CN111456730A - 一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，以解决目前使用炸药来制造弱保护层存在危险性高、环保性差的问题。该矿井巷道上方弱保护层的形成方法，包括在顶面岩层上打出钻孔，所述钻孔包括沿矿井巷道延伸方向布置的多组钻孔，每组钻孔轴线位于同一平面，每组钻孔的孔口在顶面岩层上平均分布，钻孔与设定的弱保护层相交，且相交处在弱保护层上平均分布；在每一个钻孔安装孔口装置，然后在钻孔内注满水；将能量转换器与脉冲功率驱动源连接；然后将能量转换器放置在所述钻孔中；启动脉冲功率驱动源向能量转换器放电，能量转换器产生的冲击波将顶面岩层致裂；冲击波的强度为220‑229MPa；多个钻孔实施冲击波作业后产生的裂缝形成弱保护层。

Description

一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法

技术领域

本发明属于矿山工程技术领域，具体涉及一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法。

背景技术

矿产资源是工业化的物质基础，无论是在金属矿产、非金属矿产或者煤炭的井工开发过程中，都会因岩层应力的变化形成冲击矿压。冲击矿压会使矿工的生命受到威胁，同时会使矿井和其内的设备也存在一定的安全隐患，因此冲击矿压是矿产资源开发过程中主要灾害之一。现有的技术手段通常是在井下巷道和地层深处之间设置弱保护层(弱层)，利用弱保护层的可压缩性，吸收来自大地的压力，进而可有效缓解巷道所承受的地层压力，将冲击矿压消除。

目前使用的炸药是有效制造弱保护层的工具，但炸药所产生的冲击波可控性差，且存在危险性高、环保性差的问题，甚至还有可能引发冲击矿压的致命缺点，因此，炸药的使用受到的管制越来越严格，导致矿产资源开采的效率下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，以解决目前使用炸药来制造弱保护层存在危险性高、环保性差的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，包括以下步骤；

S1，设定矿井巷道顶面岩层的钻孔位置及数量，在顶面岩层上打出钻孔，所述钻孔包括沿矿井巷道延伸方向布置的多组钻孔，每组钻孔轴线位于同一平面，每组钻孔的孔口在顶面岩层上平均分布，钻孔与设定的弱保护层相交，且相交处在弱保护层上平均分布；

S2，在每一个钻孔安装孔口装置，然后在钻孔内注满水；

S3，将能量转换器与脉冲功率驱动源连接；然后将能量转换器放置在所述钻孔中，能量转换器的冲击波输出窗口对准所述弱保护层；

S4，启动脉冲功率驱动源向能量转换器放电，能量转换器产生的冲击波将顶面岩层致裂；所述冲击波的强度为220-229MPa；多个钻孔实施冲击波作业后产生的裂缝形成裂缝带，也即形成弱保护层。

优选的，所述能量转换器包括地电极、高压电极、绝缘支撑、外壳和电缆接口，所述外壳为圆筒状结构，其内部中空，高压电极通过绝缘支撑固定在外壳前端，电缆接口端部的电缆线穿过所述外壳后端、绝缘支撑与高压电极后端连接，地电极通过两个冲击波定向反射弧板与外壳前端连接，且地电极与高压电极前端相对设置，两个冲击波定向反射弧板对称设置在外壳的前端，且两个冲击波定向反射弧板相对的一侧均为圆弧面；两个冲击波定向反射弧板与地电极、外壳围合成的开口为冲击波输出窗口。

优选的，所述地电极与高压电极通过金属丝连接。

优选的，所述脉冲功率驱动源电储能大于100kJ。

优选的，所述孔口装置包括卡接在钻孔孔口的胀套，胀套上端的环形固定板下表面与钻孔边缘接触，胀套内套设有管状的锥套，锥套下端的锥状口卡接在胀套下端周向设置的膨胀片内，膨胀片向外凸出并与钻孔孔壁紧密接触，所述膨胀片与胀套下端为弹性连接；锥套上端左右两侧设有连接板，连接板上设有螺杆，螺杆穿过连接板上的螺纹孔后与抵接板活动连接，抵接板下端与所述环形固定板上表面接触，锥套内设有单向阀，锥套上端设有与所述能量转换器适配的连接部，连接部上设有密封圈。

