CN114961684A - 具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法 - Google Patents
具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，属于煤矿安全领域，首先通过施工小直径的钻孔为后续撞击致裂煤岩体提供导向通道，而后采用扩孔工艺施工大直径钻孔，待大直径钻孔钻进至预定致裂位置后，随即退钻并将致裂圆锥体与钻杆连接，而后待致裂圆锥体至预定位置后，开启撞击致裂装置对钻杆进行冲击，使得致裂圆锥体由大直径钻孔段逐渐进入小直径的钻孔内；在此过程中，致裂圆锥体将通过挤压钻孔变径处的煤岩体，使得煤岩体产生大量的次生裂隙，实现煤层增透与冲击地压防治协同进行，最终使得工作面在回采前实现瓦斯抽采达标与冲击地压解危的双重目的，进一步保障煤炭的安全生产。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全领域，涉及一种具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法。
背景技术
随着煤矿开采深度的不断增加，地应力与煤层瓦斯含量亦随之而升高，由冲击地压导致的瓦斯灾害事故时有发生，造成了大量的人员伤亡与财产损失，严重制约了先进产能的释放。我国的西北矿区存在多个具有冲击地压危险顶板下的煤炭回采工作面，且煤层瓦斯含量较高。该种工程条件下的矿井在煤炭开采的过程中，若顶板的冲击地压危险未解除，且瓦斯含量未实现采前瓦斯抽采达标，则煤炭的开采易导致冲击地压的发生，且由顶板产生的冲击地压将引发煤层瓦斯的大量异常涌出，是煤炭安全可持续供给的主要威胁。因此，研发某种适宜的工艺实施冲击地压与瓦斯共生灾害的防治是目前煤矿安全科技工作者亟需解决的关键科学问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，解决具有冲击地压危险性顶板的煤层瓦斯灾害与冲击地压共治的难题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，包括以下步骤：
S1：若回采工作面底板岩层内具备底板岩石巷的条件，则通过钻机连接小直径钻杆与小直径钻头，在底板岩石巷内往煤层及顶板岩层内施工上行的小直径钻孔；待小直径钻孔施工到预定位置后，退出小直径钻杆与小直径钻头，更换为扩孔钻杆与扩孔钻头，沿小直径钻孔的轴向方向施工大直径钻孔，直至孔口排出煤渣，退出扩孔钻杆与扩孔钻头；
S2：将扩孔钻头更换为致裂圆锥体，通过钻机推送至停止大直径钻孔停止钻进的位置；在钻机与扩孔钻杆间连接撞击致裂装置，启动钻机，使撞击致裂装置带动扩孔钻杆端部的致裂圆锥体作往返运动，对钻孔变径位置周围的煤体进行撞击，使周围的煤体产生次生裂隙；
S3：待致裂圆锥体将钻孔变径位置的煤体撞击破碎，扩大变径位置的小直径钻孔尾部的直径，并进入其中后，停止撞击；重新更换扩孔钻头继续施工大直径钻孔，每施工一定距离就更换为致裂圆锥体重复步骤S2-S3，直至施工到煤层顶板的上边界；然后调整钻机的方位角和倾角，重复S1～S3，直至对工作面煤体及顶板均实施完增透与防冲的协同连续作业；最后，将底板岩石巷内的钻孔均实施封堵，接入瓦斯抽采管道实施瓦斯抽采，并在回采工作面的运输顺槽内沿煤层倾向方向施工瓦斯抽采钻孔，封堵后接入瓦斯抽采管道实施瓦斯抽采；
S4：若回采工作面底板岩层内不具备底板岩石巷的条件，则通过钻机连接小直径钻杆与小直径钻头，在回采工作面的运输顺槽、回风顺槽内向煤层的顶板岩层内分别施工上行与下行的小直径钻孔；待小直径钻孔施工到预定位置后，退出小直径钻杆与小直径钻头，更换为扩孔钻杆与扩孔钻头，沿小直径钻孔的轴向方向施工大直径钻孔，直至钻进预定距离，退出扩孔钻杆与扩孔钻头；采用步骤S2-S3的方法每隔一定距离对大直径钻孔周围的煤(岩)体进行撞击，直至煤层顶板的上边界，然后将大直径钻孔进行封堵；
S5：在回采工作面的运输顺槽内沿煤层倾向方向施工上行的小直径钻孔，直至预定深度后，退出小直径钻杆与钻头更换为扩孔钻杆、扩孔钻头，沿小直径钻孔的轴向方向施工大直径钻孔；待大直径钻孔钻进40m后，随即停止钻进；采用步骤S2-S3的方法每隔一定距离对大直径钻孔周围的煤体进行撞击，并进行封堵后接入瓦斯抽采管道实施瓦斯抽采。
