一种放顶煤工作面端头煤岩悬顶的安全环保处理方法与流程

1.本发明涉及煤矿放顶煤开采领域，具体为一种放顶煤工作面端头煤岩悬顶的安全环保处理方法。


背景技术：

2.部分采煤工作面回采巷道上方顶板坚硬，工作面端头常存在悬顶面积过大的情况(如图1所示)。端头顶板悬而不垮，悬顶面积过大，为端头瓦斯积聚提供了良好的空间条件，导致工作面端头瓦斯大量、长期积聚，极有可能诱发瓦斯超限、瓦斯爆炸，成为巨大的安全隐患。一般常采用水压致裂或者爆破方式提前弱化坚硬顶板，以降低端头悬顶长度。
3.对于放顶煤工作面来说，端头悬顶是煤岩。虽然煤岩强度低于坚硬岩石，但由于部分放顶煤工作面煤岩完整性较好，且顶煤厚度较大，导致放顶煤工作面端头也存在较长悬顶，超过了矿山的限制要求，特别是在我国山西、内蒙等地特厚煤层矿井，这种现象比较常见。对于坚硬致密岩石，水压致裂方式能够产生良好的破岩效果，但对于各向异性显著的煤岩，水压致裂效果可能会降低。爆破方式处理顶板可能会引起井下瓦斯爆炸，存在较大的安全隐患；炸药爆炸能量过大，煤岩强度远低于坚硬岩石，是“大马拉小车”，浅孔爆破常产生飞石，出于安全考量，爆破作业时需要长距离、长时警戒，一定程度上挤占了生产的时间和空间；炸药爆炸产生大量的有毒有害气体，不符合绿色采矿的理念。因此有必要发明一种放顶煤工作面端头煤岩悬顶的安全环保处理方法。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出一种放顶煤工作面端头煤岩悬顶的安全环保处理方法，包括以下步骤：
5.s1，确定高压脉冲放电作业层位：确定工程现场限制的最大端头悬顶长度l，将工作面端头悬顶简化为悬臂梁结构，根据实测煤岩顶板的极限抗拉强度σ
t
，确定合理的悬臂梁厚度为则高压脉冲放电作业层位距回采巷道煤岩顶板的高度或深度为
6.s2，确定高压脉冲放电激发能量：采用数值模拟或者现场试验方式，调整电压和电容，根据煤岩顶板破裂效果，确定合理的单次高压脉冲放电激发能量以及相应的电容、电压作业参数；
7.s3，确定高压脉冲放电作业间排距：采用数值模拟或者现场试验方式，研究确定合理的高压脉冲放电作业间排距，基于确定的间排距完成高压脉冲放电作业后，能够在煤岩顶板内产生连续的水平破断分界面，使端头悬顶形成的悬臂梁厚度降低为
8.s4，在回采巷道内施工超前钻孔：按照步骤s3确定的间排距在回采巷道的超前支护段内向煤岩顶板施工超前钻孔，超前钻孔孔底施工至步骤s1确定的脉冲放电作业层位处；
9.优选的，所述超前支护段具体超前工作面15m范围，每天高压脉冲放电作业进尺不小于工作面推进度。
10.s5，进行高压脉冲放电作业
11.s51，准备高压脉冲放电系统：具体的，所述高压脉冲放电系统包括高压整流电路、电容器和电极，高压整流电路通过第一开关与电容器连接，电容器再通过放电电缆以及放电电缆上的第二开关与电极的一端连接，所述电极包括正级和负级。
12.s52，在超前钻孔内安装脉冲放电作业装置；具体的，将电极另一端的炮头插入密封水袋之中，使炮头和密封水袋连接到一起；然后将炮头和密封水袋一起送入超前钻孔的孔底，采用可拆卸密封装置对超前钻孔进行封孔。
13.s53，采用步骤s2确定的作业参数，使电极之间的水产生冲击波，破坏煤岩顶板；具体的，打开第一开关，高压整流电路先使电容器充电，然后断开第一开关、打开第二开关，电极突然自电容器获得几千伏的高压，使电极之间的水产生冲击波，有效破坏煤岩顶板；断开第二开关，去除可拆卸密封装置，取出电极和炮头。
