一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法

摘要

一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法，通过放电电极在致裂钻孔内的水中瞬间放电形成快速而强大的冲击波，使放电电极周围的水产生“水击”和“水楔”效应冲击顶板岩石，经过多次放电反复冲击顶板，使顶板产生累积损伤，从而弱化煤层顶板，实现顶板的有效垮落，可有效解决采空区遗留顶板面积大导致的周期来压步距增大的问题；本发明的一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法，将高压电脉冲的电能转换为冲击波使岩层破裂，操作简单、高效清洁、成本低，应用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿开采中的顶板弱化方法，具体涉及一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法。

背景技术

随着工作面的不断向前推进，采空区滞空的顶板面积加大，在上覆岩层重力的作用下，工作面积聚的能量越来越大，因此若不能有效的实现采空区上覆岩层的垮落，必然会加大工作面支护的难度。此外，若采空区顶板毫无征兆的垮落，定会在巷道内引起强大的冲击波，破坏巷道内的设备甚至威胁巷道内工作人员的安全。此外，有目的的垮落还可以减少地表的突然沉降，避免造成不必要的伤害。高压水力压裂是目前最常用的人为放顶方法，但是该方法存在一定的局限性，一者采空区的岩石大多存在裂隙，因此很难达到高压状态的密封要求；此外，高压水力压裂需要消耗大量的水资源，极易造成资源浪费；由于岩石自身硬度较大，往往造成水力压裂效果不理想，岩层难以达到预期弱化效果。因此，针对采空区顶板遗留面积大、放顶困难的问题，急需开发一种操作简单、高效清洁、成本低的弱化煤层坚硬顶板方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种操作简单、高效清洁、成本低的弱化煤层坚硬顶板方法，以克服现有的高压水力压裂在顶板弱化中的不足。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法，包括步骤：

S1：煤层回采时，从液压支架的缝隙处向顶板施工致裂钻孔；

S2：将放电电极固定在高压线缆护管的前端，高压线缆的一端与放电电极相连，高压线缆的另一端穿过高压线缆护管后与高压储能电容器相连，高压储能电容器与高压充电电源相连，通过高压线缆护管将放电电极送入致裂钻孔深处；将注水管送入致裂钻孔内，之后，封孔器封孔，再将高压放电开关安装在封孔器与高压储能电容器之间的高压线缆上；

S3：通过注水管向致裂钻孔内注水直至水充满致裂钻孔；

S4：通过高压充电电源向储能电容器充电，当储能电容器的电压达到预设值时，闭合高压放电开关使放电电极放电，之后断开高压放电开关。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤S4之后还包括步骤S5：重复步骤S4使高压电极放电20-150次。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤S5之后还包括步骤S6：通过高压线缆护管将放电电极向致裂钻孔口移动1-2m，重复步骤S4和S5。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤S6之后还包括步骤S7：重复步骤S6直至放电电极距离封孔器1-2m。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤S7之后还包括步骤S8：选取一个新的致裂钻孔，重复步骤S2～S7。

作为本发明进一步改进的技术方案，高压充电电源的额定输出电压为50-600kV，频率为2-15Hz，脉冲个数为150-700个。

作为本发明进一步改进的技术方案，高压储能电容器的电容为5-30μF。

作为本发明进一步改进的技术方案，致裂钻孔为两排，同一排的相邻两个致裂钻孔间的距离为3-10m；第一排致裂钻孔垂直于顶板，第二排致裂钻孔与第一排致裂钻孔的夹角为45°，且第二排致裂钻孔倾向采空区。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法，通过放电电极在致裂钻孔内的水中瞬间放电形成快速而强大的冲击波，使放电电极周围的水产生“水击”和“水楔”效应冲击顶板岩石，经过多次放电反复冲击顶板，使顶板产生累积损伤，从而弱化煤层顶板，实现顶板的有效垮落，可有效解决采空区遗留顶板面积大导致的周期来压步距增大的问题；本发明的一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法，将高压电脉冲的电能转换为冲击波使岩层破裂，操作简单、高效清洁、成本低，应用范围广。

附图说明

图1是本发明实施例1和2中的一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法中的放电装置安装示意图；

图2是本发明实施例1和2中的致裂钻孔布孔平面图；

图3是本发明实施例1和2中的致裂钻孔布孔示意图；

以上图1-3中：1-高压充电电源，2-高压储能电容器，3-高压放电开关，4-放电电极，5-水箱，6-水泵，7-截止阀，8-封孔器，9-注水管，10-致裂钻孔，11-顶板，12-液压支架，13-第一排致裂钻孔，14-第二排致裂钻孔，15-高压线缆护管，A-进风巷，B-回风巷，C-采空区，D-工作面，E-煤层。

