CN111472778A - 一种煤层中石块的预裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤层中石块的预裂方法，以解决目前使用炸药对采煤工作面的煤层中石块进行预裂存在危险性高、环保性差的问题。该煤层中石块的预裂方法，包括以下步骤；S1，设定煤层石块上的钻孔位置及数量，在石块上打出钻孔，所述钻孔孔口均布在巷道中石块裸露部分的中心线上，且钻孔底部延伸至石块末端；所述钻孔均在采煤工作面两侧的巷道向石块开设；S2，在每一个钻孔安装密封装置，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；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煤层中石块致裂；冲击波的强度为240‑254Mpa；多个钻孔产生的裂缝形成缝网，从而完成整个石块的预裂。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤层中石块的预裂方法。
背景技术
我国一次消费能源主要依靠煤炭供给，且长期占比达到60％以上，是我国工业化发展的主要支柱。然而，煤层中的夹矸、侵入岩严重影响了煤炭生产效率。目前在煤炭开采过程中，采煤机在采煤工作面遇到夹矸或者侵入岩时，首先需暂停采煤工作，用炸药等火工品将夹矸或者侵入岩致裂，然后才能继续采煤。当炸药无法将夹矸或者侵入岩致裂时，只能抛弃含夹矸、侵入岩的煤层，进而造成了煤炭资源的浪费，同时影响了生产进度。炸药等火工品在预裂煤层中石块(夹矸、侵入岩)中有较大的技术优势，但炸药爆破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，因此，炸药的使用受到的管制越来越严格，导致煤炭资源开采的效率下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤层中石块的预裂方法，以解决目前使用炸药对采煤工作面的煤层中石块进行预裂存在危险性高、环保性差的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种煤层中石块的预裂方法，包括以下步骤；
S1，设定煤层石块上的钻孔位置及数量，在石块上打出钻孔，所述钻孔孔口均布在巷道中石块裸露部分的中心线上，且钻孔底部延伸至石块末端；所述钻孔均在采煤工作面两侧的巷道向石块开设；
S2，在每一个钻孔安装密封装置，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；
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煤层中石块致裂；所述冲击波的强度为240-254Mpa；多个钻孔产生的裂缝形成缝网，从而完成整个石块的预裂。
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端部，电缆接口端部的电缆线穿过所述外壳本体、绝缘支撑与高压电极后端连接，地电极沿外壳的长度方向设置并与外壳连接，且地电极与高压电极前端相对设置。
优选的，所述地电极与高压电极通过金属丝连接，所述能量转换器放电后，在地电极一侧重新补充一根金属丝。
优选的，所述脉冲功率驱动源电储能大于100kJ。
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石块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，直至石块裂缝达到设定的宽度，所述设定的裂缝宽度大于10nm。
优选的，所述钻孔内设有一个或一个以上的作业段，相邻两个作业段的距离为5-10m，所述能量转换器对所述作业段从钻孔底部向外依次实施冲击波作业，脉能量转换器的冲击波输出窗口对准所述作业段的中点。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的煤层中石块的预裂方法，通过钻孔，经多次数的低强度冲击波对石块进行预裂，利用疲劳效应原理致裂石块，更加安全、环保，克服了通过炸药爆炸来产生冲击波使煤层中石块预裂存在危险性大、环保性差的问题。
2.在采煤前，从工作面两侧的巷道通过冲击波将石块预裂，进而在采煤时能够避免需暂停采煤工作进行致裂石块带来的诸多不便，因此本发明的方法不会影响生产进度，从而大幅提高了煤炭开采效率。
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，进而提升了石块预裂的效果。
4.本发明的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，因此提高了石块预裂的效率。
5.预裂后的石块能够通过采煤机开采，因此在采煤时不影响采煤机的生产进度，进而可大幅提高煤矿的生产效率。
6.钻孔在石块中心线上平均分布能够使石块被均衡致裂，避免了石块致裂不均衡而导致部分石块无法被采煤机开采的问题。
7.本发明提供的煤层中石块的预裂方法，提高了煤层中石块预裂的环保性和安全性。