14.s6，建立端头悬顶治理效果检验与反馈机制：通过现场观测端头悬顶长度，检验是否达到预期目标，如果是，则进入下一工作循环；如果未达到预期目标，则修正步骤s1-s3中的作业参数，重新进行工程实践，并验证工程效果，直至获取达到预期端头悬顶长度的工程作业参数。
15.有益效果：1.本发明采用高压脉冲装置放电产生冲击波在煤岩顶板内产生连续的水平破断分界面，使端头悬顶厚度降低，进而降低端头悬顶长度至工程现场需求；本发明代替炸药爆炸，并针对放顶煤工作面端头悬顶，提出了合理的作业参数确定方法以及工艺施工方法。
16.2.本发明冲击破岩能量可控，安全性高，冲击能量密度分布均匀，不会导致岩石过度破碎和飞石危害，无需大范围警戒，且绿色环保，不产生有毒有害气体，作业完成即可进行其他作业，对生产干扰小。
附图说明
17.图1是放顶煤工作面端头悬顶示意图；
18.图2是放顶煤工作面端头悬顶简化为悬臂梁的受力图；
19.图3是高压脉冲放电作业间排距布置图；
20.图4是在回采巷道内施工超前钻孔示意图；
21.图5是超前钻孔内脉冲放电作业装置布置示意图；
22.图中：工作面1、端头悬顶2、悬臂梁3、超前支护段4、煤岩顶板5、水平破断分界面6、采空区7、回采巷道8、高压脉冲放电作业层位9、超前钻孔10、电极11、正级111、负级112、炮头12、密封水袋13、可拆卸密封装置14。
具体实施方式
23.如图2-5所示，本发明提出一种放顶煤工作面端头煤岩悬顶的安全环保处理方法，包括以下步骤：
24.s1，确定高压脉冲放电作业层位
25.将工作面1的端头悬顶2简化为悬臂梁3结构，悬臂梁3结构的受力如图2所示，其中，q为端头悬顶2即悬臂梁3所受到的上覆地层给予的均布载荷，h为端头悬顶2即悬臂梁3的厚度，l为工程现场限制的最大端头悬顶长度，m为悬臂梁内考察点所在断面的弯矩，mo为固支端处断面的弯矩，y为考察点距离断面中性轴的断面距；
26.经计算得到悬臂梁内任意点的正应力σ为：
[0027][0028]
公式(1)中jz为悬臂梁的断面距，
[0029]
根据材料力学理论，最大弯矩发生在悬臂梁固支端处断面，经计算得到最大弯矩mo为经由力学测试得到煤岩顶板的极限抗拉强度为σ
t
，则能够得到悬臂梁极限状态下满足下式：
[0030][0031]
由公式(2)可以看出，h
∝
l，也就是说悬臂梁厚度正比于悬臂梁长度，要想降低悬臂梁长度，可以通过降低悬臂梁厚度来实现，即悬臂梁厚度越小，越容易垮落，端头悬顶长度越小；
[0032]
在工程实际中，如果l为工程现场限制的最大悬臂梁长度，那么必须使悬臂梁厚度至少降低到才能使得端头悬顶达到限制的最大悬顶长度之前垮落，以满足工程现场要求；悬臂梁厚度越小，越容易垮落，端头悬顶长度越小，但是，如果一味的降低悬臂梁的厚度，导致垮落的悬臂梁厚度小，将无法充填满采空空间，因此也不能过分降低悬臂梁厚度；为了满足端头悬顶在达到限制的最大悬顶长度之前垮落，同时能够使垮落的悬臂梁厚度尽可能大，以尽量填充满采空区，确定合理的悬臂梁厚度为相应的，高压脉冲放电作业层位9距回采巷道8的煤岩顶板的高度或深度应为
[0033]
s2，确定高压脉冲放电激发能量
[0034]
