CN113153297B - 一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法 - Google Patents

一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法，包括：利用钻机由两侧顺槽巷道向未开采煤岩体定点打倾斜钻孔，至直接煤层顶板目标层位；制备无声破碎剂SCDA；加水搅拌无声破碎剂SCDA，制备SCDA塑性浆液；将SCDA塑性浆液用长柱状PVDC薄膜包裹；将SCDA塑性浆液的PVDC薄膜包裹体充填至目标层位的钻孔；充填完毕后进行孔内封堵，在孔内目标岩层段外侧安装钻孔封孔器；材料充填‑钻孔封堵完成后，待无声破碎剂SCDA发生充分水化反应，产生膨胀作用致裂岩石释放应力，完成煤层顶板非爆破预裂卸压。本发明经济、有效、绿色的防控矿山动力灾害，为矿区安全质量生产和建设提供保障。

Description

一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法。
背景技术
全国煤炭资源总量约为5.57万亿吨，53％的已探明煤炭资源埋深在1000米至2000米之间，深部煤炭资源将是今后我国重要的后备资源。近年来，资源开采逐渐向深部进军，华东、东北和华北煤矿大部分已经进入600米以下深度开采，大能量、高强度动力灾害频发，严重制约着深井采矿人员安全及煤炭安全高效开采。与浅埋煤层不同，深部煤层开采地应力高、地质条件复杂，煤岩体破碎及动力响应特征发生了显著变化，已有顶板预裂弱化技术对于防控深井大能量动力灾害已不能完全适用，亟需研发新型绿色、经济、高效、非爆破的顶板预裂卸压动灾防控技术手段。
目前，我国煤矿常用的顶板岩石致裂卸压技术主要有水压致裂技术、爆破切顶技术和二氧化碳致裂技术，三种岩石致裂卸压方法的研究已趋于成熟，但存在以下主要不足：
1.水压致裂技术不足之处：(1)经济成本高。水压致裂需要提供一套完整的水压致裂设备及管路，成本预算涉及压裂设备、压裂材料、高压水压裂施工等多方面，施工成本动辄上千万；(2)水压致裂裂隙扩展方向受限，水力裂缝主要沿最大主应力方向扩展，在天然裂缝不发育的顶板岩层能以形成大规模裂缝网络，难以做到裂隙定向扩展，导致巷道顶板卸压不充分煤层顶板弱化程度低；(3)压裂可控性差，遇到断层及裂隙带等构造时压裂液大部分滤失；(4)高压巨量压裂液极易进入煤层及采空区，产生顶底板突水次生灾害；(5)压裂后产生的裂缝在后期采动过程中可能会出现裂缝错动，产生矿震及冲击地压次生灾害；(6)在水压致裂施工期间，为保证工作安全，致裂区及附近区域暂停作业，导致其它作业及生产受到影响；(7)施工环境要求高，在压裂作业和返排过程中，使用的化学添加剂难以彻底清除，存在环境污染风险。
2.切顶爆破技术不足之处：(1)爆破作业扰动剧烈，易损害支护体系，影响巷道围岩稳定性；(2)施工程序复杂，施工安全与质量要求高，需专业技术人员进行作业。
3.二氧化碳致裂技术不足之处：(1)施工经济成本极大，不便使用；(2)施工设备及场地要求高，液态二氧化碳在接触空气时，产生部分气化吸热部分冻结现象，导致管线堵塞，需要设备具有高封闭性与防冻性，且能排出二氧化碳气体，增加了施工风险。
本专利涉及的采用无声破碎剂(SCDA)预裂弱化深井煤层顶板技术，能够有效释放煤层覆岩集聚能量，防控矿山动力灾害。无声破碎剂(SCDA)是一种以氧化钙为主，掺有二氧化硅、三氧化二铝和三氧化二铁等外加剂的无机化合物，具有高膨胀性、高安全性、高经济性等优势；无声破碎剂(SCDA)破岩是利用无声破碎剂作为膨胀破岩材料完成岩石致裂作业。技术原理是通过煤层工作面两侧顺槽巷道向未开采煤层上方坚硬覆岩打倾斜钻孔，至目标预裂层位，将制备的无声破碎剂塑性体充填至钻孔内，利用封孔器进行封口处理，待无声破碎剂发生化学反应，产生巨大膨胀作用充分致裂岩石释放应力，完成煤层顶板非爆破预裂卸压。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是提供一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法，具体步骤如下：
S1、利用钻机由两侧顺槽巷道向未开采煤岩体定点打倾斜钻孔，至煤层顶板目标层位；
S2、制备无声破碎剂SCDA；
S3、加水搅拌无声破碎剂SCDA，制备SCDA塑性浆液；
S4、将SCDA塑性浆液用长柱状PVDC薄膜包裹；
S5、将SCDA塑性浆液的PVDC薄膜包裹体充填至目标层位的钻孔；
S6、充填完毕后进行孔内封堵，在孔内目标岩层段外侧安装钻孔封孔器；
S7、材料充填-钻孔封堵完成后，待无声破碎剂SCDA发生反应，产生膨胀作用致裂岩石释放应力，完成煤层顶板非爆破预裂卸压。
