CN111255454A - 一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，包括：在煤矿巷道的顶板上施工钻孔；通过对坚硬顶板水力切缝，使钻孔的两侧分别形成一条平行于钻孔轴线的裂缝面；通过两个封孔器分别对裂缝面的两端封孔，使两个封孔器之间形成密闭的封孔段；通过向封孔段持续注入高压水使裂缝定向扩张，完成对封孔段的压裂；对钻孔预设的其它分段依次进行切缝、封孔和压裂，直至完成对整个钻孔所有预测位置的压裂。本发明提供的煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，不但工艺简单、安全、成本低且卸压范围大、效果好，具有重要的推广应用价值。

Description

一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别涉及一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法。

背景技术

坚硬顶板在煤矿开采过程中一般难以及时垮落，容易形成大面积悬顶，在其突然断裂时，瞬间释放大量能量，造成巷道破坏、设备受损甚至人员伤亡，严重威胁着煤矿安全生产。因此，坚硬顶板的弱化是煤矿顶板灾害控制的关键。目前，最常用的坚硬顶板弱化的方法主要为爆破断顶和水力压裂，爆破断顶利用炸药产生的爆轰波破碎顶板，施工工艺复杂，安全隐患高，对生产干扰大；水力压裂则采用高压水破裂顶板，施工工艺相对简单，安全隐患低，对生产的影响小，但常规压裂不对顶板进行预制裂缝面处理，压裂时裂缝面很难沿着最佳削弱顶板方向扩展，卸压效果难以保证。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法。该方法可有效降低顶板压力，显著降低甚至消除强烈矿压显现甚至冲击地压灾害的发生，且工艺简单、安全、成本低且卸压范围大、效果好，具有重要的推广应用价值。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，包括：

在煤矿巷道的顶板上施工钻孔，并将钻孔划分为多个预设压裂段；

通过对钻孔的孔壁进行水力切缝，使钻孔的两侧分别形成一条平行钻孔轴线的裂缝面；

通过两个封孔器分别对裂缝面的两端封孔，使两个封孔器之间形成密闭的封孔段；

通过向封孔段持续注入高压水，完成对封孔段两侧岩体的压裂；

对该钻孔内其他预设压裂段依次进行切缝、封孔和压裂，直至完成对整个钻孔的压裂。

进一步的，在对钻孔的孔壁进行水力切缝时，包括：

将带有磨料砂的高压水沿着巷道轴线方向，对钻孔两侧的孔壁进行射流切割；同时通过移动射流器，使孔壁两侧沿钻孔轴线形成两条与预设长度相同的裂缝面。

进一步的，在将带有磨料砂的高压水沿着巷道轴线方向对钻孔两侧的孔壁进行射流切割时，包括：

将从高压泵出来的高压水经过磨料罐后成为带有磨料砂的混合液体，从位于钻杆前端的射流器两侧高速喷出；其中，高压水经射流器后的喷射方向为巷道轴线方向；

通过钻杆带动射流器沿钻孔的轴线向前或向后匀速移动，使孔壁两侧分别形成一条预设长度的裂缝面；其中，射流器在钻孔内的移动范围为裂缝面的预设长度，裂缝面的预设长度小于两封孔器之间密闭段的长度。

进一步的，所述射流器包括设在两个所述封孔器之间的壳体、设在所述壳体两侧的喷嘴、以及设在所述壳体上且位于所述喷嘴前端的出水孔，所述壳体与所述钻杆连接，且所述壳体的内腔与所述钻杆连通；所述喷嘴和出水孔分别与所述壳体的内腔连通，且靠近所述出水孔的所述壳体内腔处设有收窄结构，在所述喷嘴和出水孔之间的连通和隔离可通过向所述壳体的内腔是否投入钢球进行切换，其中，所述钢球的直径在所述壳体的内腔直径和收窄结构的直径之间。