高压脉冲放电激发能量是按照储能来计算的，在额定放电电压下，单次放电激发能量与储能器的电容成正比，激发能量与放电电压的平方成正比，如下式所示：
[0035][0036]
式中，qe为激发能量，单位为j；c为电容，单位为f；u为电压，单位为v；
[0037]
采用数值模拟或者现场试验方式，调整电压和电容，根据煤岩顶板破裂效果，确定合理的单次高压脉冲放电激发能量以及相应的电容、电压作业参数；
[0038]
s3，确定高压脉冲放电作业间排距
[0039]
在放顶煤工作面1超前支护段4上方煤岩顶板5内部进行高压脉冲放电作业，高压脉冲放电作业产生的冲击波破坏煤岩顶板5，使煤岩顶板内产生明显的水平破断分界面6，这样就限定了煤岩顶板5进入采空区7的端头悬顶2长度，由步骤s1可知，水平破断分界面6
下方煤岩厚度为
[0040]
采用数值模拟或者现场试验方式，研究确定合理的高压脉冲放电作业间排距，基于确定的间排距完成高压脉冲放电作业后，会在煤岩顶板5内产生连续的水平破断分界面6，使端头悬顶形成的悬臂梁厚度降低为如图3所示，a为高压脉冲放电作业间距，b为高压脉冲放电作业排距，h为高压脉冲放电作业完成后煤岩顶板高度也是高压脉冲放电作业层位，h为回采巷道8的高度；
[0041]
s4，在回采巷道内施工超前钻孔
[0042]
如图4所示，按照步骤s3确定的间排距在回采巷道8的超前支护段4内向煤岩顶板5施工超前钻孔10，超前钻孔孔底施工至步骤s1确定的脉冲放电作业层位处9；所述超前支护段具体为超前工作面15m范围，每天高压脉冲放电作业进尺不小于工作面推进度；
[0043]
s5，进行高压脉冲放电作业
[0044]
s51，准备高压脉冲放电系统，所述高压脉冲放电系统包括高压整流电路、电容器和电极11，高压整流电路通过第一开关与电容器连接，电容器再通过放电电缆以及放电电缆上的第二开关与电极11的一端连接，所述电极包括正级111和负级112；
[0045]
s52，如图5所示，将电极11另一端的炮头12插入密封水袋13之中，并有效密封，使炮头12和密封水袋13连接到一起；然后将炮头12和密封水袋13一起送入超前钻孔10的孔底，采用可拆卸密封装置14对超前钻孔10进行封孔，封孔的作用是提高高压脉冲放电能量的利用率，使大部分能量用来破岩，而不是散失到空气中；
[0046]
s53，设定警戒距离及警戒流程；采用步骤s2确定的作业参数，打开第一开关，高压整流电路先使电容器充电到上千伏，然后断开第一开关、打开第二开关，电极突然自电容器获得几千伏的高压，电极间水介质中形成几万安培的放电电流，瞬间产生出几万甚至几十万焦耳的热能，使水汽化，对水产生巨大的冲击力，产生冲击波，冲击波能够有效破坏煤岩顶板；断开第二开关，去除可拆卸密封装置14，取出电极11和炮头12；
[0047]
本发明采用高压脉冲放电代替炸药爆炸作为破岩动力，高压脉冲放电过程是指在正负电极之间突然施加强电场(103～104v)，使电极之间的水在极短的时间内(μs级)被电离、汽化，产生高温、高压、高速膨胀的冲击波，以有效破岩，不仅安全有效，而且绿色环保；
[0048]
s6，建立端头悬顶治理效果检验与反馈机制
[0049]
通过现场观测端头悬顶长度，检验是否达到预期目标，如果是，则进入下一工作循环；如果未达到预期目标，则修正步骤s1-s3中的作业参数，重新进行工程实践，并验证工程效果，直至获取达到预期端头悬顶长度的工程作业参数。