CN111472779A - 一种煤层坚硬顶板预裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层坚硬顶板预裂方法，以解决煤层上方坚硬顶板难以自然冒落形成悬顶，进而导致冲击矿压的问题。该煤层坚硬顶板预裂方法，包括以下步骤；S1，设定煤层坚硬顶板上的钻孔位置及数量；在坚硬顶板上打出钻孔，所述钻孔在煤层上开孔并倾斜向上设置，钻孔的底部延伸至坚硬顶板基本顶区域的上端；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；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坚硬顶板致裂；所述冲击波的强度为255‑264MPa；多个钻孔实施冲击波作业后产生的裂缝形成预裂带，即完成坚硬顶板的预裂。

Description

一种煤层坚硬顶板预裂方法

技术领域

本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤层坚硬顶板预裂方法。

背景技术

矿产资源是工业化的物质基础，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。目前在开采煤层时，沿煤层的底板或煤层某一厚度范围内的底部布置一个采高为2-3m的采煤工作面，用综合机械化方式进行回采。在回采的过程中，煤层上方坚硬顶板难以自然冒落，从而形成悬顶，形成的悬顶则会存在安全隐患导致冲击矿压，因此难以自然冒落的坚硬顶板是煤炭生产中的主要灾害。目前有采用顶板支护的方法，但顶板支护时易产生受力不均的现象，受力大的支架被压断从而引起大冒顶；也有采用水力压裂等弱化坚硬顶板力学性质的方法，但该方法致裂效果较差，不能避免悬顶造成的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤层坚硬顶板预裂方法，以解决煤层上方坚硬顶板难以自然冒落形成悬顶，进而导致冲击矿压的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种煤层坚硬顶板预裂方法，包括以下步骤；

S1，设定煤层坚硬顶板上的钻孔位置及数量；在坚硬顶板上打出钻孔，所述钻孔在煤层上开孔并倾斜向上设置，钻孔的底部延伸至坚硬顶板基本顶区域的上端；

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；

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坚硬顶板致裂；所述冲击波的强度为255-264MPa；多个钻孔实施冲击波作业后产生的裂缝形成预裂带，即完成坚硬顶板的预裂。

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，每个作业段的长度依据钻孔内岩层的力学性质设置，使得钻孔内的坚硬顶板能够被均衡致裂；所述能量转换器对所述作业段自上而下实施冲击波作业，能量转换器的冲击波输出窗口对准所述作业段的中点。

优选的，步骤S2中安装孔口装置之前需设置封孔段，设置封孔段的步骤包括在钻孔内安装与钻孔适配的PVC管，PVC管设置在钻孔的煤层部分，PVC管设置好后在PVC管外壁与钻孔之间注入水泥浆。

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坚硬顶板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，直至坚硬顶板裂缝达到设定的宽度，所述设定的裂缝宽度大于10nm。

优选的，所述脉冲功率驱动源电储能大于100kJ。

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。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的煤层坚硬顶板预裂方法，通过钻孔，经多次数的低强度冲击波对坚硬顶板进行预裂，进而防止冲击矿压；本发明利用疲劳效应原理致裂坚硬顶板，该方式安全、环保，且致裂效果好，克服了通过水力压裂存在致裂效果较差，以及通过顶板支护存在受力不均的问题。

2.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。

3.本发明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，因此提高了煤炭开采的效率。

4.每个作业段的长度依据钻孔内岩层的力学性质设置，使坚硬顶板能够被均衡致裂，避免了钻孔致裂不均衡而导致坚硬顶板难以形成预裂带的问题。

5.在钻孔内煤层部分设置PVC管能够在致裂坚硬顶板时避免冲击波伤害到煤层。

6.本发明提供的煤层坚硬顶板预裂方法，提高了煤炭开采的效率。

附图说明

图1为本发明煤层坚硬顶板预裂示意图；

图2为能量转换器结构示意图；

图3为孔口装置的结构示意图；

图4为图3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-煤层，8-坚硬顶板，9-钻孔，10-能量转换器，11-孔口装置，12-PVC管，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：