优选的，能量转换器放电后，在地电极一侧重新补充一根金属丝。

优选的，能量转换器对每组钻孔实施冲击波的方向位于同一平面。

优选的，步骤S4还包括以下操作，采用内窥镜观察该次致裂后顶面岩层中钻孔内壁产生的裂缝大小，其宽度若没有达到设定的裂缝宽度时，向所述钻孔注满水，并启动脉冲功率驱动源再次放电，直至顶面岩层裂缝达到设定的宽度，所述设定的裂缝宽度大于10nm。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的矿井巷道上方弱保护层的形成方法，通过钻孔，经多次数的低强度冲击波对岩层进行致裂，制造的弱保护层以防止冲击矿压；本发明利用疲劳效应原理致裂岩层，更加安全、环保，克服了通过炸药爆炸来产生冲击波使岩层致裂存在危险性大、环保性差的问题。

2.冲击波定向输出将钻孔连线区域的岩层充分致裂，从而形成了弱保护层，同时避免了冲击波未定向输出而导致其余区域的顶面岩层被致裂的问题。

3.当金属丝将地电极与高压电极连接后进行冲击波作业时，能够提高能量转换器的转换效率，进而提升了致裂岩层的效果。

4.本发明提供的矿井巷道上方弱保护层的形成方法，采用电液效应产生冲击波，只要对脉冲功率驱动源补充电能就可连续工作，因此提高了矿产资源开采的效率。

5.本发明通过顶板位移监测装置来检测弱保护层的强度，在发现某一区域的弱保护层形成程度不够时，可通过随时补打钻孔，进行预裂补充，从而进一步保证了弱保护层的形成，避免了冲击矿压的发生。

6.本发明提供的矿井巷道上方弱保护层的形成方法，提高了矿产资源开采的环保性和安全性。

附图说明

图1为矿井巷道上方形成弱保护层的示意图；

图2为能量转换器结构示意图；

图3为图2中冲击波定向反射弧板的剖视图；

图4为孔口装置的结构示意图；

图5为图4的剖视图。

附图标记如下：

1-地电极，2-金属丝，3-高压电极，4-绝缘支撑，5-外壳，6-电缆接口，7-冲击波定向反射弧板，8-矿井巷道，9-顶面岩层，10-弱保护层，11-孔口装置，12-能量转换器，20-胀套，21-环形固定板，22-锥套，23-膨胀片，24-连接板，25-螺杆，26-抵接板，27-单向阀，28-密封圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，包括能量转换器12和孔口装置11。

如图2、图3所示，能量转换器12包括地电极1、金属丝2、高压电极3、绝缘支撑4、外壳5、电缆接口6和冲击波定向反射弧板7。

外壳5为圆筒状结构，其内部中空，高压电极3通过绝缘支撑4固定在外壳5端部，电缆接口6端部的电缆线穿过外壳5本体、绝缘支撑4后与高压电极3后端连接，地电极1通过两个冲击波定向反射弧板7与外壳5前端连接，且地电极1与高压电极3前端相对设置，两个冲击波定向反射弧板7对称设置在外壳5的前端，且两个冲击波定向反射弧板7相对的一侧为圆弧面；两个冲击波定向反射弧板7与地电极1、外壳5围合成的开口为冲击波输出窗口。

地电极1与高压电极3通过金属丝2连接。金属丝2可选择性使用，当金属丝2将地电极1与高压电极3连接后进行冲击波作业时，能够提高能量转换器12的转换效率，进而提升了致裂顶面岩层9的效果。

如图4、图5所示，孔口装置11包括卡接在钻孔孔口的胀套20，胀套20上端的环形固定板21下表面与钻孔边缘接触，胀套20内套设有管状的锥套22，锥套22下端的锥状口卡接在胀套20下端周向设置的膨胀片23内，膨胀片23向外凸出并与钻孔孔壁紧密接触，进而将孔口装置11与钻孔固定，膨胀片23与胀套20下端为弹性连接，弹性连接便于膨胀片23自动恢复至原来的位置，使得膨胀片23能够再次向外凸出将孔口装置11固定。

