CN113389548B - 一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在回采工作面推进至无煤区前，根据无煤区与两巷道之间相对位置确定钻孔的设计参数；2)根据钻孔的设计参数对无煤区内岩石进行钻孔施工，并对各钻孔孔壁进行切割，在各钻孔孔壁内形成预制裂缝；3)对步骤2)中的各钻孔进行爆破，使得无煤区内各钻孔内的岩石充分破裂，便于回采工作面过无煤区时采煤机能够直接切割岩石。本发明可以广泛应用于矿山安全高效开采技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及矿山安全高效开采技术领域，特别涉及一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法。
背景技术
在煤矿开采过程中，开采范围内常常会遇到无煤区，包括断层带、陷落柱、岩石侵入区等，由于无煤区的存在，给采区及工作面布置带来很大制约，造成大量工程浪费和资源损失。
在工作面回采过程中，当遇到较小无煤区时，一般可采用采煤机强行推过的方法，但是造成采煤机截齿磨损量大，工作面推进速度很慢，容易造成煤层自燃等严重安全隐患；当无煤区面积较大或者岩石强度较高时，需要在工作面推至无煤区时在工作面内部进行爆破，设备损耗和安全风险很大；有时候，为了避免上述风险，需要重新开切眼，以跳过无煤区，这样又带来资源损失、接续紧张、掘进工程量和投入成本的增加的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，该方法能够在回采工作面开采至无煤区前，就对无煤区的岩石进行充分弱化，在回采工作面经过无煤区时，采煤机能够快速切割岩石，顺利通过无煤区。本发明对优化矿井工作面布置，提高开采效率和安全性，降低开采成本均具有重要意义，具有重要的推广应用价值。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，其包括以下步骤：
1)在回采工作面推进至无煤区前，根据无煤区与两巷道之间相对位置确定钻孔的设计参数；
2)根据钻孔的设计参数对无煤区内岩石进行钻孔施工，并对各钻孔孔壁进行切割，在各钻孔孔壁内形成预制裂缝；
3)对步骤2)中的各钻孔进行爆破，使得无煤区内各钻孔内的岩石破裂，便于回采工作面过无煤区时采煤机能够直接切割岩石。
进一步，所述步骤1)中，钻孔为从巷道向回采工作面施工的平行于巷道底板的钻孔。
进一步，所述步骤2)中，根据钻孔的设计参数对无煤区内岩石进行钻孔施工，并对各钻孔孔壁进行切割，在各钻孔孔壁内形成预制裂缝的方法，包括以下步骤：
2.1)按照钻孔的设计参数对其中一钻孔进行施工，在无煤区的岩石内形成一钻孔；
2.2)采用钻孔切割装置在该钻孔内进行切割，在钻孔孔壁预设位置处形成预制裂缝；
2.3)重复步骤2.1)～2.2)，按照钻孔设计参数完成其他钻孔的施工和预制裂缝切割。
进一步，所述步骤2.2)中，在钻孔孔壁预设位置处形成的预制裂缝包括若干环形裂缝和若干轴向裂缝，各所述环形裂缝为垂直于钻孔轴向的圆环状裂缝；各所述轴向裂缝位于两两所述环形裂缝之间且平行于钻孔轴向的长条形裂缝。
进一步，所述步骤2.2)中，钻孔切割装置包括钻机、若干中空的钻杆、钻头、射流器、高压泵和加砂罐；所述钻机用于控制所述钻杆旋转、前进或后退；各所述钻杆相互连接，且最前端钻杆的另一端通过所述射流器与所述钻头相连，最末端钻杆的另一端通过高压胶管与所述加砂罐的输出口相连，所述加砂罐的输入口通过高压胶管与所述高压泵的输出口相连。
进一步，所述射流器外壁上设置有一个以上用于安装喷嘴的凹槽，各喷嘴均与射流器内的空腔相连通。
进一步，所述步骤2.2)中，采用钻孔切割装置在该钻孔内进行切割，在钻孔孔壁预设位置处形成预制裂缝的方法，包括以下步骤：
2.2.1)启动钻机，使得钻杆到达钻孔内预设位置处；
2.2.2)操作钻机使钻杆保持原位旋转，同时启动射流器对孔壁进行切割，使孔壁内形成第一条环形裂缝；
