的电磁辐射热效应具有整体性，在其影响范围内的煤体均会出现热损伤效应，使在影响范围内的煤体强度弱化，从而提高坚硬顶煤的冒放性，同时减少了混合带煤炭的损失；3、本发明中使用的微波馈入天线，对钻孔质量要求低，能在钻孔一定变形范围内正常使用，并可回收重复使用。
附图说明
图1为可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性方法的结构示意平面图；
图2为可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性方法的结构示意剖面图；
图3为微波发生装置结构示意图；
图4(a)为封孔夹持器锁紧前结构示意图；
图4(b)为封孔夹持器锁紧后结构示意图；
图5为配合封孔夹持器使用的扳手的结构示意图；
图中包括：1-钻孔；2-微波发生装置；201-微波发生器；202-降温风扇；203-高压转化器；204-微波功率无极调节器；205-集中控制平台；206-壳体；207-微波传出孔；208-信号接线孔；3-同轴电缆；4-封孔夹持器；401-主体；402-楔子；403-外螺纹；404-盲孔；405-楔形腔；406-走线通道；5-微波馈入天线；6-回风平巷；7-运输平巷；8-工艺巷；9-上覆岩层；10-金属屏蔽网；11-锚杆；12-扳手；1201-卡销；1202-握把；1203-圆环。
具体实施方式
下面结合一个具体的试验例的实施过程对本发明做出进一步说明。
一种利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，包括如下步骤：
(a)依据某矿井地质资料和现场钻孔取样，经检测得出坚硬顶煤富灰，高挥发分，硬度系数最大f＝3.5，煤层倾角平均7°，工作面倾向长度116m，煤层厚度平均13.5m，机采底煤高度2.8m，放顶煤高度10.7m，采煤机截深0.6m，一刀一放。
(b)设计微波辐射弱化顶煤钻孔布置方案，确定在煤层中布置工艺巷，在工艺巷内布置钻场如图1、图2，朝坚硬顶煤打顺层钻孔，对钻孔依次编号，分别为孔1、孔2、孔3、孔4、孔5、孔6、孔7；其中钻孔的终孔位置即距上覆岩层的垂直距离H＝0.6m、钻孔角度β＝10°、孔径R＝75mm、孔长L＝55m、孔距D＝1.2m，通过结合顶煤的岩性和工作面条件，得出作用于坚硬顶煤的最佳微波辐射参量；微波辐射参量要满足工作面推进一个截深进行放顶煤时，弱化区经过微波辐射能达到即将放落时松动区的要求。
(c)按要求做微波发生装置开机前准备工作，然后将准备好的微波发生装置置于工艺巷内钻场附近，把微波馈入天线一端穿过封孔夹持器与同轴电缆连接，微波馈入天线另一端布置到钻孔中。
(d)待微波馈入天线全部布置好后，将同轴电缆与微波发生装置的微波发生器连接；然后使用由可屏蔽微波的封孔夹持器进行封孔；固定完毕后，使用60mm×60mm的金属锚网代替金属屏蔽网铺满钻孔周围的工艺巷煤壁，并用锚杆进行固定。
(e)根据步骤(b)的设计方案，在集中控制平台进行微波辐射参量设定，检查无误后，开始微波辐射弱化顶煤工作，首先给弱化区内孔2、孔3、孔4中的微波馈入天线供能；
(f)随着工作面的推进及可控源微波的辐射，坚硬顶煤强度降低，冒放性提高，此时的弱化区达到即将放落时松动区的要求；集中控制平台的微波辐射程序结束，关闭微波发生装置，退出封孔夹持器，将孔2、孔3、孔4中的微波馈入天线有序撤出，同时将撤出的微波馈入天线布置到准备区的孔5、孔6、孔7中，推进工作面。
本案使用如图3所示的微波发生装置2向微波馈入天线5提供微波源；所述微波发生装置2包括壳体206、微波发生器201、降温风扇202、高压转化器203和微波功率无极调节器204，微波发生器201、降温风扇202和高压转化器203置于壳体内，降温风扇202用于降低微波发生器201的工作温度，高压转化器203用于提供微波发生器201的工作电压，微波功率无极调节器204用于调节微波发生器201的微波功率；在壳体206上设置有微波传出孔207和信号接线孔208，微波发生器201与微波馈入天线5通过同轴电缆3连接，同轴电缆3穿过微波传出孔207，微波功率无极调节器204与高压转化器203通过信号线连接，信号线穿过信号接线孔208。