锥套22上端左右两侧设有连接板24，连接板24上设有螺杆25，螺杆25穿过连接板24上的螺纹孔后与抵接板26活动连接，抵接板26下端与环形固定板21上表面接触，旋转螺杆25使其向下移动时可将锥套22上移，进而可将锥套22下端的锥状口卡接在胀套20下端，从而实现膨胀片23向外凸出并与钻孔孔壁紧密接触，锥套22下移时可将锥套22下端的锥状口与膨胀片23脱开，进而可将孔口装置11取下。

锥套22内设有单向阀27，单向阀27可避免注水完毕时大量的水从钻孔中流出，锥套22上端设有与所述能量转换器12适配的连接部，连接部上设有密封圈28，能量转换器12前端放入钻孔中时，能量转换器12后端通过上述连接部连接固定，密封圈28可将连接处密封进而避免钻孔中水流出。

本发明的工作原理是采用脉冲功率驱动源对地电极1与高压电极3之间安装的金属丝2进行放电，放电电流致金属丝2电爆炸形成等离子体电弧通道(不采用金属丝2时，脉冲功率驱动源对地电极1与高压电极3之间的水直接放电，放电后产生的高电压脉冲击穿水间隙也可形成等离子体电弧通道)；所产生的等离子体电弧在后续强大的放电电流下对水直接加热，并迅速使周围水介质升温、气化、膨胀，进而推动外围的水产生球面波冲击波。冲击波的强度可根据脉冲功率驱动源的储能量和输出电压进行控制。

能量转换器12上金属丝2电爆炸产生的一部分冲击波从冲击波输出窗口直接输出，其余部分的冲击波经冲击波定向反射弧板7上圆弧面反射后从冲击波输出窗口输出；冲击波定向反射弧板7上圆弧面采用不同的弧度能够将冲击波以不同的方向从冲击波输出窗口输出；进而实现了冲击波的定向输出，如图1所示，冲击波定向输出将钻孔连线区域的岩层充分致裂，从而形成了弱保护层10。同时避免了冲击波未定向输出而导致其余区域的顶面岩层9被致裂的问题。

本发明提供的矿井巷道上方弱保护层的形成方法，参见图1，具体包括以下步骤：

S1，根据矿井巷道顶面岩层9的力学性质和冲击波致裂顶面岩层9的有效距离，设定矿井巷道顶面岩层9的作业方案；作业方案包括钻孔的位置及数量，以及每个钻孔的实施冲击波的强度和次数。

设定作业方案前，对顶面岩层9上钻孔进行不同强度的冲击波试验，完成冲击波试验后，利用内窥镜或通过三维地震勘探的方法对预裂后的顶面岩层9进行检查，从而能够得到适用于该顶面岩层9的裂隙尺度、范围以及冲击波实施强度、次数。

优选钻孔的直径为113-153mm，相邻的两个钻孔之间的距离为5-10m；通过设置钻孔的位置及数量，也即通过设置钻孔的密度可控制顶面岩层9的致裂精度；通过设置冲击波强度和作用次数可控制顶面岩层9的致裂程度。也即能够将弱保护层10形成设定的大小。

钻孔包括沿矿井巷道8延伸方向布置的多组钻孔，每组钻孔均包括多个钻孔，每组中多个钻孔的轴线位于同一平面，每组钻孔的孔口在顶面岩层9上平均分布，钻孔与设定的弱保护层10相交，且相交处在弱保护层10上平均分布；从而可使形成的弱保护层10均衡致裂。

能量转换器12对每组钻孔实施冲击波的方向位于同一平面。从而能够利用冲击波定向输出将钻孔连线区域的顶面岩层9充分致裂，形成裂缝带。

通过钻孔经过多次数的低强度冲击波对顶面岩层9进行预裂，优选冲击波的强度为220-229MPa、脉宽40微秒。该方式利用了疲劳效应致裂顶面岩层9，因此可以更加安全、环保地通过人工制造弱保护层10，进而防止冲击矿压。

