CN112709573B - 基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿冲击地压防治技术，具体涉及一种基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法。本发明的目的是解决煤矿坚硬采煤工作面冲击地压防治方法存在采煤工作面的深部无法泄压、安全生产风险大，或者是难以实现均衡预裂以及成本高的技术问题，提供一种基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法。该方法通过可控冲击波预裂方式，将煤体的预裂区域相互贯通，形成破碎煤层，该破碎煤层被其两侧的外层完整煤层和内层完整煤层包围，形成对冲击地压具有缓冲功能的“硬层‑软层‑硬层”结构。

Description

基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法

技术领域

本发明涉及煤矿冲击地压防治技术，具体涉及一种基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法。

背景技术

冲击地压是煤矿井巷和采煤工作面周围煤或/和岩体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈、破坏性的动力现象，常伴有煤或/和岩体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等，是煤矿开采过程中典型的动力灾害之一。煤矿冲击地压不仅危害程度大，影响面广，而且是诱发其它重大煤矿事故的根源，冲击地压发生时还可能诱发瓦斯异常涌出、煤与瓦斯突出、突水以及瓦斯爆炸等灾害，造成更为严重的后果。

统计分析表明，各种类型的矿井都存在发生冲击地压的相关报道，各类煤层都出现过冲击地压，涉及的地质构造从简单到复杂，煤层从薄到厚再到特厚，倾角从水平到急倾斜，砾岩、砂岩、灰岩和油母页岩类顶板都发生过冲击地压事故；浅部开采也时常发生冲击地压，随着深部开采深度的增加，冲击地压发生的频率和强度都在增加；从采煤方法来讲，长壁、短壁、房柱式、放顶煤和分层开采等都发生过冲击地压；从采煤工艺来讲，综采、普采、炮采、水采和水砂充填等各种工艺也都发生过冲击地压。由于冲击地压的发生具有突发性、瞬时震动性和巨大破坏性，难以事先确定其发生的时间、地点和强度。

对于煤矿较为坚硬的采煤工作面而言，一般煤体裂隙较少，当煤体瞬时释放弹性变形能时，极易发生冲击地压。现有矿井一般采取区域和局部相结合的防冲措施，在矿井设计、采(盘)区设计阶段先行采取区域防冲措施；对已形成的采煤工作面在实施区域防冲措施的基础上，及时跟进局部防冲措施。其中，冲击地压区域防治技术有利于从区域范围降低应力水平，整体上减弱冲击危险程度。

区域防治技术主要包括两个方面，一是从优化开采设计出发的区域冲击危险防治技术，主要有开拓方式、采掘部署、煤层群的开采顺序、保护层开采、工作面的顺序开采、煤柱尺寸设计、主要巷道位置及层位选择、采煤方法与采煤工艺的选择等；二是从区域范围弱化煤体和降低应力水平的防治技术，主要有火工品爆破和煤体注水的水力化方法等。

冲击地压局部防治技术则主要是针对受到特殊因素影响的或监测有异常的局部区域采取局部范围的防治措施，同样以火工品爆破和煤体注水的水力化方法为主。

综上所述，现有的煤矿采煤工作面冲击地压防治方法除在开采前进行优化设计外，主要是通过火工品爆破和向煤体注水的水力化方法对坚硬的采煤工作面进行弱化，从而达到防治冲击地压的目的。二者都是在煤层中创造一个破碎煤层，当地层应力集中时或地层来压时，首先压实破碎煤层，起到缓冲、地层压力吸能的目的，避免突然的应力集中现象造成人员伤亡及煤矿巷道破坏，其中：

火工品爆破方法的优点在于：火工品、钻孔及施工成本低。其缺点在于：爆破钻孔孔深一般为10-20m，对深部无法作用，钻孔间距2-5m，施钻的钻孔密集；其次，释放能量大，安全生产风险大，一旦有哑炮就会带来安全生产事故；再次，火工品管控严格，节假日或重要活动的举办也会影响火工品的发放和使用；最后，采用火工品爆破预裂后，钻孔基本报废，无法对钻孔二次利用；