进一步的，在将带有磨料砂的混合液体从射流器两侧喷嘴内高速喷出时，包括：

通过向钻杆中投入钢球，使钢球切断喷嘴和出水孔之间的连通，使带有磨料砂的高压水从位于壳体两侧两个喷嘴中高速喷出。

进一步的，在通过两个封孔器分别对裂缝面的两端封孔，使两个封孔器之间形成密闭的封孔段时，包括：

通过钻杆在钻孔内移动，使位于钻杆上的封孔器移动至裂缝面的两端；

将高压水注入到封孔器中使封孔器膨胀，使裂缝面的两端被膨胀后的封孔器封孔，并使两个封孔器之间形成密闭的封孔段。

进一步的，所述封孔器包括膨胀胶囊、和设在所述膨胀胶囊两端的连接口，两个所述膨胀胶囊通过连接口与所述钻杆连接，一所述膨胀胶囊的内腔与进水口和软管连通，所述软管还与另一所述膨胀胶囊的内腔连通，所述进水口与高压泵通过管路连接；

从高压泵出来的高压水经过所述进水口注入到两个所述膨胀胶囊的内腔中，使所述膨胀胶囊膨胀，进而使裂缝面的两端被膨胀后的所述膨胀胶囊封孔。

进一步的，在通过向封孔段持续注入高压水，完成对封孔段两侧岩体的压裂时，包括：

将从高压泵流出高压水从钻杆上的射流器注入到封孔段内，使坚硬顶板上的裂缝面沿着预制裂缝面尖端持续扩展；

待高压泵的泵压突然下降后或对封孔段的压裂时间达到预设时间后，关闭高压泵，并对封孔器进行卸压，完成对封孔段的压裂。

进一步的，所述高压泵与磨料罐连接，所述磨料罐包括物料进口、入水口和出水口，所述磨料罐的内部可填充磨料介质，所述入水口通过管路与高压泵相连，所述出水口通过管路与钻杆相连；

在所述磨料罐关闭时，从所述磨料罐流出的水为不带磨料介质的纯净水；在所述磨料罐开启时，从所述磨料罐流出的水为含有磨料介质的混合水。

本发明提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，通过在煤矿巷道顶板施工钻孔，并在钻孔上依次进行水力切缝、裂缝面的两端封孔、以及封孔段的压裂处理，使坚硬顶板沿巷道走向方向形成弱化面，在工作面开采期间，坚硬顶板受到矿山压力的作用时，坚硬顶板将沿着弱化面及时垮落，可有效降低顶板压力，进而显著降低甚至消除强烈矿压显现甚至冲击地压灾害的发生。本发明提供的煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法不但工艺简单、安全、成本低且卸压范围大、效果好，具有重要的推广应用价值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法中钻孔施工示意图；

图3为本发明实施例提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法的割缝流程图；

图4为本发明实施例提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法中系统整体连接示意图；

图5为本发明实施例提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法中割缝状态下钻杆、封孔器、射流器连接示意图；

图6为本发明实施例提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法中压裂状态下射流器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法中射流器在切缝状态下的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法的封孔器封孔流程图；

图9为本发明实施例提供的一种切顶留巷防治巷道冲击地压的方法中的压裂状态下钻杆、封孔器、射流器连接示意图；

图10为本发明实施例提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法中的封孔器的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的再又一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法的压裂流程图；

图12为本发明实施例提供的一种切顶留巷防治巷道冲击地压的方法的切顶弱化效果示意图。

图标：

1-坚硬顶板，2-钻机，3-钻孔，4-钻杆，5-封孔器，6-射流器，7-高压泵，8-磨料罐，501-膨胀胶囊，502-连接口，503-进水口，504-软管，601-喷嘴，602-壳体，603-出水孔，604-收窄结构，605-钢球。