具体实施方式：

下面参照附图对本发明做进一步描述。

实施例1

如图1、2和3所示，一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法，包括步骤：

a.当煤层E回采时，在两液压支架12的间隙处采用常规的钻孔方式向顶板11施工两排直径为10cm的致裂钻孔10，同一排的相邻两个致裂钻孔间的距离为3m；第一排致裂钻孔13垂直于顶板，第二排致裂钻孔14与第一排致裂钻孔13的夹角为45°，且第二排致裂钻孔14倾向采空区C。

b.致裂钻孔10施工完成后，安装放电装置，

将放电电极4固定在高压线缆护管15的前端，高压线缆的一端与放电电极4相连，高压线缆的另一端穿过高压线缆护管15后与高压储能电容器2相连，高压储能电容器2与高压充电电源1相连，其中，高压充电电源1的额定输出电压为50kV，频率为2Hz；高压储能电容器2的电容为5μF，脉冲个数为150个；

在液压支架12处通过高压线缆护管15将放电电极4送入致裂钻孔10深处；再将注水管9送入致裂钻孔10内，之后，用封孔器8封孔，再将高压放电开关安装在封孔器与高压储能电容器之间的高压线缆上；

c.打开截止阀7，利用水泵6将水箱5内的水注入致裂钻孔10内，注水压力为0.2MPa，水注满后关闭截止阀7；

d.开启高压充电电源1向高压储能电容器2中充电，当电压达到40Kv时，闭合高压放电开关3将高压储能电容器2中存储的电能通过放电电极4在水中放电，放电电极4放电瞬间在水中产生强大的冲击波，使放电电极周围的水产生“水击”和“水楔”效应冲击顶板11，使顶板11产生裂隙，强度弱化；再次开启高压充电电源1向高压储能电容器2中充电，当电压达到80kV时，再次闭合高压放电开关3将高压储能电容器2中存储的电能通过放电电极4在水中放电，重复放电20次后停止放电；

e.断开高压放电开关3，通过高压线缆护管15将放电电极4从钻孔10内往外退2m；

f.重复步骤d和e，直至放电电极4与封孔器8之间的距离为2m，停止作业；

g.选取一个新的致裂钻孔10，重复步骤b-f，直至在所有致裂钻孔10内完成顶板弱化作业。

当煤层E沿工作面D每向前推进5m，重复以上步骤a-g。

实施例2

如图1、2和3所示一种基于电脉冲技术的弱化煤层坚硬顶板方法，包括步骤：

a.当煤层E回采时，在两液压支架12的间隙处采用常规的钻孔方式向顶板11施工两排直径为10cm的致裂钻孔10，同一排的相邻两个致裂钻孔间的距离为10m；第一排致裂钻孔13垂直于顶板，第二排致裂钻孔14与第一排致裂钻孔13的夹角为45°，且第二排致裂钻孔14倾向采空区C。

b.致裂钻孔10施工完成后，安装放电装置，

将放电电极4固定在高压线缆护管15的前端，高压线缆的一端与放电电极4相连，高压线缆的另一端穿过高压线缆护管15后与高压储能电容器2相连，高压储能电容器2与高压充电电源1相连，其中，高压充电电源1的额定输出电压为600kV，频率为15Hz；高压储能电容器2的电容为30μF，脉冲个数为700个；

在液压支架12处通过高压线缆护管15将放电电极4送入致裂钻孔10深处；再将注水管9送入致裂钻孔10内，之后，用封孔器8封孔，再将高压放电开关安装在封口器与高压储能电容器之间的高压线缆上；

c.打开截止阀7，利用水泵6将水箱5内的水注入致裂钻孔10内，注水压力为0.2MPa，水注满后关闭截止阀7；

d.开启高压充电电源1向高压储能电容器2中充电，当电压达到80kV时，闭合高压放电开关3将高压储能电容器2中存储的电能通过放电电极4在水中放电，放电电极4放电瞬间在水中产生强大的冲击波，使放电电极周围的水产生“水击”和“水楔”效应冲击顶板11，使顶板11产生裂隙，强度弱化；再次开启高压充电电源1向高压储能电容器2中充电，当电压达到80kV时，再次闭合高压放电开关3将高压储能电容器2中存储的电能通过放电电极4在水中放电，重复放电150次后停止放电；

e.断开高压放电开关3，通过高压线缆护管15将放电电极4从钻孔10内往外退2m；

f.重复步骤d和e，直至放电电极4与封孔器8之间的距离为2m，停止作业；

g.选取一个新的致裂钻孔10，重复步骤b-f，直至在所有致裂钻孔10内完成顶板弱化作业。

当煤层E沿工作面D每向前推进8m，重复以上步骤a-g。