向煤体注水的水力化方法的优点在于：钻孔孔径较小，钻孔施工难度低，施工效率高。其缺点在于：受水压特性的限制，目标区域内的应力薄弱区容易起裂，一旦形成一条或朝向一个方向的裂缝后，其他方向上再难形成新的裂缝，故其预裂方向不可控，难以实现均衡预裂。为了提升预裂效果，可以采用高压注水措施，即注水钻孔孔深小于50m，间距2-5m，注水时一般采用大于20MPa的高压，维持时间一般超过10h，这种高压注水措施虽然能够在一定程度上弱化煤体力学强度、提高煤体的水分含量，但会带来时间和空间上、安全和经济方面的损失。

发明内容

本发明的目的是解决煤矿坚硬采煤工作面冲击地压防治方法中存在采煤工作面的深部无法泄压、安全生产风险大，或者是难以实现均衡预裂以及使用成本高的技术问题，提供一种基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

一种基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)对坚硬采煤工作面的煤体开展力学分析测试，并现场施钻多个验证钻孔，利用验证钻孔对测试所得结果进行验证，进而确定在该采煤工作面施钻相邻预裂钻孔的径向间距，每个预裂钻孔的孔深、孔径和预裂作业范围，以及孔内相邻作业点的间距和每个作业点的作业次数；所述预裂作业范围为沿预裂钻孔的进深方向由孔底指向孔口的预裂作业段；

2)按照设定的相邻预裂钻孔的径向间距、每个预裂钻孔的孔深和孔径，在采煤工作面两侧巷道采帮上施钻多个预裂钻孔；

3)在预裂钻孔的孔口处安装封孔管、孔口法兰和孔口密封装置；

4)利用钻机通过钻杆将可控冲击波产生设备送入预裂钻孔内；

5)利用封孔管、孔口法兰和孔口密封装置关闭孔口，向钻孔内注水；

6)当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，使可控冲击波产生设备按照设定的预裂作业范围，以及孔内相邻作业点的间距和每个作业点的作业次数，从位于孔底的作业点开始实施预裂作业；

7)每完成一个作业点的作业量后，打开孔口，利用钻机将钻杆回抽，使可控冲击波产生设备到达下一作业点，再次关闭孔口，向钻孔内注水，当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，再继续作业；

8)重复步骤7)，待所有作业点处理完毕后，钻机将可控冲击波产生设备抽出预裂钻孔，关闭钻孔或接抽钻孔内的瓦斯，结束该预裂钻孔的预裂作业；

9)重复步骤3)至步骤8)，完成所有预裂钻孔的预裂作业，预裂作业结束。

进一步地，为了在极短的时间内产生极高的冲击波压力，步骤6)、步骤7)中，所述可控冲击波产生设备单次冲击所产生的压力幅值为210±50MPa，冲量为7200±1000P·s。

进一步地，为了得到足够的破碎煤层厚度以保证缓冲效果，步骤1)中，所述预裂作业范围占预裂钻孔孔深的20％。

进一步地，为了保证采帮上的煤体相互贯通，步骤1)中，所述相邻预裂钻孔的径向间距为10-30m。

进一步地，为了将预裂作业区域充分破碎，步骤1)中，每个所述预裂钻孔的孔深为采煤工作面宽度的30％，孔径为113-133mm。

进一步地，为了在准确定位并粉碎破碎煤层的同时，不破坏破碎煤层外围的完整煤体，步骤4)中，所述可控冲击波产生设备的作业精度为0.5-1m。

进一步地，步骤2)中，采煤工作面两侧巷道采帮上预裂钻孔的轴线共线或交错分布。

进一步地，由于煤矿巷道宽度有限，为了方便钻机操作，步骤2)中，采煤工作面单侧巷道采帮上预裂钻孔的轴线呈扇形分布。

进一步地，为了较为准确地验证力学分析所得的测试结果，步骤1)中，所述多个为3-5个。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，采用预裂型可控冲击波对坚硬的煤体进行预裂处理，预裂方向由作业点向周围均匀辐射，可以对预裂钻孔内某一段特定深度进行均衡、连续预裂，在极短的时间内在坚硬煤体中直接创造裂缝、沟通裂缝，在作用区域形成缝网，随着单点作业次数的增加，扩展联通更多裂缝，使得采煤工作面煤体的预裂区域相互贯通，形成破碎煤层或破碎煤带，使得原来采煤工作面中较为坚硬的煤体，变为中间的破碎煤层被其两侧的完整煤层包围、对冲击地压具有缓冲功能的“硬层-软层-硬层”结构，不再存在预裂方向不可控和难以实现均衡预裂的问题。

