一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法技术

本发明专利技术公开了一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法，涉及煤矿井工开采技术领域，包括水刀定向切缝工艺与灌注式膨胀剂组合方法以及水刀定向切缝工艺与装有膨胀剂的膨胀药卷组合方法，所述水刀定向切缝工艺与灌注式膨胀剂组合方法采用水刀切缝设备和钻孔注浆设备配合实现，切顶钻孔施工后，进行水刀切顶施工，采用水刀技术在顶板钻孔内定向切割裂缝。本发明专利技术通过采用水刀定向切缝+静态膨胀剂技术致裂煤层顶板，水刀定向切缝形成预制裂隙可以有效降低裂纹扩展所需的膨胀压力，最大程度发挥膨胀剂的作用，通过A、B端头链接A、B药卷提前实现将静态破碎剂装入钻孔内，使用A、B型药卷可以有选择填充静态破碎剂以精确选择预裂岩层。确选择预裂岩层。确选择预裂岩层。

【技术实现步骤摘要】
一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法


[0001]本专利技术涉及煤矿井工开采
，具体涉及一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法。

技术介绍

[0002]坚硬难冒顶板的煤层采用长壁工作面开采时，采空区易形成大面积悬顶，悬顶在超过极限面积后，大面积的顶板在极短时间内冒落，会严重影响工作面的安全生产，防止顶板大面积来压和冒落主要方法是提前要对巷道顶板、工作面顶板进行预裂，预裂时施工顶板钻孔然后使用爆破、破碎剂、水力或机械方式将顶板预裂，由于静态膨胀剂使用安全、方便、无有害气体、无振动且作用力持续时间长，是一种较为理想的顶板预裂方法，在钻孔有限空间及围岩制约等因素影响下，膨胀剂的膨胀力有限，很难致裂煤岩体；因此，需要配合钻孔内水刀切缝，形成定向裂缝的条件下，静态膨胀剂可以更容易的沿着已切割形成的裂缝向外扩展，依靠自身长时间的稳定反应，通过膨胀应力持续弱化顶板岩层，使得岩层内部产生张拉破坏并诱发内部裂纹的产生与扩展，直至贯通形成宏观裂隙，达到弱化致裂煤层顶板的目的。
[0003]针对煤矿井工开采中坚硬顶板垮落困难问题，目前常用深孔爆破破坏煤层顶板完整性，以促进采后顶板垮落和降低巷道围岩应力，实现沿空留巷或小煤柱开采，目前对于炸药的监管日益严苛，同时爆破产生的震动、粉尘、有毒气体等会影响工作面正常生产，爆破预裂顶板在使用过程中受到很大程度的限制，而静态膨胀剂可以用作煤层顶板预裂的方法之一，作为一种安全无机材料，与水混合后可对钻孔施加膨胀压力以促进孔周裂纹产生和扩展，但是与炸药相比，静态膨胀剂膨胀力小，很难致裂无自由面的煤岩体，另外静态膨胀剂均匀向四周膨胀，致裂裂隙的方向性无法确定。
[0004]因此，本专利技术使用钻孔内水刀定向切缝技术的基础上(专利：202022380422.X，201921005611.X，202011146342.6)，与静态膨胀剂相组合的方法实现煤层顶板的定向致裂，尤其是利用膨胀剂持续膨胀时间长的特点，膨胀作用可以持续到顶板进入采空区之后，在膨胀剂、矿压及自身的重力作用下快速充分垮落，达到致裂顶板的目的。
[0005]现有技术存在以下问题：
[0006]1.采用二氧化碳致裂技术利用二氧化碳受热后由液态转为气态，产生体积膨胀的原理使顶板开裂，该技术仅适用于较完整的顶板，应用范围相对较小，存在着二氧化碳的储存、运输与应用过于不便的问题，且二氧化碳含量超标会造成一定危险，影响煤矿井下安全生产；
[0007]2.水力压裂技术为向钻孔内注入高压水分段压裂顶板岩石并破坏其完整性，应用广泛，但需要较大设备、人为管控压裂效果较差、施工效率低、破岩效率一般、影响正常生产等问题；
[0008]3.预裂爆破技术为通过在工作面顺槽预先对顶板进行深孔爆破形成裂缝，随工作面回采顶板自行垮落，是目前应用范围最广、效果最好的顶板致裂技术，但存在着成本较
高、有明火、造成大量粉尘、破坏面积较大、易造成工程地质灾害、危险性较高、能量利用率较低、炸药材料保存与运输安全和炸药材料管控严格、影响正常生产等问题。
[0009]综上，以往的处理方法在安全、施工效率、条件适应性等方面均存在一定的局限性。

