煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法技术

本发明专利技术公开了一种煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法，a.在采煤工作面、采空区或两巷位置安置液压式定向致裂弱化装置，液压式定向致裂弱化装置包括钻杆、钻机、钻孔钻头、液压式轴向切槽钻头、液压分裂机构、液压动力机构；b.将钻孔钻头安装在钻杆上，通过钻机驱动钻杆工作对坚硬顶板岩层需要弱化的位置进行钻孔施工；c.将液压式轴向切槽钻头安装在钻杆上，对坚硬顶板岩层段进行连续切槽形成轴向缝槽；d.将液压分裂机构安装在钻杆上，使坚硬顶板岩层按照既定方向完成液压式定向致裂弱化。本发明专利技术适用于煤层坚硬顶板弱化作业，操作简单，致裂弱化效率高，可实现坚硬顶板定向预裂和煤层卸压增透双重作用，为煤矿井下安全生产提高了保障。

Hydraulic directional cracking weakening method for hard roof of coal mine

The invention discloses a hydraulic directional cracking and weakening method for hard roof of coal mine. A hydraulic directional cracking and weakening device is installed at the position of coal mining face, goaf or two roadways. The hydraulic directional cracking and weakening device includes drill pipe, drill rig, drill bit, hydraulic axial slotting bit, hydraulic splitting mechanism and hydraulic power mechanism. B. The drill bit is installed on the drill pipe. Drilling drill pipe by drilling rig drives drill pipe to drill the position where the hard roof stratum needs to be weakened; C. installing hydraulic axial grooving bit on drill pipe to continuously groove the hard roof stratum to form an axial slot; D. installing hydraulic splitting mechanism on drill pipe to weaken the hard roof stratum by hydraulic directional cracking in the given direction. The invention is suitable for the coal seam hard roof weakening operation, has simple operation, high cracking and weakening efficiency, realizes the dual functions of directional pre-cracking of the hard roof and pressure relief and permeability enhancement of the coal seam, and improves the guarantee for the safety production of the underground coal mine.

【技术实现步骤摘要】
煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法
本专利技术涉及煤矿开采领域，特别涉及一种煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法。
技术介绍