具体实施方式

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，参见图1，包括：

S100、在煤矿巷道的坚硬顶板1上施工钻孔，并将钻孔3划分为多个预设压裂段。

具体为，参见图2，在煤矿巷道的顶板1上通过钻机2施工钻孔3，直至钻孔3的长度为预设长度，抽出位于钻孔3内的钻杆4。

S200、通过对钻孔3的孔壁进行水力切缝，使钻孔3的两侧分别形成一条平行钻孔3轴线的裂缝面。

S300、通过两个封孔器5分别对裂缝面的两端封孔，使两个封孔器5之间形成密闭的封孔段。

S400、通过向封孔段持续注入高压水，完成对封孔段两侧岩体的压裂。

S500、对同一钻孔3内其他预设压裂段依次进行切缝、封孔和压裂，直至完成对整个钻孔3的压裂。

其中，钻孔3内的多个预设压裂段为在钻孔3内依次划分的钻孔段，在对一预设压裂段完成压裂后，对靠近该预设压裂段的下一预设压裂段进行水力切缝、封孔和压裂，直至完成对整个钻孔3的压裂。

作为一优选实施方式，在通过对钻孔3的孔壁进行水力切缝时，包括：

将带有磨料砂的高压水沿着巷道轴线方向，对钻孔3两侧的孔壁进行射流切割；同时通过移动射流器6，使孔壁两侧沿钻孔3轴线形成两条与预设长度相同的裂缝面。

作为一优选实施方式，参见图3，在将带有磨料砂的高压水对钻孔3两侧的孔壁进行射流切割时，包括：

S201、将从高压泵7出来的高压水经过磨料罐后成为带有磨料砂的混合液体，从位于钻杆前端的射流器6两侧高速喷出；其中，高压水经射流器6后的喷射方向为巷道轴线方向；

S202、通过钻杆4带动射流器6沿钻孔3的轴线向前或向后匀速移动，使孔壁两侧分别形成一条预设长度的裂缝面；其中，射流器6在钻孔3内的移动范围为裂缝面的预设长度，裂缝面的预设长度小于两封孔器6之间密闭段的长度。

参见图4和5，在对位于钻孔3两侧的孔壁进行切割时前，还包括：将封孔器5、钻杆4和射流器6一起送入至钻孔3内的一预设压裂段，并通过钻杆4上的定位标识线调整射流器6方位，使射流器6两侧的喷嘴601朝向巷道走向方向。

作为一优选实施方式，参见图6和7，射流器6包括设在两个封孔器5之间的壳体602、设在壳体602两侧的喷嘴601、以及设在壳体602上且位于喷嘴601前端的出水孔603，壳体602与钻杆4连接，且壳体602的内腔与钻杆4连通；喷嘴601和出水孔603分别与壳体602的内腔连通，且靠近出水孔603的壳体内腔处设有收窄结构604，在喷嘴601和出水孔603之间的连通和隔离可通过向壳体602的内腔是否投入钢球605进行切换，其中，钢球605的直径在壳体602的内腔直径和收窄结构604的直径之间。

具体为，开启高压泵7，并调节高压泵7至预设泵压，然后开启与高压泵7连接的磨料罐8；从高压泵7出来的高压水经过磨料罐8后成为带有磨料砂的混合液体，混合液体经过射流器6两侧的喷嘴601高速喷出，同时，调节钻机2使钻杆4按预设的速度向前或向后匀速移动，并在钻杆4带动喷嘴601移动的距离为预设距离后，依次关闭磨料罐8、高压泵7，完成在喷嘴601移动长度范围内的孔壁两侧的两条平行于巷道轴线方向和钻孔3轴线方向的裂缝面的施工。