进一步，随着钻进深度的增加，不断添加小直径钻杆或扩孔钻杆进行延长。
进一步，所述撞击致裂装置包括机架，所述机架下方设有液压支撑柱，所述机架内一端设有旋转滑槽，另一端设有滑轨，所述滑轨上滑动连接有致裂触发柱，所述旋转滑槽通过轴承箱与机架外部的驱动轴旋转连接，所述旋转滑槽内设有滑动段，所述滑动段在旋转滑槽内滑动，所述滑动段通过万向结连接致裂触发柱。
进一步，还包括调节螺丝，通过调节螺丝对滑动段在旋转滑槽轴向方向的位置进行调节，进而改变单次旋转一周内致裂触发柱的撞击距离，从而改变单次致裂圆锥体的撞击距离。
进一步，步骤S2中，在钻机与扩孔钻杆间连接撞击致裂装置，具体包括：将撞击致裂装置的驱动轴与钻机的夹持装置连接，同时调整撞击致裂装置底部的液压支撑柱的高度，使得致裂触发柱的形心与孔口裸露的扩孔钻杆的形心对齐，且与扩孔钻杆连接。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，解决了具有冲击地压危险性顶板的煤层瓦斯灾害与冲击地压共治的难题；首先通过施工小直径的钻孔为后续撞击致裂煤岩体提供导向通道，而后采用扩孔工艺施工大直径钻孔，待大直径钻孔钻进至预定致裂位置后，随即退钻并将致裂圆锥体与钻杆连接，而后待致裂圆锥体至预定位置后，开启撞击致裂装置对钻杆进行冲击，使得致裂圆锥体由大直径钻孔段逐渐进入小直径的钻孔内；在此过程中，致裂圆锥体将通过挤压钻孔变径处的煤岩体，使得煤岩体产生大量的次生裂隙，实现煤层增透与冲击地压防治协同进行，最终使得工作面在回采前实现瓦斯抽采达标与冲击地压解危的双重目的，进一步保障煤炭的安全生产，本发明的具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，与以往的工艺方法相比具有以下优点：
(1)本发明特有的具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，与传统的水力压裂或超高压水力割缝相比，其对煤体的增透效果更好，所选用的致裂圆锥体还可同步加固钻孔内壁，且材质为黄铜材质，无撞击火花引发瓦斯***的威胁，故安全性高；
(2)本发明提供的具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，其依靠钻机驱动而使得致裂圆锥体产生的往复冲击运动，进而对煤层顶板实施致裂，操作简单，涉及的大型电气设备少，具有极强的技术适用性；
(3)本发明提供的具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，在具有底板岩石巷内作业时，可通过上行的钻孔连续对煤体实施增透，而后持续作业至煤层顶板内时，亦可对具有冲击危险性的顶板岩层实施致裂，从而解除顶板岩层的冲击危险性，实现了煤体增透与防冲的双重效果，属行业首创，具有极为显著的技术、经济效益。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为钻机、钻杆结构示意图；
图2为致裂圆锥体撞击示意图；
图3为撞击致裂装置结构示意图；
图4为回采工作面底板岩层内具备底板岩石巷的条件下实施示意图；
图5为回采工作面底板岩层内具备底板岩石巷的条件下实施的钻孔示意图；
图6为回采工作面底板岩层内不具备底板岩石巷的条件下实施示意图；
图7为回采工作面底板岩层内不具备底板岩石巷的条件下实施的钻孔示意图；
附图标记：钻机1、夹持机构2、小直径钻杆3、小直径钻头4、扩孔钻杆5、扩孔钻头6、致裂圆锥体7、撞击致裂装置8，机架81、液压支撑柱82、旋转滑槽83、滑轨84、轴承箱85、驱动轴86、致裂触发柱87、滑动段88、万向结89、调节螺丝810。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明首先提供一种撞击致裂装置8，如图3所示，包括机架81，所述机架81下方设有液压支撑柱82，所述机架81内一端设有旋转滑槽83，另一端设有滑轨84，所述滑轨84上滑动连接有致裂触发柱87，所述旋转滑槽83通过轴承箱85与机架81外部的驱动轴86旋转连接，所述旋转滑槽83内设有滑动段88，所述滑动段88在旋转滑槽83内滑动，所述滑动段88通过万向结89连接致裂触发柱87。还包括调节螺丝810，通过调节螺丝810对滑动段88在旋转滑槽83轴向方向的位置进行调节，进而改变单次旋转一周内致裂触发柱87的撞击距离，从而改变单次致裂圆锥体7的撞击距离。