2、本发明提供的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，相比于现有技术中的孔深10-20m，本发明中随着煤层开采深度的增加，钻孔可以根据需要深入到采煤工作面深部，将深部充分泄压，提高了生产安全性。

3、本发明提供的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，由于采用预裂型可控冲击波对采煤工作面上坚硬的煤体进行预裂处理，其预裂工艺参数如预裂作业范围、单点作业次数和作业点间距可控可以根据具体需要进行调整，使得预裂冲击波强度可控，进而使得对煤体的破碎强度可控，其释放能量小于火工品爆破时所释放的能量，进一步提高了生产安全性。

4、本发明提供的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，使得煤矿的生产过程不再受到火工品被管控的影响。

5、本发明提供的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，采用预裂型可控冲击波预裂后，在对坚硬的煤体进行预裂的同时，不会破坏预裂钻孔，钻孔还可以二次利用，如瓦斯抽采等。

6、本发明提供的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，采用预裂型可控冲击波进行预裂，致裂半径为5-15m，布孔间距由现有的2-5m扩大到10-30m，极大地降低了钻孔数量，节约空间成本；单孔作业时间为4-8h，且可以实现多个预裂钻孔同时作业，节约时间，也在一定程度上降低了施工成本和人力成本。

7、本发明提供的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，在钻孔内注水可以润湿煤体，降低回采割煤期间的煤尘，安全生产风险小。

附图说明

图1为本发明使用可控冲击波产生设备对采煤工作面的煤体施钻预裂钻孔的现场施工图；

图2为本发明在采煤工作面的预裂钻孔内进行预裂作业的示意图，其中采煤工作面两侧巷道采帮上预裂钻孔的轴线共线；

图3为本发明在采煤工作面的预裂钻孔内进行预裂作业的示意图，其中采煤工作面单侧巷道采帮上预裂钻孔的轴线呈扇形分布；

图4为图2中预裂钻孔处的局部放大图；

图5为本发明所使用可控冲击波产生设备的结构示意图；

图6为本发明所使用可控冲击波产生设备的压力幅值图；

图7为使用可控冲击波对煤样冲击试验的效果图，其中，a-d依次对应冲击作业0次、50次、100次和150次；

图8为使用可控冲击波对煤样冲击试验的测试图，其中，a-d依次对应冲击作业0次、4次、6次和8次；e-h为与a-d分别对应的煤样裂隙素描图，i-l为与a-d分别对应的煤样裂隙分形维数图；

附图标记说明：

1-钻机；2-钻杆；3-可控冲击波产生设备；4-孔口密封装置；5-封孔管；6-孔口法兰；7-巷道；81-外层完整煤体层；82-内层完整煤体层；9-预裂钻孔；10-作业点；11-冲击波；12-破碎煤层；13-采煤工作面；14-切眼；

31-钻杆接手；32-防爆电池组；33-高压直流电源板；34-储能电容器和能量控制器；35-能量转换器；36-聚能棒推送器；37-预裂型聚能棒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

一种基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，包括以下步骤：

1)对坚硬采煤工作面13的煤体开展力学分析测试，并现场施钻3-5个验证钻孔，利用验证钻孔对测试所得结果进行验证，(按照现有技术：通过监测液压支架的工作阻力变化来监测工作面顶板来压，并以此为基础确定来压步距；采用顶板离层仪、顶板位移监测仪等成熟设备在线监测顶板应力集中变化情况等。上述方法中，如预裂后比预裂前顶板步距缩短，顶板离层监测表明应力无变化、或较以往应力更低，则证明预裂作业的参数合理、预裂措施有效解除了该区域的冲击危险性)进而合理确定在该采煤工作面13施钻相邻预裂钻孔9的径向间距为10-30m，如图4所示，每个预裂钻孔9的孔深为采煤工作面宽度的30％，孔径为113-133m和预裂作业范围，以及孔内相邻作业点10的间距和每个作业点10的作业次数；所述预裂作业范围为沿预裂钻孔9的进深方向由孔底指向孔口的预裂作业段；占预裂钻孔9孔深的20％；位于采煤工作面13中央的完整煤层8宽度占采煤工作面宽度的40％。切眼14为一条沿工作面回采方向上布置的巷道，可以认为是工作面的宽度。由工作面两侧巷道向工作面煤层施钻并对钻孔内某一特定区域进行预裂。按切眼14倾向200m，工作面一侧巷道布置的钻孔深60m；