一种煤层顶煤预裂方法，包括能量转换器10和孔口装置11。

如图2所示，能量转换器10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2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的转换效率，进而提升了致裂煤层7坚硬顶板8的效果。

如图3、图4所示，孔口装置11包括卡接在钻孔9孔口的胀套20，胀套20上端的环形固定板21下表面与钻孔9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9孔壁紧密接触，进而将孔口装置11与钻孔9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9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9中流出，锥套22上端设有与所述能量转换器10适配的连接部，连接部上设有密封圈28，能量转换器10前端放入钻孔9中时，能量转换器10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9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，球面波冲击波能够将煤层7坚硬顶板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。

本发明提供的煤层坚硬顶板预裂方法，参见图1，具体包括以下步骤；

S1，根据煤层7坚硬顶板8的力学性质和冲击波致裂坚硬顶板8的有效距离，设定煤层7坚硬顶板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，对坚硬顶板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坚硬顶板8进行检查，从而能够得到适用于该坚硬顶板8的裂隙尺度、范围以及冲击波实施强度、次数。

优选钻孔9的直径为113-153mm，相邻的两个钻孔9之间的距离为10-15m；通过设置钻孔9的位置及数量，也即通过设置钻孔9的密度可控制煤层7坚硬顶板8的预裂精度；通过设置冲击波强度和作用次数可控制待放坚硬顶板8的预裂程度。

钻孔9在煤层7上开孔并倾斜向上设置，钻孔9的底部延伸至坚硬顶板8基本顶区域的上端，基本顶为坚硬顶板8最顶部的部分，因此钻孔9延伸至基本顶能够将整个坚硬顶板8致裂。

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，每个作业段的长度依据钻孔9内岩层的力学性质设置，进而可在致裂后使钻孔9内的坚硬顶板8能够被均衡致裂，避免了钻孔9致裂不均衡而导致坚硬顶板8难以形成预裂带的问题。

脉冲功率驱动源对所述作业段自上而下依次实施冲击波作业，脉冲功率驱动源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坚硬顶板8进行预裂，优选冲击波的强度为255-264MPa、脉宽40微秒。通过钻孔9进行多次、多点预裂坚硬顶板8，从而将坚硬顶板8进行整体预裂。该方式利用了疲劳效应致裂坚硬顶板8，因此能够以更加安全的方式制造预裂带，进而防止冲击矿压。

按上述作业方案在煤层7坚硬顶板8上打出钻孔9。

S2，在钻孔9处设置封孔段，设置封孔段的步骤包括在钻孔9内安装与钻孔9适配的PVC管12，PVC管12设置在钻孔9的煤层7部分，PVC管12设置好后在PVC管12外壁与钻孔9之间注入水泥浆。在煤层7部分设置PVC管12能够在致裂坚硬顶板8时避免冲击波伤害到煤层7。

封孔段设置完毕后安装孔口装置11，孔口装置11用于固定能量转换器10并将孔口封闭，安装好孔口装置11后在钻孔9内注满水。

S3，将能量转换器10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10放电产生冲击波。

采用钻机将能量转换器10放置在上述钻孔9中，使能量转换器10的冲击波输出窗口朝向钻孔9内最深处的作业段中点，并使能量转换器的地电极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10放电，能量转换器10产生的冲击波将坚硬顶板8致裂；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，从而能够避免采用水力压裂方法存在致裂效果较差的问题。

采用内窥镜观察该次致裂后坚硬顶板8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，直至坚硬顶板8上的裂缝达到设定宽度。

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坚硬顶板8的程度，以钻孔9间的距离控制预裂坚硬顶板8精度，使得多个钻孔9产生设定大小的裂缝，多个钻孔9产生的裂缝形成一个预裂带，即完成坚硬顶板8的预裂，进而能够防止冲击矿压。