2.2.3)操作钻机使钻杆停止转动并按预设速度后退钻杆，同时保持射流器处于启动状态，对孔壁进行切割，使钻孔内形成若干条与钻孔平行的轴向裂缝；
2.2.4)到达预设位置后，再次操作钻机使钻杆保持原位旋转，同时保持射流器处于启动状态，对孔壁进行切割，使孔壁内形成第二条环形裂缝；
2.2.5)重复步骤2.2.3)～2.2.4)，直至按设计施工完成该钻孔内的所有环形裂缝和轴向裂缝；
2.2.6)关闭射流器停止射流，退出所有钻杆。
进一步，所述射流器采用不锈钢材质制作。
进一步，所述高压泵输出的高压水的压力在30-80MPa。
进一步，所述步骤3)中，对钻孔进行爆破时，在钻孔内部安装炸药并封孔，在封孔内侧放置雷管，并通过爆破引线引出至起爆器，启动起爆器进行爆破，使孔内岩石破裂。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明提供的一种煤矿回采工作面快速过无煤区的方法，通过提前对回采工作面前方的无煤区进行处理，使无煤区岩体充分破碎，采煤机能直接切割无煤区的岩石，能够快速穿过无煤区，提高工作面开采效率，降低开采设备损耗，甚至可以避免重新搬家布置新切眼，提高资源回收率，降低开采成本。
2、本发明由于在对钻孔进行切割时，通过对钻机和射流器的合理设计，使得在孔壁上呈现环形裂缝和轴向裂缝，可极大提高炸药爆破对岩石的破碎效果，使钻孔周边形成规模较大的裂缝网。
3、本发明由于设计一系列钻孔，并对每个钻孔进行切缝后爆破的操作，使整个无煤区的岩石完整性和强度大大降低，可以确保采煤机能快速切割。
因此，本发明可以广泛应用于矿山安全高效开采技术领域。
附图说明
图1是本发明实施例提供的无煤区钻孔布置平面图；
图2是本发明实施例提供的孔外施工设备连接示意图；
图3是本发明实施例提供的钻杆旋转射流使孔壁形成环形超深裂缝；
图4是本发明实施例提供的钻杆缓慢后退射流使孔壁形成轴线超深裂缝；
图5是本发明实施例提供的割缝完成后装药封孔爆破示意图；
图6是本发明实施例提供的无煤区钻孔附近裂隙分布示意图；
图中各标记如下：
1、煤层；2、第一巷道；3、第二巷道；4、无煤区；5、钻孔；6、钻机；7、钻杆；8、高压胶管；9、高压泵；10、加砂罐；11、喷嘴；12、钻头；13、射流器；14、炸药；15、雷管；16、爆破引线；17、封孔炮泥；18、裂缝。
具体实施方式
为克服现有技术中的不足，本发明提供一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
本发明提供了一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，通过提前对回采工作面前方的无煤区进行处理，使无煤区岩体充分破碎，采煤机能直接切割无煤区的岩石，能够快速穿过无煤区，提高回采工作面开采效率，降低开采设备损耗，甚至可以避免重新布置新切眼，可显著提高资源回收率，降低开采成本，推广应用前景广阔。
具体的，本发明提供的一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，包括以下步骤：
1)在回采工作面推进至无煤区前，根据无煤区与两巷道之间相对位置确定钻孔的设计参数，其中，设计参数包括钻孔数量、钻孔位置以及钻孔深度数据等；
2)根据钻孔的设计参数对无煤区内岩石进行钻孔施工，并对各钻孔孔壁进行切割，在各钻孔孔壁内形成预制裂缝；
3)对步骤2)中的各钻孔进行爆破，使得无煤区内各钻孔内的岩石充分破裂，便于回采工作面过无煤区时采煤机能够直接切割岩石。
优选地，上述步骤1)中，钻孔为从巷道向回采工作面侧施工的平行或近似平行于巷道底板的钻孔。
优选地，上述步骤2)中，根据钻孔的设计参数对无煤区内岩石进行钻孔施工，并对各钻孔孔壁进行切割，在各钻孔孔壁内形成预制裂缝的方法，包括以下步骤：
2.1)按照钻孔的设计参数对其中一钻孔进行施工，在无煤区的岩石内形成一钻孔；
2.2)采用钻孔切割装置在该钻孔内进行切割，在钻孔孔壁预设位置处形成预制裂缝；