2)如图2和3所示，按照设定的相邻预裂钻孔9的径向间距、每个预裂钻孔9的孔深和孔径，在采煤工作面13两侧巷道7采帮上施钻多个预裂钻孔9，采煤工作面13两侧巷道7采帮上预裂钻孔9的轴线共线或者交错或者呈扇形分布；

3)如图1所示，在预裂钻孔9的孔口处安装封孔管5、孔口法兰6和孔口密封装置4；

4)利用钻机1通过钻杆2将可控冲击波产生设备3送入预裂钻孔9内；

5)利用封孔管5、孔口法兰6和孔口密封装置4关闭孔口，向钻孔内注水；

6)当钻孔内充满水且水压达到0.1-0.5MPa后，使可控冲击波产生设备3按照步骤1)中确定的预裂作业范围，以及孔内相邻作业点10的间距和每个作业点10的作业次数，从位于孔底的作业点10开始实施预裂作业，所述可控冲击波产生设备3的作业精度为0.5-1m(即钻杆2带动可控冲击波产生设备3在预裂钻孔9内的位移精度)；

7)每完成一个作业点10的作业量后，打开孔口，利用钻机1将钻杆2回抽，使可控冲击波产生设备3到达下一作业点10，再次关闭孔口，注水向钻孔内注水，当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，再继续作业；

8)重复步骤7)，待所有作业点10处理完毕后，钻机1将可控冲击波产生设备3抽出预裂钻孔9，关闭钻孔或接抽钻孔内的瓦斯，瓦斯接抽管路保留，待之后工作面回采时一一卸掉，结束该预裂钻孔9的预裂作业；单孔作业时间为4-8h，且可以实现多个预裂钻孔9同时作业，节约时间，也在一定程度上降低了施工成本和人力成本；

9)重复步骤3)至步骤8)，完成所有预裂钻孔9的预裂作业，预裂作业结束；此时该采煤工作面13的预裂区域相互贯通，形成破碎煤层12，该破碎煤层12被其两侧的外层完整煤体层81和内层完整煤体层82包围，形成对冲击地压具有缓冲功能的“硬层-软层-硬层”结构。

为展示冲击预裂效果，进行了可控冲击波11对煤样的冲击试验，实验结果如图7和8所示，图7展示了使用可控冲击波11对煤样冲击试验效果图(借助X-CT扫描技术，即电子计算机断层扫描技术)，a-d依次对应冲击0次、50次、100次和150次；图8展示了使用可控冲击波11对煤样冲击试验的测试图，其中，a-d依次对应冲击作业0次、4次、6次和8次；e-h为与a-d分别对应的煤样裂隙素描图，i-l为与a-d分别对应的煤样裂隙分形维数图，可以看出随着单点冲击波作业次数的增加，煤样的预裂程度逐渐增大，逐步实现了均衡预裂。

如图5所示，所述可控冲击波产生设备3包含同轴依次连接集成一个整体的钻杆接手31、防爆电池组32、高压直流电源板33、储能电容器和能量控制器34、能量转换器35和聚能棒推送器36，所述高压直流电源板33起逆变、升压和整流作用；高压直流电源板33给储能电容器充电，当储能电容器充电到击穿阈值时，大电流击穿能量控制器，储能电容器所储存的电能经能量控制器传递给能量转换器35中的预裂型聚能棒37，大电流将预裂型聚能棒37气化、电离、爆炸后产生冲击波；所述聚能棒推送器36中可视作业需要一次装载10-50颗预裂型聚能棒37，每消耗一颗预裂型聚能棒37再由聚能棒推送器36向能量转换器35处推送下一颗预裂型聚能棒37。本发明中的可控冲击波产生设备3可使用由西安闪光能源科技有限公司生产的QZ-Ⅲ型的可控冲击波产生设备及其相应的聚能棒，其中的聚能棒采用预裂型聚能棒37。当然，本发明中的可控冲击波产生设备3亦可以使用能够实现相同功能的其他可控冲击波产生设备。