进一步地，所述钻孔孔径为75～89mm，孔距20～40m，孔深30～100m；钻孔向煤层上方倾斜，与岩层夹角60°～80°，具体视煤层实际情况而定。
进一步地，所述S2中无声破碎剂SCDA的组成材料包括氧化钙70-85％、二氧化硅5-10％、三氧化二铝5-10％以及三氧化二铁5-10％。
进一步地，将无声破碎剂SCDA的组成材料倒入搅拌机充分搅拌，搅拌时间为5～10分钟，从而制得SCDA。
进一步地，所述S3中无声破碎剂SCDA水剂比为0.3-0.35。
进一步地，所述S4中制备的SCDA塑性浆液的PVDC薄膜包裹体直径小于钻孔直径0.8-1.5cm，制备时间控制在30分钟内。
进一步地，所述S5中利用推杆将无声破碎剂SCDA塑性浆液的PVDC薄膜包裹体充填至钻孔内后压实。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本发明提出的无声破碎剂SCDA遇水后具有极高膨胀特性，深井高应力下坚硬岩层可以充分致裂；且产生的裂缝类型多样，包括环向及径向裂缝，多孔间岩石压裂隙扩展贯通，形成大面积的体积致裂效果，煤层顶板预裂卸压弱化效果明显；
(2)本发明提出的利用无声破碎剂SCDA进行煤层顶板非爆破预裂卸压技术与水力压裂技术相比可控性强，塑性的无声破碎剂可有效压裂岩层指定部位，不像水力压裂的压裂液如遇天然裂隙、断层、破碎带即会大面积滤失，起不到指定部位卸压效果；
(3)本发明提出的利用无声破碎剂SCDA进行煤层顶板非爆破预裂卸压技术施工成本低；无声破碎剂SCDA材料成本低、易获取，由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁无机材料组成，获取途径广，且价格低廉；施工过程不需要专业人员操作，施工操作简单，大程度降低施工成本；
(4)本发明提出的利用无声破碎剂SCDA进行煤层顶板非爆破预裂卸压技术实施方便，不影响煤层正常开采；通过两侧顺槽巷道向未开采煤岩体打倾斜钻孔，至煤层覆岩指定部位，将无声破碎剂PVDC薄膜包裹后充填至钻孔内，利用反应产生的高膨胀力致裂岩石，达到煤层顶板非爆破预裂卸压效果，有效大面积弱化煤层坚硬顶板，防控矿震及冲击地压动力灾害；同时，在工作面两侧顺槽巷道施工，不影响煤层正常开采，经济效益十分显著；
(5)本发明中无声破碎剂SCDA与水反应过程温和稳定，对巷道支护体系扰动小，反应过程中无飞石、震动小，极大地保障井下施工安全；
(6)本发明中无声破碎剂SCDA进行煤层顶板非爆破预裂卸压技术不会产生爆破火花，尤其在含瓦斯煤矿井下不会产生瓦斯爆炸风险，极大地保障了含瓦斯矿井的生产安全；
(7)本发明中无声破碎剂SCDA水化反应膨胀后形成粉末，不产生有害有害气体等、噪声小、绿色环保，对环境和煤层开采无污染；
(8)本发明相对于切顶爆破技术更安全，不用向当地去安全部门申请许可，不用专业人员操作，安全、方便、快捷。
附图说明
图1为煤矿采区工作面两侧顺槽巷道进行顶板非爆破预裂卸压钻孔布置示意图；
图2为图1中A-A向剖面图；
图3为图1中B-B向剖面图；
图4为无声破碎剂(SCDA)塑性浆液利用PVDC薄膜包裹后的示意图；
图5为SCDA加水搅拌后的塑性浆液经PVDC薄膜包裹后在钻孔中充填示意图；
其中：1-胶运顺槽；2-辅运顺槽；3-沿空顺槽；4-采空区；5-工作面；6-钻孔；7-煤层；8-覆岩目标压裂硬岩层；9-推杆；10-封孔器；11-无声破碎剂(SCDA)材料；12-无声破碎剂(SCDA)加水搅拌后形成的塑性浆液的PVDC薄膜包裹体；13-聚偏二氯乙烯-PVDC薄膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明提供了一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法；本实施案例以山东某大采深煤矿井下开展煤层坚硬覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害为例进行说明：工作面胶运顺槽1、辅运顺槽2、沿空顺槽3巷道断面尺寸为6.2m×4.4m，开采煤层煤厚5.2m；煤层上覆发育坚硬的细粒砂岩，单轴抗压强度为59MPa，泊松比为0.31，弹性模量为11.66GPa，岩层倾角平均为1～3°。
本发明具体实施步骤如下：
S1、从胶运顺槽1和辅运顺槽2巷道向未开采煤层7上覆岩层打倾斜钻孔6，钻孔6孔底至顶细粒砂岩层8指定部位，如图2和图3所示，为煤层7顶板钻孔6布置情况，钻孔6深度为90m，倾角为75°，孔径为89mm，孔距为20m；
S2、按照氧化钙70％、二氧化硅10％、三氧化二铝10％、三氧化二铁10％的比例制备无声破碎剂(SCDA)11，为避免材料出现不均匀问题，将组成材料倒入搅拌机充分搅拌，搅拌时间为10分钟；