技术实现思路

[0010]本专利技术目的在于提供一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法，实现了水力切缝形成定向裂隙，静态膨胀剂增加裂隙深度，在保证安全的同时提高了煤炭资源采出率，通过顶板定向预裂切缝，切断部分顶板的矿山压力传递，进而利用顶板岩层压力，利用顶板部分岩体，实现自成巷无煤柱开采或者为小煤柱巷道切顶卸压。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
[0012]一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法，包括水刀定向切缝工艺与灌注式膨胀剂组合方法以及水刀定向切缝工艺与装有膨胀剂的膨胀药卷组合方法，所述水刀定向切缝工艺与灌注式膨胀剂组合方法采用水刀切缝设备和钻孔注浆设备配合实现，其施工方法为：
[0013]S1、切顶钻孔施工后，进行水刀切顶施工，采用水刀技术在顶板钻孔内定向切割裂缝；
[0014]S2、根据现场施工情况及生产进度设计钻孔间距、长度与角度；
[0015]S3、使用钻机进行钻孔施工，钻孔施工完成后，完成封孔工艺；
[0016]S4、采用现场膨胀剂与水搅拌，钻孔注浆设备泵送膨胀剂浆液，钻孔灌注膨胀剂需等到工作面推进距钻孔较近距离时进行；
[0017]所述水刀定向切缝工艺与装有膨胀剂的膨胀药卷组合方法采用水刀定向切缝工艺与A、B型膨胀药卷配合实现，其施工方法为：
[0018]D1、装设配置自膨胀药卷，使药卷直径与钻孔直径匹配；
[0019]D2、钻孔施工完成后，将膨胀药卷装入钻孔内，然后封孔，封孔时预留进水管和回水管；
[0020]D3、需要预裂时，将井下水管连接到钻孔封孔时预留的水管，进水管与中空钢管连接，注水直到回水管路回水后，再持续注水30min以上；
[0021]D4、膨胀药卷吸水后反应，膨胀致裂岩体。
[0022]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述水刀切缝设备包括有砂浆搅拌桶、低压砂浆管路、高压砂浆泵、高压砂浆管路、高压管缠绕滚筒、喷头移动管路、巷道顶板、钻孔二、双向喷头、双向喷头、磨料水射流和切缝，所述双向喷头由喷头基体、导向头、固定螺丝和钨钢喷嘴构成，所述钻孔注浆设备包括有钻孔一、回流管、封孔段、注浆管、快速接头、截止阀套件、风口、气动搅拌桶、注浆泵、出浆口、出浆管路、气动马达、搅拌片、膨胀剂浆液和注水口，所述低压砂浆管路连接在砂浆搅拌桶的输出端上，所述高压砂浆泵的输入端与低压砂浆管路的输出端可拆卸式连接，所述高压砂浆管路可拆卸式安装在高压砂浆泵的输出端上，所述高压砂浆管路的输出端与高压管缠绕滚筒的输入端相连接，所述喷头移动管路装设在高压管缠绕滚筒的输出端，所述喷头移动管路穿过巷道顶板延伸至钻孔二中，且所述双向喷头安装在喷头移动管路的输出端上。
[0023]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述水刀定向切缝工艺与灌注式膨胀剂组合方法的具体工艺过程为：F1、钻孔施工以及水刀切缝；F2、插入注浆管和回流管；F3、封孔；F4、使用气动搅拌桶加水搅拌膨胀剂；F5、连接注浆管并启动注浆泵；F6、注入膨胀剂浆液直至回流管返浆；F7、关闭注浆泵和气动搅拌桶；F8、截断注浆管并使其末端对折；F9、清洗注浆泵；F10、将注浆管连接回流管注水冷却；F11、完成注水关闭截止阀套件，取下注浆管；F12、设置安全标志防止人员在施工钻孔下停留。
[0024]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述膨胀药卷包括A型药卷和B型药卷，所述A型药卷和B型药卷均包括有静态膨胀剂、PE外壳、垫片、螺丝、中空钢管和进水孔，所述静态膨胀剂放置在PE外壳中，所述PE外壳材质为抗静电，阻燃材质，所述PE外壳的端部设置倒角便于推入钻孔，所述进水孔均匀开设在中空钢管的表面上，用于静态膨胀剂吸水反应，所述垫片放置在PE外壳的端部，所述垫片的外径值小于PE外壳的直径值，用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