附图说明
图1为本发明煤层中夹矸预裂示意图；
图2为本发明煤层中侵入岩预裂示意图；
图3为能量转换器结构示意图。
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-煤层，8-石块，9-钻孔，10-密封装置，11-能量转换器。
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：
一种煤层中石块的预裂方法，包括能量转换器11。
如图3所示，能量转换器11包括地电极1、金属丝2、高压电极3、绝缘支撑4、外壳5和电缆接口6。
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沿外壳5的长度方向设置并与外壳5连接，且地电极1与高压电极3前端相对设置。如图1所示，地电极1、高压电极3以及地电极1与外壳5连接部分为豁开管状结构，地电极1、高压电极3之间裸露的部分即为冲击波输出窗口。
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11的转换效率，进而提升了致裂煤层7中石块8的效果。
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，球面波冲击波能够将煤层7中石块8致裂。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。
本发明提供的煤层中石块的预裂方法，图1中所述石块为夹矸，图2中所述石块为侵入岩，夹矸与侵入岩的预裂方法均包括以下步骤；
S1，根据煤层7中石块8的力学性质和冲击波致裂煤层7中石块8的有效距离，设定煤层7中石块8的作业方案；所述作业方案包括钻孔9的位置及数量，以及每个钻孔9实施冲击波的强度和次数。
设定作业方案前，对石块8上钻孔9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石块8进行检查，从而能够得到适用于该石块8的裂隙尺度、范围以及冲击波实施强度、次数。
通过能量转换器11产生的冲击波强度和冲击次数控制预裂程度，以钻孔9间的距离控制预裂精度，使得预裂后石块8能够通过采煤机开采，因此在采煤时不影响采煤机的生产进度，进而可大幅提高煤矿的生产效率。
钻孔9均在采煤工作面两侧的巷道向石块8内部开设，钻孔9的长度均在预设的采煤工作面范围之内设置，因此避免了将预设采煤工作面之外的石块8致裂而导致增加工作量的问题。
在巷道中石块8裸露部分的中心线上设置钻孔9，钻孔9数量为一个或一个以上，钻孔9在石块8中心线上平均分布，且钻孔9底部延伸至石块8的末端，优选钻孔11的直径为113-153mm，相邻的两个钻孔11之间的距离为15-20m；钻孔9在中心线上平均分布能够使石块8被均衡致裂，避免了石块8致裂不均衡而导致部分石块8无法被采煤机开采的问题。
钻孔9内设有一个或一个以上的作业段，优选相邻两个作业段的距离为5-10m，多个作业段致裂效果更好，所述能量转换器11对所述作业段从钻孔9底部向外依次实施冲击波作业，能量转换器11的冲击波输出窗口对准所述作业段的中点。
通过钻孔9经过多次数的低强度冲击波对石块8进行预裂，优选冲击波的强度为240-254MPa、脉宽40微秒。一个作业段完成冲击波作业后，向外依次对该钻孔9的其余作业段实施冲击波作业。通过钻孔9进行多次、多点预裂石块8，从而将石块8进行整体预裂。该方式利用了疲劳效应致裂煤层7中石块8，因此可以更加安全、环保地破裂石块7。
按上述作业方案在煤层7中石块8上打出钻孔9。
S2，在每一个钻孔9孔口处安装密封装置10，密封装置10用于固定能量转换器11并将孔口封闭，安装好密封装置10后在钻孔9内注满水。密封装置10可采用四通阀。
S3，将能量转换器11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11放电产生冲击波。
采用钻机将能量转换器11放置在上述钻孔9中，使能量转换器11的冲击波输出窗口朝向钻孔9最深处作业段的中点，并使能量转换器11的地电极1、高压电极3与钻孔9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11放电，能量转换器11产生的冲击波将石块7预裂；
采用内窥镜观察该次致裂后石块7中钻孔9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9注满水，并启动脉冲功率驱动源再次放电，直至石块7上的裂缝达到设定宽度。
实施中通过钻孔9经过10次左右的低强度冲击波作业，石块7预裂裂缝宽度均达到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11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预裂石块7的程度，以钻孔9间的距离控制预裂石块7精度，使得多个钻孔9产生设定大小的裂缝，多个钻孔9实施冲击波作业后产生的裂缝形成缝网，从而完成整个石块8的预裂。