在煤矿开采过程中，当煤层上方赋存有强度高、结构致密、节理裂隙构造不发育的坚硬顶板岩层时，由于其整体性好、自稳能力强，初次来压步距和周期来压步距都比较大，容易在采空区形成大面积悬顶。此类顶板冒落时具有瞬时性,形成空气冲击和顶板冲击双重作用，给工作面安全生产带来极大的威胁和隐患。我国有一半以上矿区分布有坚硬顶板，属于坚硬顶板煤层约占1/3。因此，为了达到工作面安全、高产高效生产，必须对顶板进行弱化处理，改变顶板岩体的物理力学性质，以减小顶板悬露面积，防止或减弱这种大面积顶板来压。此外，随着综合机械化的发展和对提高资源回收率的要求，沿空留巷、切顶卸压沿空自动成巷等无煤柱开采技术迅速发展，顶板弱化即是该技术的关键点和难点之一。目前，煤矿坚硬顶板弱化主要有以下几种方法：1、爆破弱化法，即利用爆破方法削弱坚硬顶板的整体性和原生结构，如申请号为201210230376.2的中国专利技术专利公开了一种在应力峰值区直接爆破卸压的深孔爆破顶板弱化方法；申请号为20180151194.3的中国专利技术专利公开了一种超前深孔预裂顶板沿空留巷方法；2、水力压裂弱化法，即采用高压注水对顶板进行压裂，在岩体中产生水压力、机械、物理和化学的作用，扩大和增加岩体中的裂隙和弱面。如公开号CN103541711B的中国专利技术专利公开了采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂控制方法；申请号为201710638644.7的中国专利技术专利公开了利用地面钻井进行化学溶蚀和水力压裂综合作用的弱化煤层坚硬顶板方法；申请号为201610522852.6的中国专利技术专利公开了一种L型钻孔压裂弱化顶板平行布孔的瓦斯抽采方法；3、气相压裂弱化法，即将气相压裂装置推送至顶板钻孔内进行预裂爆破弱化顶板的方法。如申请号为201410663423.1的中国专利技术专利公开了一种利用液态二氧化碳预裂的顶板弱化方法；申请号为201710933990.8的中国专利技术专利公开了一种针对富含粘土基质坚硬顶板，利用液氮低温冷冲击作用、气体致裂效益和脉冲疲劳弱化相结合的弱化方法；4、综合弱化方法，即将以上几种方法进行结合进行综合应用。如申请号为201510912242.2的中国专利技术专利公开了特大采场空间远近场井上下协同顶板控制方法，解决目前缺乏特大采场空间近场和远场坚硬顶板综合协同控制方法的问题。综上所述，以上坚硬顶板弱化方法都有其使用范围和局限性，如爆破弱化法不宜使用在煤质比较松软和直接顶比较破碎的煤层，在高瓦斯矿井和煤层应用时，也要采取一些必要的措施；爆破产生的冲击波容易引起煤岩体应力扰动，常伴有拒爆或哑炮等现象出现；水力压裂弱化法不适用于有粘土岩、泥岩、页岩夹层的坚硬岩层和有地质破坏带的区域，而且需消耗大量的水资源，增加了化学试剂的更容易造成地下水污染；气相压裂法工艺较为复杂，经济成本较高，气相爆破粉碎区消耗大部分的爆能，爆破生成粉末易堵塞裂隙，尤其对松软煤层的适应性差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法，利用液压机械方式对坚硬顶板进行定向胀裂，实现单孔串连和多孔并联定向高效致裂模式，从而有效解决工作面回采过程中出现的强矿压显现和高瓦斯矿井采空区裂隙带瓦斯超限问题，对沿空留巷和切顶成巷等无煤柱开采形成技术支撑，避免了工作面后方形成大面积悬顶和高应力集中诱发冲击矿压等灾害，实现坚硬顶板定向预裂和煤层卸压增透双重作用。本专利技术的煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法，包括以下步骤：a.在采煤工作面、采空区或两巷的巷道内安置液压式定向致裂弱化装置，所述液压式定向致裂弱化装置包括钻杆、用于驱动钻杆工作的钻机、用于向坚硬顶板岩层进行钻孔的钻孔钻头、用于对沿钻孔坚硬顶板岩层段进行切割形成轴向缝槽的液压式轴向切槽钻头、用于使钻孔坚硬顶板岩层段沿轴向缝槽裂开的液压分裂机构以及用于为液压式轴向切槽钻头和液压分裂机构提供动力的液压动力机构；b.将钻孔钻头安装在钻杆上，通过钻机驱动钻杆工作对坚硬顶板岩层需要弱化的位置进行钻孔施工，钻孔施工完成后清除钻孔内钻屑煤岩颗粒，并将钻杆退出；c.将钻杆上安装的钻孔钻头取下，并将液压式轴向切槽钻头安装在钻杆上，且液压式轴向切槽钻头与液压动力机构连接，通过钻机驱动钻杆工作将液压式轴向切槽钻头推送到预裂钻孔预定位置，此时，通过启动液压动力机构，使液压式轴向切槽钻头对钻孔孔壁坚硬顶板岩层段进行径向切割，并通过钻机驱动钻杆沿钻孔轴向进行往复运动，使液压式轴向切槽钻头对坚硬顶板岩层段沿钻孔轴向方向进行连续切槽形成轴向缝槽，对钻孔进行轴向缝槽施工完成后，将钻杆退出；d.