法，包括水刀定向切缝工艺与灌注式膨胀剂组合方法以及水刀定向切缝工艺与装有膨胀剂的膨胀药卷组合方法，其特征在于：所述水刀定向切缝工艺与灌注式膨胀剂组合方法采用水刀切缝设备和钻孔注浆设备配合实现，其施工方法为：S1、切顶钻孔施工后，进行水刀切顶施工，采用水刀技术在顶板钻孔内定向切割裂缝；S2、根据现场施工情况及生产进度设计钻孔间距、长度与角度；S3、使用钻机进行钻孔施工，钻孔施工完成后，完成封孔工艺；S4、采用现场膨胀剂与水搅拌，钻孔注浆设备泵送膨胀剂浆液，钻孔灌注膨胀剂需等到工作面推进距钻孔较近距离时进行；所述水刀定向切缝工艺与装有膨胀剂的膨胀药卷组合方法采用水刀定向切缝工艺与A、B型膨胀药卷配合实现，其施工方法为：D1、装设配置自膨胀药卷，使药卷直径与钻孔直径匹配；D2、钻孔施工完成后，将膨胀药卷装入钻孔内，然后封孔，封孔时预留进水管和回水管；D3、需要预裂时，将井下水管连接到钻孔封孔时预留的水管，进水管与中空钢管连接，注水直到回水管路回水后，再持续注水30min以上；D4、膨胀药卷吸水后反应，膨胀致裂岩体。2.根据权利要求1所述的一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法，其特征在于：所述水刀切缝设备包括有砂浆搅拌桶(a1)、低压砂浆管路(a2)、高压砂浆泵(a3)、高压砂浆管路(a4)、高压管缠绕滚筒(a5)、喷头移动管路(a6)、巷道顶板(a7)、钻孔二(a8)、双向喷头(a9)、双向喷头(a9)、磨料水射流(a10)和切缝(a11)，所述双向喷头(a9)由喷头基体(a9
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1)、导向头(a9
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2)、固定螺丝(a9
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3)和钨钢喷嘴(a9
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4)构成，所述钻孔注浆设备包括有钻孔一(1)、回流管(2)、封孔段(3)、注浆管(4)、快速接头(5)、截止阀套件(6)、风口(7)、气动搅拌桶(8)、注浆泵(9)、出浆口(10)、出浆管路(11)、气动马达(12)、搅拌片(13)、膨胀剂浆液(14)和注水口(15)，所述低压砂浆管路(a2)连接在砂浆搅拌桶(a1)的输出端上，所述高压砂浆泵(a3)的输入端与低压砂浆管路(a2)的输出端可拆卸式连接，所述高压砂浆管路(a4)可拆卸式安装在高压砂浆泵(a3)的输出端上，所述高压砂浆管路(a4)的输出端与高压管缠绕滚筒(a5)的输入端相连接，所述喷头移动管路(a6)装设在高压管缠绕滚筒(a5)的输出端，所述喷头移动管路(a6)穿过巷道顶板(a7)延伸至钻孔二(a8)中，且所述双向喷头(a9)安装在喷头移动管路(a6)的输出端上。3.根据权利要求2所述的一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法，其特征在于：所述水刀定向切缝工艺与灌注式膨胀剂组合方法的具体工艺过程为：F1、钻孔施工以及水刀切缝；F2、插入注浆管(4)和回流管(2)；F3、封孔；F4、使用气动搅拌桶(8)加水搅拌膨胀剂；F5、连接注浆管(4)并启动注浆泵(9)；F6、注入膨胀剂浆液(14)直至回流管(2)返浆；F7、关闭注浆泵(9)和气动搅拌桶(8)；F8、截断注浆管(4)并使其末端对折；F9、清洗注浆泵(9)；F10、将注浆管(4)连接回流管(2)注水冷却；F11、完成注水关闭截止阀套件(6)，取下注浆管(4)；F12、设置安全标志防止人员在施工钻孔下停留(时间为24小时)。4.根据权利要求1所述的一种钻孔内水刀定向切缝与膨胀剂组合致裂煤层顶板方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁瑞甫，邓俊豪，李辉，解帅帅，宰鹏辉，王红旗，范俊锴，
申请(专利权)人：河南弘瑞矿山技术开发有限公司，
类型：发明
国别省市：