作为一优选实施方式，参见图7，在将带有磨料砂的混合液体从射流器6两侧的喷嘴601高速喷出时，包括：

通过向钻杆4中投入钢球605，使钢球605切断喷嘴601和出水孔603之间的连通，使带有磨料砂的高压水从位于壳体602两侧两个喷嘴601中高速喷出。

具体的，在高压水作用下，钢球605将密封射流器6上端，带有磨料砂的混合液体从喷嘴601射出，以实现混合液体对钻孔3的孔壁进行割缝。

作为一优选实施方式，参见图8和9，在通过两个封孔器5分别对裂缝面的两端封孔，使两个封孔器5之间形成密闭的封孔段时，包括：

S301、通过钻杆4在钻孔3内移动，使位于钻杆4上的封孔器5移动至裂缝面的两端；

S302、将高压水注入到封孔器5中使封孔器5膨胀，使裂缝面的两端被膨胀后的封孔器5封孔，并使两个封孔器5之间形成密闭的封孔段。

作为一优选实施方式，参见图10，封孔器5包括膨胀胶囊501、和设在膨胀胶囊501两端的连接口502，两个膨胀胶囊501通过连接口502与钻杆4连接，一膨胀胶囊501的内腔与进水口503和软管504连通，软管504还与另一膨胀胶囊501的内腔连通，进水口503与高压泵7通过管路连接；从高压泵7出来的高压水经过进水口注入到两个膨胀胶囊501的内腔中，使膨胀胶囊501膨胀，进而使裂缝面的两端被膨胀后的膨胀胶囊501封孔。

其中，膨胀胶囊501由橡胶膨胀材料制备而成。

作为一优选实施方式，参见图11，在通过向封孔段持续注入高压水，完成对封孔段的压裂时，包括：

S401、将从高压泵7流出高压水从钻杆4上的射流器6注入到封孔段内，使坚硬顶板1上的裂缝面沿着裂缝面尖端持续扩展；

S402、待高压泵7的泵压突然下降后或对封孔段的压裂时间达到预设时间后，关闭高压泵7，并对封孔器5进行卸压，完成对封孔段的压裂。

其中，在对封孔段的压裂时，取出射流器6内的钢球605，高压水将从射流器6前端的出水孔603及喷嘴601喷出，使孔壁沿着割缝的位置压裂岩层。

作为一优选实施方式，高压泵7与磨料罐8连接，磨料罐8包括物料进口、入水口和出水口，磨料罐8的内部可填充磨料介质，入水口通过管路与高压泵7相连，出水口通过管路与钻杆4相连；在磨料罐8关闭时，从磨料罐8流出的水为不带磨料介质的纯净水；在磨料罐8开启时，从磨料罐8流出的水为含有磨料介质的混合水。

其中，高压泵7是可以将进入泵体的液体加压到一定压力后排出密闭装置。当将高压水注入到封孔器5中使封孔器5膨胀时，高压泵7通过管路对两个封孔器5加注高压水；当带有磨料砂的混合液体从位于钻机2的钻杆4上的射流器6两侧高速喷出时，高压泵7通过管路与磨料罐8的入水口相连，打开磨料罐8，向钻杆4中投入钢球605，使钢球605切断喷嘴601和出水孔603之间的连通，使带有磨料砂的高压水从位于壳体602两侧两个喷嘴601中高速喷出；当向封孔段注入高压水时，关闭磨料罐8，高压泵7通过管路与磨料罐8的入水口相连，从磨料罐8流出的水为不带磨料介质的纯净水，保持喷嘴601和出水孔603之间的连通，使高压水从位于壳体602两侧两个喷嘴601和/或出水孔603中高速喷出。

参见图12，通过在煤矿巷道内施工一系列钻孔，并对一系列钻孔3进行压裂后，可以使目标坚硬顶板1沿巷道轴线方向形成破裂面，工作面开采过程中，坚硬顶板沿着破裂面及时、定向垮落，避免了顶板大面积悬顶造成的强矿压甚至冲击地压灾害的发生。

本发明提供的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，通过在煤矿巷道顶板施工钻孔，并在钻孔上依次进行水力切缝、裂缝面的两端封孔、以及封孔段的压裂处理，使坚硬顶板沿巷道走向方向形成弱化面，在工作面开采期间，坚硬顶板受到矿山压力的作用时，坚硬顶板将沿着弱化面及时垮落，可有效降低顶板压力，进而显著降低甚至消除强烈矿压显现甚至冲击地压灾害的发生。本发明提供的煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法不但工艺简单、安全、成本低且卸压范围大、效果好，而且还具有重要的推广应用价值。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，其特征在于，包括：

在煤矿巷道的顶板上施工钻孔，并将钻孔划分为多个预设压裂段；

通过对钻孔的孔壁进行水力切缝，使钻孔的两侧分别形成一条平行钻孔轴线的裂缝面；

通过两个封孔器分别对裂缝面的两端封孔，使两个封孔器之间形成密闭的封孔段；

通过向封孔段持续注入高压水，完成对封孔段两侧岩体的压裂；

对该钻孔内其他预设压裂段依次进行切缝、封孔和压裂，直至完成对整个钻孔的压裂。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，其特征在于，在对钻孔的孔壁进行水力切缝时，包括：