本发明提供的一种具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，包括以下步骤：
如图1-5所示，S1：若回采工作面底板岩层内具备底板岩石巷的条件，则应用钻机1在底板岩石巷内往煤层及顶板岩层内施工上行的小直径钻孔；所述小直径钻孔所需的钻具为小直径钻杆3与小直径钻头4；待小直径钻孔施工完毕后，退出小直径钻杆3与小直径钻头4，而后将钻机1的夹持装置2与扩孔钻杆5、扩孔钻头6连接，沿小直径钻孔的轴向方向施工大直径钻孔；在大直径钻孔钻进过程中，若孔口排出了煤渣了，则表明此时大直径钻孔的钻进位置已进入了煤层内，故此时停止钻进；并退出扩孔钻杆5与扩孔钻头6；
S2：而后将致裂圆锥体7与若干扩孔钻杆5连接，而后通过钻机1的夹持装置2将连接有致裂圆锥体7的若干扩孔钻杆5推送至停止大直径钻孔停止钻进的位置；而后，拆除钻机1的夹持装置2与扩孔钻杆5的连接，并将撞击致裂装置8的驱动轴86与钻机1的夹持装置2连接，同时调整撞击致裂8装置底部的液压支撑柱82的高度，使得致裂触发柱87的形心与孔口裸露的扩孔钻杆5的形心对齐，且与扩孔钻杆5连接；而后开启钻机1使得驱动轴86产生旋转运动，进一步使得致裂触发柱87在滑轨84做往复运动，进而带动扩孔钻杆5与致裂圆锥体7做往返运动；致裂圆锥体7将在钻孔变径位置对周围煤体进行撞击，使其周围的煤体产生大量的次生裂隙，进而提高煤体的渗透特性，以便于后期的瓦斯抽采；
S3：待致裂触发柱87的往复运动使得致裂圆锥体7将钻孔变径位置的煤体撞击破碎后，其将扩大变径位置的小直径钻孔尾部的直径，并进入其中；此时即可停止撞击；拆除钻机1夹持装置2与驱动轴86的连接、拆除致裂触发柱87与扩孔钻杆5的连接，并依次退出钻孔内的扩孔钻杆5与扩孔钻头6；而后，将钻机夹持装置2与扩孔钻杆5、扩孔钻头6连接，并持续施工大直径钻孔，待钻进2m后，随即停止钻进；重复S2，直至煤层顶板的上边界；而后，调整钻机1的方位角和倾角，重复S1～S3，直至对工作面煤体及顶板均实施完增透与防冲的协同连续作业；在本实施例中，小直径钻孔见煤点距离顺槽边界50m，瓦斯抽采钻孔终孔位置距离回风顺槽边界20m；最后，将底板岩石巷内的钻孔均实施封堵，而后与连管连接后，随即接入瓦斯抽采管道实施瓦斯抽采；最后，在回采工作面的运输顺槽内沿煤层倾向方向施工瓦斯抽采钻孔，并进行封堵后随即与连管连接后，接入瓦斯抽采管道实施瓦斯抽采；如图5所示，为通过步骤S1-S3实施的钻孔与瓦斯抽采钻孔的位置示意图，可出现小直径钻孔未与瓦斯抽采钻孔相交的情况，和小直径钻孔与瓦斯抽采钻孔相交的情况，图中圆圈代表被致裂圆锥体7撞击出的见煤点，当瓦斯抽采钻孔与小直径钻孔相交时，可直接实现瓦斯抽采，当瓦斯抽采钻孔未与小直径钻孔相交时，小直径钻孔中的瓦斯可通过煤体周围的次生裂隙进入瓦斯抽采钻孔，从而实现瓦斯抽采。
S4：如图6-7所示，若回采工作面底板岩层内不具备底板岩石巷的条件，则应用钻机1在回采工作面的运输顺槽、回风顺槽内向煤层的顶板岩层内分别施工上行与下行的小直径钻孔；所述小直径钻孔所需的钻具为小直径钻杆3与小直径钻头4；待小直径钻孔施工完毕后，退出小直径钻杆3与小直径钻头4，而后将钻机1的夹持装置2与扩孔钻杆5、扩孔钻头6连接，沿小直径钻孔的轴向方向施工大直径钻孔；待大直径钻孔钻进40m后，随即停止钻进；而后，重复S2，所不同之处在于无需对实施撞击致裂后的钻孔实施瓦斯抽采，仅进行封堵作业即可；在本实施例中，小直径终孔位置距离回风顺槽边界40m。