按上述作业方案在矿井巷道8顶面岩层9打出钻孔。

S2，在每一个钻孔9孔口处安装孔口装置11，孔口装置11用于固定能量转换器12并将孔口封闭，安装好孔口装置11后在钻孔内注满水。

S3，将能量转换器12通过同轴电缆与脉冲功率驱动源连接，脉冲功率驱动源自成一体置于密封壳体中，其电储能大于100kJ，经同轴电缆输出纯电能高压并通过能量转换器12放电产生冲击波。

采用钻机将能量转换器12放置在上述钻孔中，使能量转换器12的冲击波输出窗口位于所述弱保护层10中间部分，并使能量转换器12的地电极1、高压电极3与钻孔内的水完全接触以产生等离子体电弧，所产生的等离子体电弧与水反应形成冲击波从冲击波输出窗口输出。

S4，启动脉冲功率驱动源使其对储能电容器充电，储能电容器的电能达到控制开关的工作阈值后，脉冲功率驱动源向能量转换器12放电，能量转换器12产生的冲击波将顶面岩层9致裂；

采用内窥镜观察该次致裂后顶面岩层9中钻孔内壁形成的裂缝，若裂缝处最大宽度没有达到10nm(设定的裂缝宽度大于10nm)时，再次向所述钻孔注满水，并启动脉冲功率驱动源再次放电，直至顶面岩层9上的裂缝达到设定宽度。

实施例中通过钻孔经过10次左右的低强度冲击波作业，使顶面岩层9裂缝宽度均达到10nm以上。

脉冲功率驱动源通过反复充电、放电从而能够再次产生冲击波；脉冲功率驱动源使用金属丝2放电后，金属丝2电爆炸后报废，再次放电时需要在能量转换器12地电极1一侧重新补充一根金属丝2。

通过冲击波的强度和冲击次数来控制致裂顶面岩层9的程度，以钻孔间的距离控制致裂顶面岩层9精度，多个钻孔实施冲击波作业后产生的裂缝在形成裂缝带，也即形成了一个人工弱保护层10，如图1所示，形成的弱保护层10能够防止冲击矿压。

形成弱保护层10后，安装顶板位移监测装置，对顶板实施一定的压力进而能够通过顶板位移监测装置来检测弱保护层10的强度。在发现某一区域的弱保护层10形成程度不够时，通过随时补打钻孔，进行预裂补充，从而进一步保证了弱保护层的形成，避免了冲击矿压的发生。

本发明提供的矿井巷道上方弱保护层的形成方法，通过钻孔，经多次数的低强度冲击波对岩层进行致裂，制造的弱保护层以防止冲击矿压；本发明利用疲劳效应原理致裂岩层，更加安全、环保，克服了通过炸药爆炸来产生冲击波使岩层致裂存在危险性大、环保性差的问题。

冲击波定向输出将钻孔连线区域的岩层充分致裂，从而形成了弱保护层，同时避免了冲击波未定向输出而导致其余区域的顶面岩层被致裂的问题。

当金属丝将地电极与高压电极连接后进行冲击波作业时，能够提高能量转换器的转换效率，进而提升了致裂岩层的效果。

本发明提供的矿井巷道上方弱保护层的形成方法，采用电液效应产生冲击波，只要对脉冲功率驱动源补充电能就可连续工作，因此提高了矿产资源开采的效率。

通过顶板位移监测装置来检测弱保护层的强度，在发现某一区域的弱保护层形成程度不够时，通过随时补打钻孔，进行预裂补充，从而进一步保证了弱保护层的形成，避免了冲击矿压的发生。

本发明提供的矿井巷道上方弱保护层的形成方法，利用脉冲功率驱动源通过能量转换器对岩层实施冲击波作业，脉冲功率驱动源对地电极与高压电极之间的水直接放电，所产生的等离子体电弧在后续强大的放电电流下对水直接加热，并迅速使周围水介质升温、气化、膨胀，进而推动外围的水产生球面波，球面波冲击波能够将岩层致裂，最终形成弱保护层；脉冲功率驱动源能够根据其储存的能量和输出电压来精细控制控制输出冲击波的强度，进而便于工作人员控制其产生的冲击波强度和时机，因此提高了致裂过程中的安全性，保障了生产人员的生命安全，避免了使用火工品爆破不易控制而引发的安全问题，以及炸药引起冲击矿压的问题；同时脉冲功率驱动源能够避免火工品爆破时产生有毒气体(如氮氧化物、一氧化碳)的问题，从而提高了矿产资源开采的环保性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，其特征在于：包括以下步骤；