将钻杆上安装的液压式轴向切槽钻头取下，并将液压分裂机构安装在钻杆上，且液压分裂机构与液压动力机构连接，通过钻机驱动钻杆工作将液压分裂机构推送到钻孔预定致裂坚硬顶板岩层段，并通过启动液压动力机构控制液压分裂机构工作，对坚硬顶板岩层进行定向胀裂，此时坚硬顶板岩层在液压分裂机构作用下沿轴向缝槽开始起裂，并进一步扩展延伸，从而使坚硬顶板岩层按照既定方向完成液压式定向致裂弱化。进一步，步骤b中钻孔施工为施工单个钻孔或者施工多个钻孔组成定向致裂弱化钻孔组，所述钻孔在巷道的斜向上进行施工，并施工到坚硬顶板岩层定向致裂预定位置，钻孔孔径不小于75mm。进一步，步骤d中，根据钻孔施工为施工单个钻孔或者施工多个钻孔组成定向致裂弱化钻孔组，液压分裂机构设置为一组或者多组，当施工单个钻孔时，液压分裂机构设置为一组；当施工定向致裂弱化钻孔组时，液压分裂机构的组数与定向致裂弱化钻孔组的钻孔数量相等，且各组液压分裂机构采用并联的方式与液压动力机构连接。进一步，每组液压分裂机构的数量根据钻孔内坚硬顶板岩层段的长度设定，每组的各液压分裂机构之间串联且以可拆的方式连接固定，每组液压分裂机构中位于外端的液压分裂机构与钻杆和液压动力机构连接。进一步，所述钻孔内坚硬顶板岩层段的长度L的计算公式为：式中：ymax为基本顶岩层弯曲下沉的数值，单位为米；M为采高，单位为米；Kp为碎胀系数；σ为钻孔倾斜角度，单位为度。进一步，所述液压分裂机构包括筒状外壳和多个沿筒状外壳轴向间隔设置的液压柱塞，所述筒状外壳一端设置有螺纹接头，另一端设置有与螺纹接头配合的螺孔，所述液压柱塞与轴向缝槽之间的夹角为85～95°。进一步，所述液压柱塞为6～8个，各液压柱塞之间以并联的方式连接。进一步，所述液压动力机构包括超高压液压泵站、高压管以及用于收放高压管的盘管器，所述高压管一端与超高压液压泵站连接，另一端与液压式轴向切槽钻头或液压分裂机构连接。进一步，所述钻机上设置有用于记录钻杆旋转角度的刻度盘。进一步，步骤c中，液压分裂机构安装在钻杆上后，钻杆与钻孔孔口段之间还设置有封孔器。本专利技术的有益效果：本专利技术的煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法，在煤层坚硬顶板钻孔施工完成后，拆卸钻头，重新安装液压式轴向切槽钻头，对沿钻孔方向坚硬顶板岩石段进行定向切槽造缝，作为定向弱化顶板的方向；然后拆卸液压式轴向切割钻头，将液压分裂机构与钻杆连接后下入钻孔致裂预定位置，使坚硬顶板按照既定方向形成裂隙，致裂完成后，进行下一作业；在煤层坚硬顶板弱化后，当工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法，其特征在于，包括以下步骤：a.在采煤工作面、采空区或两巷的巷道内安置液压式定向致裂弱化装置，所述液压式定向致裂弱化装置包括钻杆、用于驱动钻杆工作的钻机、用于向坚硬顶板岩层进行钻孔的钻孔钻头、用于对沿钻孔坚硬顶板岩层段进行切割形成轴向缝槽的液压式轴向切槽钻头、用于使钻孔坚硬顶板岩层段沿轴向缝槽裂开的液压分裂机构以及用于为液压式轴向切槽钻头和液压分裂机构提供动力的液压动力机构；b.将钻孔钻头安装在钻杆上，通过钻机驱动钻杆工作对坚硬顶板岩层需要弱化的位置进行钻孔施工，钻孔施工完成后清除钻孔内钻屑煤岩颗粒，并将钻杆退出；c.将钻杆上安装的钻孔钻头取下，并将液压式轴向切槽钻头安装在钻杆上，且液压式轴向切槽钻头与液压动力机构连接，通过钻机驱动钻杆工作将液压式轴向切槽钻头推送到预裂钻孔预定位置，此时，通过启动液压动力机构，使液压式轴向切槽钻头对钻孔孔壁坚硬顶板岩层段进行径向切割，并通过钻机驱动钻杆沿钻孔轴向进行往复运动，使液压式轴向切槽钻头对坚硬顶板岩层段沿钻孔轴向方向进行连续切槽形成轴向缝槽，对钻孔进行轴向缝槽施工完成后，将钻杆退出；d.将钻杆上安装的液压式轴向切槽钻头取下，并将液压分裂机构安装在钻杆上，且液压分裂机构与液压动力机构连接，通过钻机驱动钻杆工作将液压分裂机构推送到钻孔预定致裂坚硬顶板岩层段，并通过启动液压动力机构控制液压分裂机构工作，对坚硬顶板岩层进行定向胀裂，此时坚硬顶板岩层在液压分裂机构作用下沿轴向缝槽开始起裂，并进一步扩展延伸，从而使坚硬顶板岩层按照既定方向完成液压式定向致裂弱化。...

