【技术实现步骤摘要】
管控坚硬岩层顶板不均匀性垮落的方法
[0001]本专利技术涉及煤炭安全生产
，尤其涉及一种管控坚硬岩层顶板不均匀性垮落的方法。
技术介绍
[0002]采煤工作面的坚硬岩层顶板强度高、节理裂隙少、承载能力强，当开采的煤层顶板为坚硬岩层顶板时，工作面推采后往往会在采空区形成大跨度的悬臂梁结构，导致工作面附近煤岩体静载和顶板初次来压步距增大，并积聚大量的能量。当采空区坚硬顶板在较高支承力作用下整体突然断裂垮落时，会引起大面积来压，积聚的能量就会瞬间释放出来，极易引发工作面冲击地压，造成设备损坏，人员伤亡，同时也会导致邻近煤层突然卸压，使得邻近层瓦斯大量涌入回采工作面和采空区，造成工作面瓦斯超限进而极易引发煤与瓦斯突出等大规模动力灾害。
[0003]目前，国内外针对坚硬岩层顶板大面积整体突然垮落导致瓦斯超限和冲击地压等动力灾害的防治措施主要有：爆破法弱化坚硬岩层顶板的强矿压、爆破强制切顶缩短来压步距、顶板注水压裂结合顺层钻孔预抽煤层瓦斯、穿层钻孔预抽煤层瓦斯和高抽巷抽采瓦斯等。上述方法虽然能取得一定的效果，但是也存在爆破法施工工程量大，可控性差，易发生瓦斯爆炸事故；水力压裂影响范围小，水资源浪费严重，效果不佳；钻孔抽采瓦斯周期长，成本高；顶板卸压效果不好，某些情况下坚硬岩层顶板还是会出现长距离悬顶，整体大面积垮落等问题，严重影响煤炭的安全生产。
技术实现思路
[0004]本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种操作简单、可控性好、适用性强，安全性高的管控坚硬岩层顶板不均匀性垮落的方法。>[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种管控坚硬岩层顶板不均匀性垮落的方法，其特征在于包括如下步骤：
[0006]计算工作面初次来压和周期来压步距；
[0007]根据初次来压和周期来压步距布置等离子体预裂钻孔的钻场，所述等离子体预裂钻孔从工作面两侧的运输巷和回风巷自下而上穿过煤层进入老顶；
[0008]将高压水管、高压水喷头、高压电缆、等离子体装置穿过钻孔封隔器布置在预裂孔中，并与井下供水系统、井下供电系统相连，向预裂孔内注入高压水，当水充满等离子体预裂钻孔后，停止注水；
[0009]接通电源，通过等离子体装置作用，将电能转化为冲击能，对钻孔周围的坚硬岩层进行致裂；
[0010]工作面进行回采作业：采煤机自运输巷一侧向回风巷一侧进行煤炭的截割，始终保持从运输巷到回风巷的截割深度由最小逐渐增至最大，返程时采煤机自回风巷到运输巷的截割深度由最大距离逐渐缩至最小，如此往复循环直至回风巷一侧回采距离达到初次来
压步距时，工作面开始平行推进；
[0011]当开采至停采线，等离子体预裂钻孔致裂的顶板几乎全部垮落完成后，逐渐调整截割深度，使工作面与运输巷和回风巷垂直，开采工作面剩余的煤炭资源。
[0012]进一步的技术方案在于：所述初次来压和周期来压步距根据板结构的破损极限分析建立如下公式计算：
[0013][0014][0015][0016]式中L0为初次来压步距，单位为m；L为周期来压步距，单位为m；k为岩层危裂系数，取0.25
‑
0.75；h为老顶岩层厚度，单位为m；q为老顶自重载荷，单位为KPa；σ为岩层抗拉强度，单位为MPa；E
i
为岩层弹性模量，单位GPa；h
i
为各岩层厚度，单位m；γ
i
为岩石容重，单位N/m3。
[0017]进一步的技术方案在于，所述等离子体预裂钻孔布置方式为：从回采工作面两侧的运输巷和回风巷自下而上施工，按最大倾角、最小倾角和中位角布设三个钻孔，从运输巷和回风巷各交错钻设等离子体预裂钻孔直至停采线，所述等离子体预裂钻孔直径取120mm
‑
200mm，所述等离子体预裂钻孔间距D应大于等于一个周期来压步距L，小于一个初次来压步距L0。
[0018]进一步的技术方案在于：所述等离子体预裂钻孔布设的最大倾角、最小倾角和中位角的计算方法为：
[0019][0020][0021][0022]式中A1为钻孔最小倾角，单位为
°
；A2为最大倾角，单位为
°
；A为中位角；h1为顶煤厚度，单位为m；h2为煤层顶板至老顶距离，单位为m；h3为老顶厚度，单位为m；W1为工作面宽度，单位为m；L为周期来压步距，单位为m。
[0023]进一步的技术方案在于：所述等离子体装置包括等离子体脉冲控制器、等离子体发生器、高压电缆、液相放电等离子体电极和电极稳固装置。
[0024]进一步的技术方案在于：所述钻孔封隔器选用自封式钻孔封隔器，所述钻孔封隔
器处于煤层顶板至老顶接壤处，位于煤层直接顶且距老顶1m
‑
2m。
[0025]进一步的技术方案在于：所述等离子体预裂钻孔内充入的水中要加入电解质溶液，所述电解质溶液主要成分为NaCl溶液。