S1，设定矿井巷道(8)顶面岩层(9)的钻孔位置及数量，在顶面岩层(9)上打出钻孔，所述钻孔包括沿矿井巷道(8)延伸方向布置的多组钻孔，每组钻孔轴线位于同一平面，每组钻孔的孔口在顶面岩层(9)上平均分布，钻孔与设定的弱保护层(10)相交，且相交处在弱保护层(10)上平均分布；

S2，在每一个钻孔安装孔口装置(11)，然后在钻孔内注满水；

S3，将能量转换器(12)与脉冲功率驱动源连接；然后将能量转换器(12)放置在所述钻孔中，能量转换器(11)的冲击波输出窗口对准所述弱保护层(10)；

S4，启动脉冲功率驱动源向能量转换器(12)放电，能量转换器(12)产生的冲击波将顶面岩层(9)致裂；所述冲击波的强度为220-229MPa；多个钻孔实施冲击波作业后产生的裂缝形成裂缝带，也即形成弱保护层(10)。

2.根据权利要求1所述的一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，其特征在于：所述能量转换器(12)包括地电极(1)、高压电极(3)、绝缘支撑(4)、外壳(5)和电缆接口(6)，所述外壳(5)为圆筒状结构，其内部中空，高压电极(3)通过绝缘支撑(4)固定在外壳(5)前端，电缆接口(6)端部的电缆线穿过所述外壳(5)后端、绝缘支撑(4)与高压电极(3)后端连接，地电极(1)通过两个冲击波定向反射弧板(7)与外壳(5)前端连接，且地电极(1)与高压电极(3)前端相对设置，两个冲击波定向反射弧板(7)对称设置在外壳(5)的前端，且两个冲击波定向反射弧板(7)相对的一侧均为圆弧面；两个冲击波定向反射弧板(7)与地电极(1)、外壳(5)围合成的开口为冲击波输出窗口。

3.根据权利要求2所述的一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，其特征在于：所述地电极(1)与高压电极(3)通过金属丝(2)连接。

4.根据权利要求1所述的一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，其特征在于：所述脉冲功率驱动源电储能大于100kJ。

5.根据权利要求1所述的一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，其特征在于：所述孔口装置(11)包括卡接在钻孔孔口的胀套(20)，胀套(20)上端的环形固定板(21)下表面与钻孔边缘接触，胀套(20)内套设有管状的锥套(22)，锥套(22)下端的锥状口卡接在胀套(20)下端周向设置的膨胀片(23)内，膨胀片(23)向外凸出并与钻孔孔壁紧密接触，所述膨胀片(23)与胀套(20)下端为弹性连接；锥套(22)上端左右两侧设有连接板(24)，连接板(24)上设有螺杆(25)，螺杆(25)穿过连接板(24)上的螺纹孔后与抵接板(26)活动连接，抵接板(26)下端与所述环形固定板(21)上表面接触，锥套(22)内设有单向阀(27)，锥套(22)上端设有与所述能量转换器(12)适配的连接部，连接部上设有密封圈(28)。

6.根据权利要求3所述的一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，其特征在于：所述能量转换器(12)放电后，在地电极(1)一侧重新补充一根金属丝(2)。

7.根据权利要求6所述的一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，其特征在于：能量转换器(12)对每组钻孔实施冲击波的方向位于同一平面。

8.根据权利要求1所述的一种矿井巷道上方弱保护层的形成方法，其特征在于：步骤S4还包括以下操作，采用内窥镜观察该次致裂后顶面岩层(9)中钻孔内壁产生的裂缝大小，其宽度若没有达到设定的裂缝宽度时，向所述钻孔注满水，并启动脉冲功率驱动源再次放电，直至顶面岩层(9)裂缝达到设定的宽度，所述设定的裂缝宽度大于10nm。

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