在采煤过程中，若发现石块7存在预裂程度不够的区域时，可通过增加新的钻孔9来将石块7充分致裂，从而保证采煤的顺利进行。
夹矸预裂后的示意图如图1所示，侵入岩预裂后的示意图如图2所示。在采煤时能够避免需暂停采煤工作来进行致裂夹矸或侵入岩工作带来的诸多不便，因此本发明的方法不会影响生产进度，从而大幅提高了煤炭开采效率。
本发明提供的煤层中石块的预裂方法，通过钻孔，经多次数的低强度冲击波对石块进行预裂，利用疲劳效应原理致裂石块，更加安全、环保，克服了通过炸药爆炸来产生冲击波使煤层中石块预裂存在危险性大、环保性差的问题。
在采煤前，从工作面两侧的巷道侧向石块(夹矸、侵入岩)钻孔，通过能量转换器产生的冲击波将石块预裂，进而在采煤时能够避免需暂停采煤工作来进行致裂石块工作带来的诸多不便，因此本发明的方法不会影响生产进度，从而大幅提高了煤炭开采效率。
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，进而提升了石块预裂的效果。
本发明的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，因此提高了石块预裂的效率。
通过能量转换器产生的冲击波强度和冲击次数控制预裂程度，以钻孔间的距离控制预裂精度，使得石块预裂后石块能够通过采煤机开采，因此在采煤时不影响采煤机的生产进度，进而可大幅提高煤矿的生产效率。
钻孔在石块中心线上平均分布能够使石块被均衡致裂，避免了石块致裂不均衡而导致部分石块无法被采煤机开采的问题。
本发明提供的煤层中石块的预裂方法，利用脉冲功率驱动源通过能量转换器对石块实施冲击波作业，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石块预裂；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，因此提高了预裂过程中的安全性，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；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，从而提高了石块预裂的环保性。
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 (6)
1.一种煤层中石块的预裂方法，其特征在于：包括以下步骤；
S1，设定煤层(7)石块(8)上的钻孔(9)位置及数量，在石块(8)上打出钻孔(9)，所述钻孔(9)孔口均布在巷道中石块(8)裸露部分的中心线上，且钻孔(9)底部延伸至石块(8)末端；所述钻孔(9)均在采煤工作面两侧的巷道向石块(8)开设；
S2，在每一个钻孔(9)安装密封装置(10)，然后在钻孔(9)内注满水；
S3，将能量转换器(11)与脉冲功率驱动源连接；然后将能量转换器(11)放置在所述钻孔(9)中；
S4，启动脉冲功率驱动源向能量转换器(11)放电，能量转换器(11)产生的冲击波将煤层(7)中石块(8)致裂；所述冲击波的强度为240-254Mpa；多个钻孔(9)产生的裂缝形成缝网，从而完成整个石块(8)的预裂。
2.根据权利要求1所述的一种煤层中石块的预裂方法，其特征在于：所述能量转换器(11)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)端部，电缆接口(6)端部的电缆线穿过所述外壳(5)本体、绝缘支撑(4)与高压电极(3)后端连接，地电极(1)沿外壳(5)的长度方向设置并与外壳(5)连接，且地电极(1)与高压电极(3)前端相对设置。
3.根据权利要求2所述的一种煤层中石块的预裂方法，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，所述能量转换器(11)放电后，在地电极(1)一侧重新补充一根金属丝(2)。
4.根据权利要求1所述的一种煤层中石块的预裂方法，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所述的一种煤层中石块的预裂方法，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石块(8)中钻孔(9)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(9)注满水，并启动脉冲功率驱动源再次放电，直至石块(8)裂缝达到设定的宽度，所述设定的裂缝宽度大于10nm。
6.根据权利要求1所述的一种煤层中石块的预裂方法，其特征在于：所述钻孔(9)内设有一个或一个以上的作业段，相邻两个作业段的距离为5-10m，所述能量转换器(11)对所述作业段从钻孔(9)底部向外依次实施冲击波作业，脉能量转换器(11)的冲击波输出窗口对准所述作业段的中点。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20200731 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |