本发明专利技术公开了一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置，属于煤矿开采领域。采用等离子体装置，在上覆煤层开采时，对下伏煤层厚硬顶板进行预裂，达到超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的。本发明专利技术充分利用离子间的强烈运动瞬间产生高温、高压的特性，形成冲击波使岩体产生裂隙并扩展，操作方便，方法简单；使采空区的悬顶面积减小，缩短初次来压和周期来压步距，降低来压强度,达到减小或消除厚硬顶板对矿井安全生产的危害，大幅提高顶板管理的安全性，与现有弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的系统及方法相比是一种“粗放式”向“精细式”的转变，实现了煤矿绿色开采，安全生产。
【技术实现步骤摘要】
等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置
本专利技术涉及一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置，属于煤矿开采领域。
技术介绍
我国煤矿大都使用下行开采方法，即先采上覆煤层后采下伏煤层，且许多矿区的下伏煤层存在厚度大、强度高、节理裂隙不发育、完整性好的厚硬顶板。当工作面不断向前推进时,采场厚硬顶板的悬顶面积会逐渐增大而不垮落，而且采场厚硬顶板的初次/周期来压步距也会增大,并积聚大量的能量,当采场厚硬顶板突然垮落时，积聚的能量就会瞬间释放出来，从而引发剧烈的冲击动力灾害，造成设备损坏，人员伤亡，严重危害矿井安全生产。通过弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压，可以使采空区的悬顶面积减小，缩短初次来压和周期来压步距，从而降低来压强度,达到减小或消除厚硬顶板对矿井安全生产的危害。目前，国内外对下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的弱化方法主要分为:爆破法、水力压裂法、注水弱化法等。爆破法的施工工程量大，可控性差,尤其对于高瓦斯矿井容易引发瓦斯爆炸,存在安全隐患；水力压裂法不仅消耗了大量的水资源,而且预裂过程中高压压裂液中的化学试剂容易污染井下环境；注水弱化法虽然施工简单，但弱化区域范围有限，其弱化煤层开采厚硬顶板强矿压效果不佳。施工地点主要在：厚硬顶板煤层、地面。若在厚硬顶板煤层的工作面两侧巷道中预裂顶板，则向顶板打钻孔施工速度较慢，且空间较小，影响采煤进度；若在地面提前预裂煤层厚硬顶板，煤层埋藏较深时，则不易施工。因此,需要寻找一种效率高、易控制、效果好的弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的系统及方法来保障安全生产。等离子态是一种区别于固态、液态和气态的聚集态，当某些液体受外界能量激发生成液相等离子体，利用离子间强烈运动瞬间产生高温、高压的特性，形成冲击波使岩体产生裂隙并扩展。目前它已被广泛应用于油气钻井、开采，金属的切割，定向破碎岩块。然而，等离子体弱化强矿压的技术在煤炭开采
(尤其在等离子体超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压方面)的应用却很少。并且在上覆煤层开采时，超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压，向下打钻孔较为容易，与上、下煤层采煤工作互不干扰。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法和装置，不仅效率高、易控制、效果好、灵活性强、无尘、无噪，可以避免前述方法的劣势和不足，而且充分利用离子间的强烈运动瞬间产生高温、高压的特性，在上覆煤层开采时，形成冲击波使下伏煤层厚硬顶板产生裂隙并扩展，降低顶板的完整性，达到超前弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的，从而实现煤矿绿色开采，安全生产。本专利技术提供了一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，包括以下步骤：第一步：开采上覆煤层时，在上覆煤层采煤工作面用高压电缆将等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、电极稳固装置、液相放电等离子体电极连接；同时用信号传输线将等离子体脉冲控制器、数据采集仪、信号放大器、检波探头连接；再用两用水管将储水罐、高压泵、冷却器、等离子体发生器连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀控制开关；最后用两用水管将高压泵、压力表、高压水喷头连接，通过高压水喷头控制阀控制开关；并与井下供电系统相连接；第二步：在上覆煤层采煤工作面底板向下伏煤层厚硬顶板打一排孔，孔间距d为6～18米，钻孔沿上覆煤层采煤工作面推进方向垂直布置，第一个钻孔称为等离子体致裂钻孔，第二个钻孔称为检波钻孔；第三步：将两用水管、高压水喷头，液相放电等离子体电极、电极稳固装置、高压电缆穿过钻孔封隔器，并布置在第二步钻取的等离子体致裂钻孔的底部，使钻孔封隔器膨胀封孔，同时将信号传输线、检波探头布置在第二步钻取的检波钻孔的底部；第四步：打开高压水喷头控制阀，储水罐内的水经高压泵、两用水管、高压水喷头射入等离子体致裂钻孔中，通过压力表观察，当水充满等离子体致裂钻孔内部时，关闭高压水喷头控制阀；第五步：交流电经过等离子体发生器、高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极放电后，电能迅速转换为冲击能，充水的等离子体致裂钻孔中的压力迅速增加，使下伏煤层厚硬顶板的原始裂隙开始扩展并产生新的裂隙；同时检波探头接收到液相放电等离子体电极发出的信号，通过信号放大器、信号传输线传到数据采集仪，并分析接收到的反射波形延迟时间频谱情况，对下伏煤层厚硬顶板的裂隙发育情况进行分析，操作等离子体脉冲控制器从而调整放电频率，直至等离子体致裂钻孔周围的厚硬顶板实现致裂；第六步：关闭等离子体发生器，回收高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极和两用水管、高压喷水头以及检波探头，然后打开等离子体发生器冷却控制阀，储水罐的水通过两用水管经高压泵、冷却器、等离子体发生器回到储水罐，对等离子体发生器进行冷却降温后，关闭等离子体发生器冷却控制阀，最后封堵等离子体致裂钻孔；第七步：将检波钻孔作为下一个等离子体致裂钻孔，相邻的未致裂钻孔作为新的检波钻孔，重复第三步至第六步，直至第二步钻取的钻孔周围的厚硬顶板全部致裂完成，实现弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的；第八步：当上覆煤层采煤工作面继续推进时，重复第二步至第七步，直至上覆煤层开采结束。优选地，上述第二步中，钻孔直径do为120mm～280mm。优选地，上述第二步中，向下伏煤层厚硬顶板打钻孔深度h在40m～150m。优选地，上述第二步中，钻孔与上覆煤层采煤工作面底板的夹角a范围在75º～90º。优选地，上述第三步中，钻孔封隔器工作压力为20MPa～40MPa。优选地，上述第三步中，钻孔封隔器距钻孔底部为1m～3m。优选地，上述第三步中，钻孔封隔器选用自封式、压缩式或组合式钻孔封隔器。优选地，上述第四步中，储水罐内的水可使用过滤后的矿井水。优选地，上述第四步中，充水的等离子体致裂钻孔中可加入电解质溶液，所述电解质溶液包括NaOH溶液。优选地，上述第五步中，液相放电等离子体电极放电电压为100kV～220kV，放电频率为100Hz～600Hz。优选地，上述第八步中，工作面推进距离为10m～20m。本专利技术提供了一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的装置，包括等离子体发生器，等离子体脉冲控制器，高压电缆，电极稳固装置，液相放电等离子体电极，数据采集仪，信号放大器，信号传输线，检波探头，储水罐，高压泵，冷却器，压力表，两用水管，高压水喷头，等离子体发生器冷却控制阀，高压水喷头控制阀；等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、电极稳固装置、液相放电等离子体电极通过高压电缆连接；等离子体发生器将电能通过高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极进行释放，其中高压电缆负责将电能进行传输，电极稳固装置保证液相放电等离子体电极的正常工作；等离子体脉冲控制器、数据采集仪、信号放大器、检波探头依次通过信号传输线连接；检波探头负责接收穿过煤/岩体的波形信号，并通过信号传输线将波形数据传输到信号放大器，信号放大器将波形数据进行放大处理后，最终传输到数据采集仪，数据采集仪将得到的波形数据进行分析，判断煤/岩体的致裂效果；储水罐、高压泵、冷却器、等离子体发生器、通过两用水管连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀T1控制开关；高压泵将储水罐的水通过两用水管再经冷却器冷却后，输送到等离子体发生器，对等离子体发生器进行降温，避免等离子本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：开采上覆煤层时，在上覆煤层采煤工作面用高压电缆将等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、电极稳固装置、液相放电等离子体电极连接；同时用信号传输线将等离子体脉冲控制器、数据采集仪、信号放大器、检波探头连接；再用两用水管将储水罐、高压泵、冷却器、等离子体发生器连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀控制开关；最后用两用水管将高压泵、压力表、高压水喷头连接，通过高压水喷头控制阀控制开关；并与井下供电系统相连接；第二步：在上覆煤层采煤工作面底板向下伏煤层厚硬顶板打一排孔，孔间距d为6～18米，钻孔沿上覆煤层采煤工作面推进方向垂直布置，第一个钻孔称为等离子体致裂钻孔，第二个钻孔称为检波钻孔；第三步：将两用水管、高压水喷头，液相放电等离子体电极、电极稳固装置、高压电缆穿过钻孔封隔器，并布置在第二步钻取的等离子体致裂钻孔的底部，使钻孔封隔器膨胀封孔，同时将信号传输线、检波探头布置在第二步钻取的检波钻孔的底部；第四步：打开高压水喷头控制阀，储水罐内的水经高压泵、两用水管、高压水喷头射入等离子体致裂钻孔中，通过压力表观察，当水充满等离子体致裂钻孔内部时，关闭高压水喷头控制阀；第五步：交流电经过等离子体发生器、高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极放电后，电能迅速转换为冲击能，充水的等离子体致裂钻孔中的压力迅速增加，使下伏煤层厚硬顶板的原始裂隙开始扩展并产生新的裂隙；同时检波探头接收到液相放电等离子体电极发出的信号，通过信号放大器、信号传输线传到数据采集仪，并分析接收到的反射波形延迟时间频谱情况，对下伏煤层厚硬顶板的裂隙发育情况进行分析，操作等离子体脉冲控制器从而调整放电频率，直至等离子体致裂钻孔周围的厚硬顶板实现致裂；第六步：关闭等离子体发生器，回收高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极和两用水管、高压喷水头以及检波探头，然后打开等离子体发生器冷却控制阀，储水罐的水通过两用水管经高压泵、冷却器、等离子体发生器回到储水罐，对等离子体发生器进行冷却降温后，关闭等离子体发生器冷却控制阀，最后封堵等离子体致裂钻孔；第七步：将检波钻孔作为下一个等离子体致裂钻孔，相邻的未致裂钻孔作为新的检波钻孔，重复第三步至第六步，直至第二步钻取的钻孔周围的厚硬顶板全部致裂完成，实现弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的；第八步：当上覆煤层采煤工作面继续推进时，重复第二步至第七步，直至上覆煤层开采结束。...
【技术特征摘要】
1.一种等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：开采上覆煤层时，在上覆煤层采煤工作面用高压电缆将等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、电极稳固装置、液相放电等离子体电极连接；同时用信号传输线将等离子体脉冲控制器、数据采集仪、信号放大器、检波探头连接；再用两用水管将储水罐、高压泵、冷却器、等离子体发生器连接形成完整回路，通过等离子体发生器冷却控制阀控制开关；最后用两用水管将高压泵、压力表、高压水喷头连接，通过高压水喷头控制阀控制开关；并与井下供电系统相连接；第二步：在上覆煤层采煤工作面底板向下伏煤层厚硬顶板打一排孔，孔间距d为6～18米，钻孔沿上覆煤层采煤工作面推进方向垂直布置，第一个钻孔称为等离子体致裂钻孔，第二个钻孔称为检波钻孔；第三步：将两用水管、高压水喷头，液相放电等离子体电极、电极稳固装置、高压电缆穿过钻孔封隔器，并布置在第二步钻取的等离子体致裂钻孔的底部，使钻孔封隔器膨胀封孔，同时将信号传输线、检波探头布置在第二步钻取的检波钻孔的底部；第四步：打开高压水喷头控制阀，储水罐内的水经高压泵、两用水管、高压水喷头射入等离子体致裂钻孔中，通过压力表观察，当水充满等离子体致裂钻孔内部时，关闭高压水喷头控制阀；第五步：交流电经过等离子体发生器、高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极放电后，电能迅速转换为冲击能，充水的等离子体致裂钻孔中的压力迅速增加，使下伏煤层厚硬顶板的原始裂隙开始扩展并产生新的裂隙；同时检波探头接收到液相放电等离子体电极发出的信号，通过信号放大器、信号传输线传到数据采集仪，并分析接收到的反射波形延迟时间频谱情况，对下伏煤层厚硬顶板的裂隙发育情况进行分析，操作等离子体脉冲控制器从而调整放电频率，直至等离子体致裂钻孔周围的厚硬顶板实现致裂；第六步：关闭等离子体发生器，回收高压电缆、电极稳固装置、液相放电等离子体电极和两用水管、高压喷水头以及检波探头，然后打开等离子体发生器冷却控制阀，储水罐的水通过两用水管经高压泵、冷却器、等离子体发生器回到储水罐，对等离子体发生器进行冷却降温后，关闭等离子体发生器冷却控制阀，最后封堵等离子体致裂钻孔；第七步：将检波钻孔作为下一个等离子体致裂钻孔，相邻的未致裂钻孔作为新的检波钻孔，重复第三步至第六步，直至第二步钻取的钻孔周围的厚硬顶板全部致裂完成，实现弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的目的；第八步：当上覆煤层采煤工作面继续推进时，重复第二步至第七步，直至上覆煤层开采结束。2.根据权利要求1所述的等离子体弱化下伏煤层开采厚硬顶板强矿压的方法，其特征在于：第二步中，钻孔直径do为120mm～280mm，钻孔与上覆煤层采煤工作面底板的夹角a范围在75º～90º。3.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯国瑞，毋皓田，白锦文，王泽华，崔家庆，杨创前，杨文博，王昊晨，康立勋，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14
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