一种基于可控冲击波的煤矿复合动力灾害防治方法

1.本发明涉及矿山安全生产技术领域，尤其涉及一种基于可控冲击波的煤矿复合动力灾害防治方法。


背景技术：

2.煤与瓦斯突出、冲击地压是煤矿开采中最为严重的动力灾害，由于我国煤层地质条件复杂，煤与瓦斯突出、冲击地压灾害十分严重。浅部开采，动力灾害多表现为煤与瓦斯突出、冲击地压单一的灾害形式，相互作用、相互影响不甚显著。随着开采深度的加大，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井发生冲击地压灾害，造成矿井煤与瓦斯突出、冲击地压灾害互为共存，灾害间的相互作用呈加剧态势，表现出复合动力灾害。将煤与瓦斯突出、冲击地压分别进行治理的理念和技术，已不能满足深部矿井动力灾害治理的需要。因此，深部矿井将煤与瓦斯突出和冲击地压动力灾害作为一体进行防治，成为深部矿井煤炭安全高效开采的重大需求。
3.目前，多数煤矿对冲击地压和煤与瓦斯突出灾害都是分别进行治理。如煤与瓦斯突出的防治主要采用开采保护层、大面积预抽煤层瓦斯、煤层注水、松动爆破、水利冲孔等；冲击地压的防治主要采用钻孔卸压、开采保护层、顶板松动爆破、煤层注水等。现有防治技术很少将冲击地压和煤与瓦斯突出两种灾害进行协同控制。
4.可控冲击波以幅值、冲量、作用区域和作业次数方便控制为特点，在煤层钻孔中以“单点多次、多点连续”的方式对煤层进行冲击增透。置于孔中的设备在煤层钻孔内的水中产生高压脉冲应力波，进而以机械能形式作用于煤层，达到激励和改造煤层的目的。采用可控冲击波对煤体预裂后，使煤体破裂并疏通被堵塞的通道，从而为瓦斯抽采提供了良好的运移通道，能够有效的增加瓦斯的抽采效率，降低煤与瓦斯突出风险。同时，降低了煤体冲击倾向，改善了煤体受力状态，可减小复合动力灾害发生。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于可控冲击波的煤矿复合动力灾害防治方法。
6.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于可控冲击波的煤矿复合动力灾害防治方法，包括如下步骤：
7.步骤1：工作面的运输顺槽和回风顺槽向前掘进，掘进过程中，在后方巷道的工作面内侧设置多个钻孔，并进行可控冲击波压裂，过程如下：
8.步骤1.1：随着工作面向前掘进，在后方的工作面运输顺槽和回风顺槽垂直煤壁方向上，向工作面的内侧煤体打孔；
9.所述打孔的间距为15-25m，孔的直径为60-110mm，孔的长度为(l/2-5)m，l为工作面长度。
10.步骤1.2：用钻杆将冲击波设备送至孔底第1个增透作业点，对孔口进行密封，向孔
内注入清水，对作业点进行4-8次的冲击波作业；
11.步骤1.3：利用定向钻机将冲击波设备分别回退至孔内第2个、第3个、
…
、第n个作业点位，重复步骤1.2，直至完成该孔最后1个作业点即第n个作业点的增透作业。
12.所述n个作业点的间距为3-6m。
13.步骤2：在工作面的运输顺槽和回风顺槽设置钻屑量监测点，对巷道两侧15m范围钻屑量进行定期监测；并根据现场复合动力灾害发生地点的钻屑量数据，确定复合动力灾害的钻屑量预警指标，过程如下：
14.步骤2.1：在工作面的运输顺槽和回风顺槽，设置多个监测站，对不同深度的围岩钻屑量进行定期监测；
15.所述多个监测站的设置间隔为30-50m；
16.步骤2.2：根据现场复合动力灾害发生地点的钻屑量数据，确定复合动力灾害的临界钻屑量预警指标。
17.步骤3：钻孔致裂后，撤出冲击波发生设备，安装注液管路，对钻孔进行封孔；同时在孔内注入高浓度丙酮溶液，注液时间为2-5天，注液压力为8-12mpa，促使煤体裂隙进一步发育；
18.步骤4：达到设定的注液时间后，将钻孔内液体排出，在钻孔安装瓦斯抽采管路，对工作面进行瓦斯抽采，降低工作面瓦斯压力和瓦斯含量，减少煤与瓦斯突出发生的危险；
19.步骤5：工作面回采时，超前工作面200m，撤出瓦斯抽采管路，再次利用钻孔对煤层注入低浓度的丙酮溶液，丙酮溶液可与煤发生化学反应，增加了煤体内部产生孔隙和裂缝，降低煤体强度，改善煤体受力，降低工作面冲击地压发生的危险；
20.步骤6：在工作面回采整个过程，对各个位置的钻屑量进行定期监测；当钻屑量高于0.8倍预警值时，在注液孔内注入低浓度丙酮溶液，直至钻屑量低于0.8倍预警值；当钻屑量高于预警值时，在注液孔内注入高浓度丙酮溶液，直至钻屑量值低于0.8倍预警值。所述丙酮溶液，高浓度时其质量浓度为2-5％，低浓度时其质量浓度为0.5-2％。
21.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