如图4所示，所述封孔夹持器4为微波屏蔽材质，包括主体401和楔子402，主体401的侧面设置有外螺纹403，主体401的底端面环绕主体的中心轴线均匀设置有两个盲孔404；在主体401内设置有同轴的楔形腔405和走线通道406，走线通道406贯穿主体401和楔形腔405，楔子402放置在主体401的楔形腔405内，主体401、楔形腔405、楔子402、走线通道406的中心轴线在同一条直线上，走线通道406的内径与同轴电缆3的外径相适配；沿主体401的中心轴线，楔形腔405的长度大于楔子402的长度，楔形腔405最小横截面直径小于楔子402的最小横截面直径，楔形腔405最大横截面直径大于楔子402的最大横截面直径，楔形腔405最小横截面和楔子402的最小横截面均朝向主体401的底端面一侧。
使用扳手12固定封孔夹持器4，扳手12包括带缺口的圆环1203，固定在圆环1203径向两侧分别固定连接有一个握把1202，每个握把1202上固定一个卡销1201；微波馈入天线5穿过封孔夹持器4的走线通道406后，将封孔夹持器4的顶部推进钻孔1孔口处；同时，通过圆环1203上的缺口将同轴电缆3卡入圆环1203内，将两个卡销1201对应插入封孔夹持器4外端面的两个盲孔404中；当微波馈入天线5在外力F作用下推入钻孔1指定位置的同时，通过握把1202旋转扳手12带动封孔夹持器4转动，封孔夹持器4在外螺纹403的作用下，攻入钻孔1，封孔夹持器4与钻孔1相互紧密配合；封孔夹持器4攻入钻孔1的时间与微波馈入天线5伸入到钻孔指定位置的时间相一致，解除外力F作用后，微波馈入天线5、同轴电缆3和楔子402在重力G作用下发生位移并形成过盈配合，从而达到固定与封孔的目的。
使用扳手12退出封孔夹持器4，在外力F作用下先将同轴电缆3向上推起，此时的同轴电缆3、楔子402、主体401之间产生间隔，通过圆环1203上的缺口将同轴电缆3卡入圆环1203内，将两个卡销1201对应插入封孔夹持器4外端面的两个盲孔404中，反方向转动扳手12，封孔夹持器4在外螺纹403的作用下退出钻孔。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(a)根据矿井地质资料和现场钻孔取样，经检测得出坚硬顶煤的矿物成分及物理力学性质；
(b)根据步骤(a)的检测结果及综放工作面生产工艺，确定坚硬顶煤的位置高度，设计微波辐射弱化顶煤钻孔布置方案，包括钻孔的终孔位置距上覆岩层的垂直距离H、钻孔角度β、孔径R和孔距D；结合坚硬顶煤的岩性与工作面开采技术条件，得出坚硬顶煤的最佳微波辐射参量，微波辐射参量包括微波电压和微波功率；
(c)根据步骤(b)的设计方案，在工艺巷内布置钻场，向坚硬顶煤施工顺层钻孔；按照工作面推进方向，将钻孔的分布区域分为松动区、弱化区和准备区，松动区为微波辐射弱化顶煤工作完成的区域，弱化区为微波辐射弱化顶煤工作正在进行的区域，准备区为接下来微波辐射弱化顶煤工作的实施区域；
(d)将微波馈入天线布置到弱化区的钻孔中，使用封孔夹持器进行封孔；固定完毕后，在钻孔周围的工艺巷煤壁上铺设金属屏蔽网；所述金属屏蔽网为柔性金属网，采用锚杆将金属屏蔽网固定于煤壁，金属屏蔽网的孔径小于微波发生装置产生的微波波长的1/4；
(e)根据步骤(b)的设计方案，在集中控制平台进行微波辐射参量设定，开始微波辐射弱化顶煤工作；
(f)当前微波辐射弱化顶煤工作执行完毕后，退出封孔夹持器，将钻孔中的微波馈入天线有序撤出，弱化区更新为松动区，准备区更新为弱化区，返回步骤(d)；