在采煤过程中，若发现坚硬顶板8存在预裂程度不够的区域时，可通过增加新的钻孔9来将该区域坚硬顶板8充分致裂，从而保证采煤的顺利进行。

本发明提供的煤层坚硬顶板预裂方法，通过钻孔，经多次数的低强度冲击波对坚硬顶板进行预裂，进而防止冲击矿压；本发明利用疲劳效应原理致裂坚硬顶板，该方式安全、环保，且致裂效果好，克服了通过水力压裂存在致裂效果较差，以及通过顶板支护存在受力不均的问题。

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，因此提高了煤炭开采的效率。

钻孔内包括一个或一个以上的作业段，每个作业段的长度依据钻孔内岩层的力学性质设置，进而可在致裂后使钻孔内的坚硬顶板能够被均衡致裂，避免了钻孔致裂不均衡而导致坚硬顶板难以形成预裂带的问题。

在钻孔内煤层部分设置PVC管能够在致裂坚硬顶板时避免冲击波伤害到煤层。

本发明提供的煤层坚硬顶板预裂方法，利用脉冲功率驱动源通过能量转换器对坚硬顶板实施冲击波作业，脉冲功率驱动源对地电极与高压电极之间的水直接放电，放电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，球面波冲击波将坚硬顶板致裂；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，避免了采用水力压裂方法存在致裂效果较差的问题，同时提高了致裂过程中的安全性，保障了生产人员的生命安全，因此本发明的方法能够适用于坚硬顶板的预裂，使其自然冒落，避免发生冲击矿压的问题，从而进一步提高煤炭开采的效率。

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)

1.一种煤层坚硬顶板预裂方法，其特征在于：包括以下步骤；

S1，设定煤层(7)坚硬顶板(8)上的钻孔(9)位置及数量；在坚硬顶板(8)上打出钻孔(9)，所述钻孔(9)在煤层(7)上开孔并倾斜向上设置，钻孔(9)的底部延伸至坚硬顶板(8)基本顶区域的上端；

S2，在每一个钻孔(9)安装孔口装置(12)，然后在钻孔(9)内注满水；

S3，将能量转换器(10)与脉冲功率驱动源连接；然后将能量转换器(10)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(10)放电，能量转换器(10)产生的冲击波将煤层(7)坚硬顶板(8)致裂；所述冲击波的强度为255-264MPa；多个钻孔(9)实施冲击波作业后产生的裂缝形成预裂带，即完成坚硬顶板(8)的预裂。

2.根据权利要求1所述的一种煤层坚硬顶板预裂方法，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，每个作业段的长度依据钻孔(9)内岩层的力学性质设置，使得钻孔(9)内的坚硬顶板(8)能够被均衡致裂；所述能量转换器(10)对所述作业段自上而下实施冲击波作业，能量转换器(10)的冲击波输出窗口对准所述作业段的中点。

3.根据权利要求1所述的一种煤层坚硬顶板预裂方法，其特征在于：步骤S2中安装孔口装置(11)之前需设置封孔段，设置封孔段的步骤包括在钻孔(9)内安装与钻孔(9)适配的PVC管(12)，PVC管(12)设置在钻孔(9)的煤层(7)部分，PVC管(12)设置好后在PVC管(12)外壁与钻孔(9)之间注入水泥浆。

4.根据权利要求1所述的一种煤层坚硬顶板预裂方法，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坚硬顶板(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，直至坚硬顶板(8)裂缝达到设定的宽度，所述设定的裂缝宽度大于10nm。

5.根据权利要求1所述的一种煤层坚硬顶板预裂方法，其特征在于：所述脉冲功率驱动源电储能大于100kJ。

6.根据权利要求1所述的一种煤层坚硬顶板预裂方法，其特征在于：所述能量转换器(13)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。

7.根据权利要求6所述的一种煤层坚硬顶板预裂方法，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，能量转换器(10)放电后，在地电极(1)一侧重新补充一根金属丝(2)。

8.根据权利要求1所述的一种煤层坚硬顶板预裂方法，其特征在于：所述孔口装置(12)包括卡接在钻孔(9)孔口的胀套(20)，胀套(20)上端的环形固定板(21)下表面与钻孔(9)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(9)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(10)适配的连接部，连接部上设有密封圈(28)。

Images