2.3)重复步骤2.1)～2.2)，按照钻孔设计参数完成其他钻孔的施工和预制裂缝切割。
优选地，上述步骤2.2)中，在钻孔孔壁预设位置处形成的预制裂缝包括若干环形裂缝和若干轴向裂缝，其中，各环形裂缝为垂直于钻孔轴向的圆环状裂缝，各环形裂缝的间隔根据实际需要确定；轴向裂缝位于两环形裂缝之间且平行于钻孔轴向的长条形裂缝，轴向裂缝的数量由钻孔切割装置的喷嘴数量确定。
优选地，如图2、图3所示，上述步骤1.2)中，钻孔切割装置包括钻机、若干中空的高压密封钻杆(简称钻杆)、钻头、射流器、高压泵和加砂罐。其中，钻机用于控制钻杆旋转、前进或后退；各钻杆相互连接，且最前端钻杆的另一端通过射流器与钻头相连，最末端钻杆的另一端通过高压胶管与加砂罐的输出口相连；加砂罐的输入口通过高压胶管与高压泵的输出口相连。水源供给装置提供的普通水经高压泵后形成高压水，加砂罐时用于在高压水中加入预设比例的石英砂或石榴砂，含有砂子的高压水经射流器喷出，对钻孔孔壁进行快速切割。
优选地，射流器外壁上设置有一个以上用于安装喷嘴的凹槽，各喷嘴均与射流器内的空腔相连通，含有砂子的高压水由钻杆输送至射流器后从喷嘴前方高速喷出，能对孔壁起到快速切割作用。
优选地，射流器采用不锈钢材质制作。
优选地，射流器呈圆柱形。
优选地，高压泵输出的高压水的压力在30-80MPa。
优选地，上述步骤2.2)中，采用钻孔切割装置在该钻孔内进行切割，在钻孔孔壁预设位置处形成预制裂缝的方法，包括以下步骤：
2.1)启动钻机，使得钻杆到达钻孔内预设位置处；
2.2)操作钻机使钻杆保持原位旋转，同时启动射流器对孔壁进行切割，使孔壁内形成第一条环形裂缝；
2.3)操作钻机使钻杆停止转动并按预设速度后退钻杆，同时保持射流器处于启动状态，对孔壁进行切割，使钻孔内形成若干条与钻孔平行的轴向裂缝；
2.4)到达预设位置后，再次操作钻机使钻杆保持原位旋转，同时保持射流器处于启动状态，对孔壁进行切割，使孔壁内形成第二条环形裂缝；
2.5)重复步骤2.3)～2.4)，直至按设计施工完成该钻孔内的所有环形裂缝和轴向裂缝；
2.6)关闭射流器停止射流，退出所有钻杆。
优选地，上述步骤3)中，对各钻孔进行爆破时，在钻孔内部安装炸药并封孔，在封孔内侧放置雷管，并通过爆破引线引出至起爆器，启动起爆器进行爆破，使孔内岩石充分破裂。
实施例1
下面通过本实施例对本发明提供的一种煤矿回采工作面快速过无煤区的方法进行详细描述。在巷道1和巷道2之间的区域是要开采的煤炭，但是中间存在一块无煤区，无煤区一般是坚硬的岩石组成，用于切割煤炭的采煤机难以切割，此时在回采工作面推进至无煤区前，需要对无煤区的岩体进行充分破碎，以达到回采工作面快速推过无煤区的目的。
1)在回采工作面推进至无煤区前，根据无煤区与两巷道之间相对位置确定钻孔的设计参数。
如图1所示，由于无煤区距离巷道1比较近，所以设计在巷道1内施工若干钻孔。
2)根据钻孔的设计参数对无煤区内岩石进行钻孔施工，并对各钻孔孔壁进行切割，在各钻孔孔壁内形成预制裂缝。
2.1)如图3所示，当钻机驱动钻杆带动钻头钻进至预设位置后，停止钻进。
2.2)开启高压泵和加砂罐，高压泵将普通水加压成高压水，通过加砂罐后，又变成含有砂子的高压水，水含有砂子后切割能力大大提高。然后，依次通过高压胶管、高压密封钻杆后进入射流器中的第二空腔，再从喷嘴中高速射出来，冲击钻孔孔壁，此时操作钻机带动高压密封钻杆及射流器旋转，通过旋转切割一定的时间后，在孔壁上形成一条环状超深裂缝。
2.3)如图4所示，操作钻机停止钻杆旋转，并使钻杆缓慢后退，通过边后退边射流，可以使钻孔孔壁上形成与喷嘴数量相同的若干条平行钻孔的轴向超深裂缝。
2.4)如图5所示，切割一定距离后(该距离根据设计确定)，操作钻机使钻杆停止后退，并使钻杆再次旋转，以进行原位旋转射流，通过旋转切割一定的时间后，在孔壁上形成第二条环状超深裂缝。
2.5)重复步骤2.3)～2.4)，直至按设计施工完所有环状裂缝和轴向裂缝，然后操作钻机退出钻孔内所有钻杆，以及射流器、钻头。