S5：而后在回采工作面的顺槽内沿煤层倾向方向施工上行的小直径钻孔，待小直径钻孔施工完毕后，退出小直径钻杆3与小直径钻头4，而后将钻机1的夹持装置2与扩孔钻杆5、扩孔钻头6连接，沿小直径钻孔的轴向方向施工大直径钻孔；待大直径钻孔钻进40m后，随即停止钻进；而后，重复S2，并进行封堵后随即与连管连接后，接入瓦斯抽采管道实施瓦斯抽采。如图7所示，即为通过步骤S4-S5实施的钻孔示意图，瓦斯抽采管道通过煤体周围的次生裂缝对瓦斯进行抽采。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：若回采工作面底板岩层内具备底板岩石巷的条件，则通过钻机连接小直径钻杆与小直径钻头，在底板岩石巷内往煤层及顶板岩层内施工上行的小直径钻孔；待小直径钻孔施工到预定位置后，退出小直径钻杆与小直径钻头，更换为扩孔钻杆与扩孔钻头，沿小直径钻孔的轴向方向施工大直径钻孔，直至孔口排出煤渣，退出扩孔钻杆与扩孔钻头；
S2：将扩孔钻头更换为致裂圆锥体，通过钻机推送至停止大直径钻孔停止钻进的位置；在钻机与扩孔钻杆间连接撞击致裂装置，启动钻机，使撞击致裂装置带动扩孔钻杆端部的致裂圆锥体作往返运动，对钻孔变径位置周围的煤体进行撞击，使周围的煤体产生次生裂隙；
S3：待致裂圆锥体将钻孔变径位置的煤体撞击破碎，扩大变径位置的小直径钻孔尾部的直径，并进入其中后，停止撞击；重新更换扩孔钻头继续施工大直径钻孔，每施工一定距离就更换为致裂圆锥体重复步骤S2-S3，直至施工到煤层顶板的上边界；然后调整钻机的方位角和倾角，重复S1～S3，直至对工作面煤体及顶板均实施完增透与防冲的协同连续作业；最后，将底板岩石巷内的钻孔均实施封堵，接入瓦斯抽采管道实施瓦斯抽采，并在回采工作面的运输顺槽内沿煤层倾向方向施工瓦斯抽采钻孔，封堵后接入瓦斯抽采管道实施瓦斯抽采；
S4：若回采工作面底板岩层内不具备底板岩石巷的条件，则通过钻机连接小直径钻杆与小直径钻头，在回采工作面的运输顺槽、回风顺槽内向煤层的顶板岩层内分别施工上行与下行的小直径钻孔；待小直径钻孔施工到预定位置后，退出小直径钻杆与小直径钻头，更换为扩孔钻杆与扩孔钻头，沿小直径钻孔的轴向方向施工大直径钻孔，直至钻进预定距离，退出扩孔钻杆与扩孔钻头；采用步骤S2-S3的方法每隔一定距离对大直径钻孔周围的煤体或岩体进行撞击，直至煤层顶板的上边界，然后将大直径钻孔进行封堵；
S5：在回采工作面的运输顺槽内沿煤层倾向方向施工上行的小直径钻孔，直至预定深度后，退出小直径钻杆与钻头更换为扩孔钻杆、扩孔钻头，沿小直径钻孔的轴向方向施工大直径钻孔；待大直径钻孔钻进40m后，随即停止钻进；采用步骤S2-S3的方法每隔一定距离对大直径钻孔周围的煤体进行撞击，并进行封堵后接入瓦斯抽采管道实施瓦斯抽采。
2.根据权利要求1所述的具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，其特征在于：随着钻进深度的增加，不断添加小直径钻杆或扩孔钻杆进行延长。
3.根据权利要求1所述的具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，其特征在于：所述撞击致裂装置包括机架，所述机架下方设有液压支撑柱，所述机架内一端设有旋转滑槽，另一端设有滑轨，所述滑轨上滑动连接有致裂触发柱，所述旋转滑槽通过轴承箱与机架外部的驱动轴旋转连接，所述旋转滑槽内设有滑动段，所述滑动段在旋转滑槽内滑动，所述滑动段通过万向结连接致裂触发柱。
4.根据权利要求3所述的具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，其特征在于：还包括调节螺丝，通过调节螺丝对滑动段在旋转滑槽轴向方向的位置进行调节，进而改变单次旋转一周内致裂触发柱的撞击距离，从而改变单次致裂圆锥体的撞击距离。
5.根据权利要求4所述的具有冲击地压危险性顶板的煤层增透与防冲协同连续作业方法，其特征在于：步骤S2中，在钻机与扩孔钻杆间连接撞击致裂装置，具体包括：将撞击致裂装置的驱动轴与钻机的夹持装置连接，同时调整撞击致裂装置底部的液压支撑柱的高度，使得致裂触发柱的形心与孔口裸露的扩孔钻杆的形心对齐，且与扩孔钻杆连接。
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