将带有磨料砂的高压水沿着巷道轴线方向对钻孔两侧的孔壁进行射流切割；同时通过移动射流器，使孔壁两侧沿钻孔轴线形成两条与预设长度相同的裂缝面。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，其特征在于，在将带有磨料砂的高压水对钻孔两侧的孔壁进行射流切割时，包括：

将从高压泵出来的高压水经过磨料罐后成为带有磨料砂的混合液体，从位于钻杆前端的射流器两侧高速喷出；其中，高压水经射流器后的喷射方向为巷道轴线方向；

通过钻杆带动射流器沿钻孔的轴线向前或向后匀速移动，使孔壁两侧分别形成一条预设长度的裂缝面；其中，射流器在钻孔内的移动范围为裂缝面的预设长度，裂缝面的预设长度小于两封孔器之间密闭段的长度。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，其特征在于，所述射流器包括设在两个所述封孔器之间的壳体、设在所述壳体两侧的喷嘴、以及设在所述壳体上且位于所述喷嘴前端的出水孔，所述壳体与所述钻杆连接，且所述壳体的内腔与所述钻杆连通；所述喷嘴和出水孔分别与所述壳体的内腔连通，且靠近所述出水孔的所述壳体内腔处设有收窄结构，在所述喷嘴和出水孔之间的连通和隔离可通过向所述壳体的内腔是否投入钢球进行切换，其中，所述钢球的直径在所述壳体的内腔直径和收窄结构的直径之间。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，其特征在于，在将带有磨料砂的混合液体从射流器两侧高速喷出时，包括：

通过向钻杆中投入钢球，使钢球切断喷嘴和出水孔之间的连通，使带有磨料砂的高压水从位于壳体两侧两个喷嘴中高速喷出。

6.根据权利要求2所述的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，其特征在于，在通过两个封孔器分别对裂缝面的两端封孔，使两个封孔器之间形成密闭的封孔段时，包括：

通过钻杆在钻孔内移动，使位于钻杆上的封孔器移动至裂缝面的两端；

将高压水注入到封孔器中使封孔器膨胀，使裂缝面的两端被膨胀后的封孔器封孔，并使两个封孔器之间形成密闭的封孔段。

7.根据权利要求6所述的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，其特征在于，所述封孔器包括膨胀胶囊、和设在所述膨胀胶囊两端的连接口，两个所述膨胀胶囊通过连接口与所述钻杆连接，一所述膨胀胶囊的内腔与进水口和软管连通，所述软管还与另一所述膨胀胶囊的内腔连通，所述进水口与高压泵通过管路连接；

从高压泵出来的高压水经过所述进水口注入到两个所述膨胀胶囊的内腔中，使所述膨胀胶囊膨胀，进而使裂缝面的两端被膨胀后的所述膨胀胶囊封孔。

8.根据权利要求2所述的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，其特征在于，在通过向封孔段注入高压水、以及对两个封孔器卸压，完成对封孔段的压裂时，包括：

将从高压泵流出高压水从钻杆上的射流器注入到封孔段内，使坚硬顶板上的裂缝面沿着裂缝面尖端持续扩展；

待高压泵的泵压突然下降后或对封孔段的压裂时间达到预设时间后，关闭高压泵，并对封孔器进行卸压，完成对封孔段的压裂。

9.根据权利要求3至8任一所述的一种煤矿坚硬顶板定向切顶卸压的方法，其特征在于，所述高压泵与磨料罐连接，所述磨料罐包括物料进口、入水口和出水口，所述磨料罐的内部可填充磨料介质，所述入水口通过管路与高压泵相连，所述出水口通过管路与钻杆相连；

在所述磨料罐关闭时，从所述磨料罐流出的水为不带磨料介质的纯净水；在所述磨料罐开启时，从所述磨料罐流出的水为含有磨料介质的混合水。

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