[0026]进一步的技术方案在于：所述液相放电等离子体电极放电电压为110KV
‑
220KV，频率为100Hz
‑
500Hz。
[0027]进一步的技术方案在于：所述采煤机自运输巷一侧向回风巷一侧进行煤炭的截割，进刀比例控制为1:4，使得自运输巷道到回风巷的截割深度由0.2m逐渐增大至0.8m，返程时采煤机自回风巷到运输巷的截割深度由最大距离0.8m逐渐缩小至0.2m，如此往复循环直至回风巷与运输巷回采错距达到初次来压步距时，维持此近似扇形的倾斜工作面，不再倾斜移动液压支架，开始平行推进。
[0028]优选的，煤炭运输时使用刮板运输机进行运输。
[0029]采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术通过理论计算分析，可较为精确的得到施工顶板超前预裂钻孔的倾角范围，从而提高等离子体预裂钻孔致裂顶板的卸压效果，从根本上解决采空区坚硬岩层顶板不垮落，难垮落，长距离悬顶等问题。通过改变采煤机截割深度和移架方式，使回采工作面从回风巷向运输巷一侧倾斜，形成近似扇形的倾斜回采工作面，随着回采工作面的推进，经过等离子体预裂钻孔致裂后的坚硬岩层顶板就会从回风巷一侧向运输巷一侧开始逐步小面积垮落，有效避免了采空区上部顶板一次性大面积垮落造成的冲击地压和瓦斯超限等问题。综上，本专利技术操作简便，可控性好，受地应力影响小，适应性强，效果好，同时也可适用于复杂地质条件下坚硬岩层顶板的控制。
附图说明
[0030]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0031]图1是本专利技术实施例所述方法的流程图；
[0032]图2是本专利技术实施例中工作面回采截割移架方法示意图；
[0033]图3是本专利技术实施例中等离子体超前预裂钻孔钻场布置示意图；
[0034]图4是本专利技术实施例中等离子体超前预裂钻孔控制范围示意图；
[0035]图5是本专利技术实施例中超前预裂钻孔孔内部装填示意图；
[0036]其中：1、运输巷，2、回风巷，3、采煤机，4本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种管控坚硬岩层顶板不均匀性垮落的方法，其特征在于包括如下步骤：计算工作面初次来压和周期来压步距；根据初次来压和周期来压步距布置等离子体预裂钻孔(6)的钻场，所述等离子体预裂钻孔(6)从工作面两侧的运输巷(1)和回风巷(2)自下而上穿过煤层进入老顶；将高压水管(10)、高压水喷头(8)、高压电缆(11)、等离子体装置(7)穿过钻孔封隔器(9)布置在预裂孔中，并与井下供水系统、井下供电系统相连，向预裂孔(6)内注入高压水和电解质溶液，当水充满等离子体预裂钻孔(6)后，停止注水；接通电源，通过等离子体装置(7)作用，将电能转化为冲击能，对钻孔周围的坚硬岩层进行致裂；工作面进行回采作业：采煤机(3)自运输巷(1)一侧向回风巷(2)一侧进行煤炭的截割，始终保持从运输巷到回风巷的截割深度由最小逐渐增至最大，返程时采煤机(3)自回风巷(2)到运输巷(1)的截割深度由最大距离逐渐缩至最小，如此往复循环直至回风巷(2)一侧回采距离达到初次来压步距时，工作面开始平行推进；当开采至停采线，等离子体预裂钻孔(6)致裂的顶板几乎全部垮落完成后，逐渐调整截割深度，使工作面与运输巷(1)和回风巷(2)垂直，开采工作面剩余的煤炭资源。2.如权利要求1所述的管控坚硬岩层顶板不均匀性垮落的方法，其特征在于，所述初次来压和周期来压步距根据板结构的破损极限分析建立如下公式计算：来压和周期来压步距根据板结构的破损极限分析建立如下公式计算：来压和周期来压步距根据板结构的破损极限分析建立如下公式计算：式中L0为初次来压步距，单位为m；L为周期来压步距，单位为m；k为岩层危裂系数，取0.25
‑
0.75；h为老顶岩层厚度，单位为m；q为老顶自重载荷，单位为KPa；σ为岩层抗拉强度，单位为MPa；E
i
为岩层弹性模量，单位GPa；h
i
为各岩层厚度，单位m；γ
i
为岩石容重，单位N/m3。3.如权利要求1所述的管控坚硬岩层顶板不均匀性垮落的方法，其特征在于，所述等离子体预裂钻孔布置方式为：从回采工作面两侧的运输巷(1)和回风巷(2)自下而上施工，按最大倾角、最小倾角和中位角布设三个钻孔，从运输巷(1)和回风巷(2)各交错钻设等离子体预裂钻孔(7)直至停采线，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑禄林，胥进，兰红，赵春，王正，邱青，李法良，黎波，赵禹，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：
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