本发明所述可控冲击波产生设备3外径为89mm，长度为5m(当然所述预裂钻孔9的孔径与所述可控冲击波产生设备3的尺寸有关，当可控冲击波产生设备3的尺寸增大或减小时，预裂钻孔9的孔径也随之增大或减小)；如图6所示，预裂型聚能棒37实施预裂作业时单次冲击所产生的压力幅值为210±50MPa，冲量为7200±1000P·s。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对坚硬采煤工作面(13)的煤体开展力学分析测试，并现场施钻多个验证钻孔，利用验证钻孔对测试所得结果进行验证，进而确定在该采煤工作面(13)施钻相邻预裂钻孔(9)的径向间距，每个预裂钻孔(9)的孔深、孔径和预裂作业范围，以及孔内相邻作业点(10)的间距和每个作业点(10)的作业次数；预裂钻孔(9)布置于采煤工作面(13)的两侧，所述预裂作业范围为沿预裂钻孔(9)的进深方向由孔底指向孔口的预裂作业段；每个所述预裂钻孔(9)的孔深为采煤工作面(13)宽度的30％；预裂作业段长度占预裂钻孔(9)孔深的20％；

2)按照设定的相邻预裂钻孔(9)的径向间距、每个预裂钻孔(9)的孔深和孔径，在采煤工作面(13)两侧巷道(7)采帮上施钻多个预裂钻孔(9)；多个预裂钻孔(9)的轴线呈扇形分布；采煤工作面(13)在两侧的预裂钻孔(9)之间的内层完整煤体层占采煤工作面宽度的40％；

3)在预裂钻孔(9)的孔口处安装封孔管(5)、孔口法兰(6)和孔口密封装置(4)；

4)利用钻机(1)通过钻杆(2)将可控冲击波产生设备(3)送入预裂钻孔(9)内；

5)利用封孔管(5)、孔口法兰(6)和孔口密封装置(4)关闭孔口，向钻孔内注水；

6)当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，使可控冲击波产生设备(3)按照设定的预裂作业范围，以及孔内相邻作业点(10)的间距和每个作业点(10)的作业次数，从位于孔底的作业点(10)开始实施预裂作业；

7)每完成一个作业点(10)的作业量后，打开孔口，利用钻机(1)将钻杆(2)回抽，使可控冲击波产生设备(3)到达下一作业点(10)，再次关闭孔口，向钻孔内注水，当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，再继续作业；

8)重复步骤7)，待所有作业点(10)处理完毕后，钻机(1)将可控冲击波产生设备(3)抽出预裂钻孔(9)，关闭钻孔或接抽钻孔内的瓦斯，结束该预裂钻孔(9)的预裂作业；

9)重复步骤3)至步骤8)，完成所有预裂钻孔(9)的预裂作业，预裂作业结束；所有预裂钻孔(9)形成的预裂区域相互贯通，形成破碎煤层(12)，两侧的破碎煤层(12)之间为内层完整煤体层，破碎煤层(12)两侧为内层完整煤体层和外层完整煤体层，形成了对冲击地压具有缓冲功能的“硬层-软层-硬层”结构；利用预裂钻孔(9)进行瓦斯抽采；向预裂钻孔(9)内注水润湿煤体，进而降低回采割煤期间的煤尘。

2.根据权利要求1所述的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，其特征在于：步骤6)、步骤7)中，所述可控冲击波产生设备(3)单次冲击所产生的压力幅值为210±50MPa，冲量为7200±1000P·s。

3.根据权利要求2所述的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，其特征在于：步骤1)中，所述相邻预裂钻孔(9)的径向间距为10-30m。

4.根据权利要求1至3任一所述的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，其特征在于：步骤4)中，所述可控冲击波产生设备(3)的作业精度为0.5-1m。

5.根据权利要求1所述的基于可控冲击波预裂的坚硬采煤工作面冲击地压防治方法，其特征在于：步骤1)中，所述多个为3-5个。