22.1、本发明提供的可控冲击波方法借助水介质耦合到煤层，煤层既是冲击波作业的对象，也是传播冲击波的介质，释放的能量依次在煤层中形成冲击波带、压缩波带和弹性波带，通过破裂、撕裂、高强弹性波扰动等模式作用于煤层，从而改善煤层渗透性，促进煤层瓦斯解吸。
23.2、本发明提供的方法使煤体的冲击倾向性降低，煤体弱化后应力得到释放，降低了煤与瓦斯突出和冲击地压的危险。采用丙酮溶液，使煤层裂隙进一步发育，强度进一步降低，同改变丙酮溶液的浓度使煤层应力降低冲击危险值以下，降低了复合动力灾害的风险。
24.3、本发明提供的方法将冲击地压和煤与瓦斯突出两种灾害进行协同控制，重复利用钻孔进行作业，操作简单，安全可靠，能够有效的提高单孔瓦斯抽采率，降低冲击地压危险，在本技术领域内具有广泛的实用价值。
附图说明
25.图1为本发明实施例中基于可控冲击波的煤矿复合动力灾害防治方法的流程图；
26.图2为本发明实施例中工作面内侧钻孔位置的示意图；
27.图3为本发明实施例中可控冲击波作业产生的裂隙情况示意图。
28.其中，1—工作面；2—运输顺槽；3—回风顺槽；4—钻孔；5—巷道掘进位置；6—可控冲击波产生的裂隙。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
30.本发明针对某冲击地压和煤与瓦斯突出复合动力灾害煤矿，进行灾害防治。工作面倾向长度160m，走向长度950m，埋深为780m。煤层平均厚度3.8m，单轴抗压强度15mpa，顶底板多数为细砂岩和砂质泥岩。采用综合机械化放顶煤开采方法，采空区处理方式为自然垮落法。工作面开采过程中，具有较高的动力灾害风险。
31.如图1所示，本实施例中基于可控冲击波的煤矿复合动力灾害防治方法如下所述。
32.步骤1：工作面的运输顺槽和回风顺槽向前掘进，掘进过程中，在后方巷道的工作面内侧设置若干个钻孔，并进行可控冲击波压裂，过程如下：
33.步骤1.1：随着工作面向前掘进，在后方的工作面运输顺槽和回风顺槽垂直煤壁方向上，向工作面的内侧煤体打孔，如图2所示；
34.所述打孔的间距为20m，孔的直径为90mm，孔的长度为85m，工作面长度l为180m。
35.步骤1.2：用钻杆将冲击波设备送至孔底第1个增透作业点，对孔口进行密封，向孔内注入清水，对作业点进行8次的冲击波作业，冲击波作业产生的裂隙情况如图3所示；
36.步骤1.3：利用定向钻机将冲击波设备分别回退至孔内第2个、第3个、
…
、第17个作业点位，重复步骤1.2，直至完成该孔最后1个作业点即第17个作业点的增透作业。
37.所述n个作业点的间距为5m。
38.步骤2：在工作面的运输顺槽和回风顺槽设置钻屑量监测点，对巷道两侧15m范围钻屑量进行定期监测；并根据现场复合动力灾害发生地点的钻屑量数据，确定复合动力灾害的钻屑量预警指标，过程如下：
39.步骤2.1：在工作面的运输顺槽和回风顺槽，设置多个监测站，对不同深度的围岩钻屑量进行定期监测；
40.所述多个监测站的设置间隔为50m。
41.步骤2.2：根据现场复合动力灾害发生地点的钻屑量数据，确定复合动力灾害的临界钻屑量预警指标。
42.本实施例中，结合现场复合动力灾害发生情况，确定钻屑量的预警指标为3.2kg/m。
43.步骤3：钻孔致裂后，撤出冲击波发生设备，安装注液管路，对钻孔进行封孔；同时在孔内注入高浓度丙酮溶液，促使煤体裂隙进一步发育；
44.本实施例中，高浓度丙酮溶液的注液压力为10mpa，注液时间为5天。
45.步骤4：达到设定的注液时间后，将钻孔内液体排出，在钻孔安装瓦斯抽采管路，对工作面进行瓦斯抽采，降低工作面瓦斯压力和瓦斯含量，减少煤与瓦斯突出发生的危险；
46.步骤5：工作面回采时，超前工作面200m，撤出瓦斯抽采管路，再次利用钻孔对煤层注入低浓度的丙酮溶液，丙酮溶液可与煤发生化学反应，增加了煤体内部产生孔隙和裂缝，
降低煤体强度，改善煤体受力，降低工作面冲击地压发生的危险；
47.本实施例中，再次利用钻孔对煤层注入低浓度的丙酮溶液时，安装注液管，采用封孔器进行封孔，封孔长度为5m。将胶管与钻孔的供水管路连接起来，注入低浓度的丙酮溶液。采用高压注液，注液压力为8mpa，注液时间为48小时。
48.步骤6：在工作面回采整个过程，对各个位置的钻屑量进行定期监测；当钻屑量高于0.8倍预警值时，在注液孔内注入低浓度丙酮溶液，直至钻屑量低于0.8倍预警值；当钻屑量高于预警值时，在注液孔内注入高浓度丙酮溶液，直至钻屑量低于0.8倍预警值。
49.本实施例中，丙酮溶液高浓度时其质量浓度为5％，低浓度时其质量浓度为2％。