【技术特征摘要】
1.一种煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法，其特征在于，包括以下步骤：a.在采煤工作面、采空区或两巷的巷道内安置液压式定向致裂弱化装置，所述液压式定向致裂弱化装置包括钻杆、用于驱动钻杆工作的钻机、用于向坚硬顶板岩层进行钻孔的钻孔钻头、用于对沿钻孔坚硬顶板岩层段进行切割形成轴向缝槽的液压式轴向切槽钻头、用于使钻孔坚硬顶板岩层段沿轴向缝槽裂开的液压分裂机构以及用于为液压式轴向切槽钻头和液压分裂机构提供动力的液压动力机构；b.将钻孔钻头安装在钻杆上，通过钻机驱动钻杆工作对坚硬顶板岩层需要弱化的位置进行钻孔施工，钻孔施工完成后清除钻孔内钻屑煤岩颗粒，并将钻杆退出；c.将钻杆上安装的钻孔钻头取下，并将液压式轴向切槽钻头安装在钻杆上，且液压式轴向切槽钻头与液压动力机构连接，通过钻机驱动钻杆工作将液压式轴向切槽钻头推送到预裂钻孔预定位置，此时，通过启动液压动力机构，使液压式轴向切槽钻头对钻孔孔壁坚硬顶板岩层段进行径向切割，并通过钻机驱动钻杆沿钻孔轴向进行往复运动，使液压式轴向切槽钻头对坚硬顶板岩层段沿钻孔轴向方向进行连续切槽形成轴向缝槽，对钻孔进行轴向缝槽施工完成后，将钻杆退出；d.将钻杆上安装的液压式轴向切槽钻头取下，并将液压分裂机构安装在钻杆上，且液压分裂机构与液压动力机构连接，通过钻机驱动钻杆工作将液压分裂机构推送到钻孔预定致裂坚硬顶板岩层段，并通过启动液压动力机构控制液压分裂机构工作，对坚硬顶板岩层进行定向胀裂，此时坚硬顶板岩层在液压分裂机构作用下沿轴向缝槽开始起裂，并进一步扩展延伸，从而使坚硬顶板岩层按照既定方向完成液压式定向致裂弱化。2.根据权利要求1所述的煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法，其特征在于：步骤b中钻孔施工为施工单个钻孔或者施工多个钻孔组成定向致裂弱化钻孔组，所述钻孔在巷道的斜向上进行施工，并施工到坚硬顶板岩层定向致裂预定位置，钻孔孔径不小于75mm。3.根据权利要求2所述的煤矿坚硬顶板液压式定向致裂弱化方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘延保，巴全斌，孙海涛，赵旭生，申凯，熊伟，刘正杰，周厚权，孟祥辉，张碧川，马钱钱，向真才，王志锦，
申请(专利权)人：中煤科工集团重庆研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50