使用微波发生装置(2)向微波馈入天线(5)提供微波源；所述微波发生装置(2)包括壳体(206)、微波发生器(201)、降温风扇(202)、高压转化器(203)和微波功率无极调节器(204)，微波发生器(201)、降温风扇(202)和高压转化器(203)置于壳体(206)内，降温风扇(202)用于降低微波发生器(201)的工作温度，高压转化器(203)用于提供微波发生器(201)的工作电压，微波功率无极调节器(204)用于调节微波发生器(201)的微波功率；在壳体(206)上设置有微波传出孔(207)和信号接线孔(208)，微波发生器(201)与微波馈入天线(5)通过同轴电缆(3)连接，同轴电缆(3)穿过微波传出孔(207)，微波功率无极调节器(204)与高压转化器(203)通过信号线连接，信号线穿过信号接线孔(208)。
2.根据权利要求1所述的利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，其特征在于：所述封孔夹持器(4)为微波屏蔽材质，包括主体(401)和楔子(402)，主体(401)的侧面设置有外螺纹(403)，主体(401)的底端面环绕主体的中心轴线均匀设置有两个盲孔(404)；在主体(401)内设置有同轴的楔形腔(405)和走线通道(406)，走线通道(406)贯穿主体(401)和楔形腔(405)，楔子(402)放置在主体(401)的楔形腔(405)内，主体(401)、楔形腔(405)、楔子(402)、走线通道(406)的中心轴线在同一条直线上，走线通道(406)的内径与同轴电缆(3)的外径相适配；沿主体(401)的中心轴线，楔形腔(405)的长度大于楔子(402)的长度，楔形腔(405)最小横截面直径小于楔子(402)的最小横截面直径，楔形腔(405)最大横截面直径大于楔子(402)的最大横截面直径，楔形腔(405)最小横截面和楔子(402)的最小横截面均朝向主体(401)的底端面一侧。
3.根据权利要求2所述的利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，其特征在于：使用扳手(12)固定封孔夹持器(4)，扳手(12)包括带缺口的圆环(1203)，在圆环(1203)径向两侧分别固定连接有一个握把(1202)，每个握把(1202)上固定一个卡销(1201)；微波馈入天线(5)穿过封孔夹持器(4)的走线通道(406)后，将封孔夹持器(4)的顶部推进钻孔(1)孔口处；同时，利用圆环(1203)上的缺口将同轴电缆(3)卡入圆环(1203)内，将两个卡销(1201)对应插入封孔夹持器(4)外端面的两个盲孔(404)中；当微波馈入天线(5)在外力F作用下推入钻孔(1)指定位置的同时，通过握把(1202)旋转扳手(12)带动封孔夹持器(4)转动，封孔夹持器(4)在外螺纹(403)的作用下，攻入钻孔(1)，封孔夹持器(4)与钻孔(1)相互紧密配合；封孔夹持器(4)攻入钻孔(1)的时间与微波馈入天线(5)伸入到钻孔指定位置的时间相一致，解除外力F作用后，微波馈入天线(5)、同轴电缆(3)和楔子(402)在重力G作用下发生位移并形成过盈配合，从而达到固定与封孔的目的。
4.根据权利要求3所述的利用可控源微波辐射提高综放工作面顶煤冒放性的方法，其特征在于：使用扳手(12)退出封孔夹持器(4)，在外力F作用下先将同轴电缆(3)向上推起，此时的同轴电缆(3)、楔子(402)、主体(401)之间产生间隔，通过圆环(1203)上的缺口将同轴电缆(3)卡入圆环(1203)内，将两个卡销(1201)对应插入封孔夹持器(4)外端面的两个盲孔(404)中，反方向转动扳手(12)，封孔夹持器(4)在外螺纹(403)的作用下退出钻孔。
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