无声破碎剂(SCDA)是一种以氧化钙为主，掺有二氧化硅、三氧化二铝和三氧化二铁等外加剂的无机化合物，具有高膨胀特性。无声破碎剂粉末遇水发生反应，2.5-3.5小时后体积逐渐增大，产生高膨胀力。由于岩石具有高抗压、低抗拉特性，当膨胀力大于孔壁岩石抗拉强度时，岩石裂隙开始萌生-扩展，随着反应的持续进行，裂隙不断延伸-相互贯通。当反应充分后，无声破碎剂材料自动转变成粉末从钻孔流出。根据室内试验及现场试验研究，可应用于工程岩石破碎领域。
S3、按照水剂比为0.3往搅拌机中加水，充分搅拌时间10分钟。将塑性混合浆液充填至长柱型聚偏二氯乙烯PVDC薄膜内，PVDC薄膜外径80mm，长度1.0m。一次性制作SCDA塑性浆液的PVDC薄膜包裹体12(参考图4)20-25个。
S4、利用推杆9将长柱状无声破碎剂(SCDA)塑性体的薄膜包裹体12充填至钻孔6内，压实材料以防滑出；请参考图5；
S5、重复步骤S4，完成所有钻孔6材料充填作业，材料充填时间不超过30分钟；
S6、充填完毕后进行孔内封堵，在孔内目标岩层段外侧安装钻孔封孔器10，封孔器10呈圆柱状，外侧有钢质倒刺，防止滑出；
S7、材料充填-钻孔封堵完成后需要等待1.0～1.5h用以无声破碎剂(SCDA)11发生充分水化反应，达到最佳膨胀致裂效果；充分反应膨胀后的无声破碎剂转变成粉末状，对覆岩环境和煤层7开采无影响，无需处理；
S8、待所有钻孔6完成岩石膨胀预裂，结合煤层7开采进度情况，在前方开展下一组煤层7覆岩预裂卸压作业。
综上所述，本发明公开的一种利用无声破碎剂(SCDA)材料进行煤层坚硬覆岩非爆破预裂卸压技术，基于无声破碎剂(SCDA)与水反应产生高膨胀力特点，对煤层坚硬覆岩进行充分预裂卸压，有效弱化煤层顶板，防控矿山动力灾害(矿震、冲击地压)，保障矿山安全高效生产。
本发明提供一种利用无声破碎剂(SCDA)进行煤层顶板非爆破预裂卸压技术。通过两侧顺槽巷道向未开采煤岩体打倾斜钻孔，至煤层覆岩指定部位，将SCDA材料加水搅拌形成塑性浆液，并用长柱状PVDC薄膜进行包裹，包裹后将制备的包裹体充填至钻孔内目标压裂岩层段，压实后利用带有倒刺的封口器进行封口处理，待无声破碎剂充分发生化学反应，产生膨胀作用致裂岩石释放应力，完成煤层顶板非爆破预裂卸压，经济、有效、绿色的防控矿山动力灾害，为矿区安全质量生产和建设提供保障。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用钻机由两侧顺槽巷道向未开采煤岩体定点打倾斜钻孔，至煤层顶板目标层位；
S2、制备无声破碎剂SCDA；所述S2中无声破碎剂SCDA的组成材料包括氧化钙70-85％、二氧化硅5-10％、三氧化二铝5-10％以及三氧化二铁5-10％；
S3、加水搅拌无声破碎剂SCDA，制备SCDA塑性浆液；
S4、将SCDA塑性浆液用长柱状PVDC薄膜包裹；
S5、将SCDA塑性浆液的PVDC薄膜包裹体充填至目标层位的钻孔；
S6、充填完毕后进行孔内封堵，在孔内目标岩层段外侧安装钻孔封孔器；
S7、材料充填-钻孔封堵完成后，待无声破碎剂SCDA发生反应，产生膨胀作用致裂岩石释放应力，完成煤层顶板非爆破预裂卸压。
2.根据权利要求1所述的一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法，其特征在于，所述钻孔孔径为75～89mm，孔距20～40m，孔深30～100m；钻孔向煤层上方倾斜，与岩层夹角60°～80°，具体视煤层实际情况而定。
3.根据权利要求1所述的一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法，其特征在于，将无声破碎剂SCDA的组成材料倒入搅拌机充分搅拌，搅拌时间为5～10分钟，从而制得SCDA。
4.根据权利要求1所述的一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法，其特征在于，所述S3中无声破碎剂SCDA水剂比为0.3-0.35。
5.根据权利要求1所述的一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法，其特征在于，所述S4中制备的SCDA塑性浆液的PVDC薄膜包裹体直径小于钻孔直径0.8-1.5cm，制备时间控制在30分钟内。
6.根据权利要求1所述的一种深煤层开采覆岩非爆破预裂卸压防控动力灾害的方法，其特征在于，所述S5中利用推杆将无声破碎剂SCDA塑性浆液的PVDC薄膜包裹体充填至钻孔内后压实。
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