3)如图5所示，往钻孔内安装炸药，然后封孔，爆破装置通过爆破引线激发雷管发生爆炸，雷管爆炸引起炸药爆炸，对岩石起到破碎作用。
如图6所示，由于射流使钻孔孔壁上形成了预制超深裂缝，可极大提高炸药爆破对岩石的破碎效果，使钻孔周边形成规模较大的裂缝网。通过施工一系列钻孔并对每个钻孔进行上述切缝后爆破的操作，使整个无煤区的岩石完整性和强度大大降低，可以确保采煤机能快速切割。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在回采工作面推进至无煤区前，根据无煤区与两巷道之间相对位置确定钻孔的设计参数；
2)根据钻孔的设计参数对无煤区内岩石进行钻孔施工，并对各钻孔孔壁进行切割，在各钻孔孔壁内形成预制裂缝；
所述步骤2)中，根据钻孔的设计参数对无煤区内岩石进行钻孔施工，并对各钻孔孔壁进行切割，在各钻孔孔壁内形成预制裂缝的方法，包括以下步骤：
2.1)按照钻孔的设计参数对其中一钻孔进行施工，在无煤区的岩石内形成一钻孔；
2.2)采用钻孔切割装置在该钻孔内进行切割，在钻孔孔壁预设位置处形成预制裂缝；
其中，钻孔切割装置包括钻机、若干中空的钻杆、钻头、射流器、高压泵和加砂罐；所述钻机用于控制所述钻杆旋转、前进或后退；各所述钻杆相互连接，且最前端钻杆的另一端通过所述射流器与所述钻头相连，最末端钻杆的另一端通过高压胶管与所述加砂罐的输出口相连，所述加砂罐的输入口通过高压胶管与所述高压泵的输出口相连；
在钻孔孔壁预设位置处形成的预制裂缝包括若干环形裂缝和若干轴向裂缝，各所述环形裂缝为垂直于钻孔轴向的圆环状裂缝；各所述轴向裂缝位于两两所述环形裂缝之间且平行于钻孔轴向的长条形裂缝，包括以下步骤：
2.2.1)启动钻机，使得钻杆到达钻孔内预设位置处；
2.2.2)操作钻机使钻杆保持原位旋转，同时启动射流器对孔壁进行切割，使孔壁内形成第一条环形裂缝；
2.2.3)操作钻机使钻杆停止转动并按预设速度后退钻杆，同时保持射流器处于启动状态，对孔壁进行切割，使钻孔内形成若干条与钻孔平行的轴向裂缝；
2.2.4)到达预设位置后，再次操作钻机使钻杆保持原位旋转，同时保持射流器处于启动状态，对孔壁进行切割，使孔壁内形成第二条环形裂缝；
2.2.5)重复步骤2.2.3)～2.2.4)，直至按设计施工完成该钻孔内的所有环形裂缝和轴向裂缝；
2.2.6)关闭射流器停止射流，退出所有钻杆；
2.3)重复步骤2.1)～2.2)，按照钻孔设计参数完成其他钻孔的施工和预制裂缝切割；
3)对步骤2)中的各钻孔进行爆破，使得无煤区内各钻孔内的岩石破裂，便于回采工作面过无煤区时采煤机能够直接切割岩石。
2.如权利要求1所述的一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，其特征在于，所述步骤1)中，钻孔为从巷道向回采工作面施工的平行于或近似平行于巷道底板的钻孔。
3.如权利要求1所述的一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，其特征在于，所述射流器外壁上设置有一个以上用于安装喷嘴的凹槽，各喷嘴均与射流器内的空腔相连通。
4.如权利要求1所述的一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，其特征在于，所述射流器采用不锈钢材质制作。
5.如权利要求1所述的一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，其特征在于，所述高压泵输出的高压水的压力在30-80MPa。
6.如权利要求1所述的一种煤矿回采工作面快速通过无煤区的方法，其特征在于，所述步骤3)中，对钻孔进行爆破时，在钻孔内部安装炸药并封孔，在封孔内侧放置雷管，并通过爆破引线引出至起爆器，启动起爆器进行爆破，使孔内岩石破裂。
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