专利名称：一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法
技术领域：
本发明属于煤矿开采技术领域，尤其涉及一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法。
背景技术：
煤层下伏石灰岩层经地下水长期溶蚀形成溶洞，在地质构造力和上覆岩层重力的作用下溶洞坍塌形成陷落柱(又称无炭柱)。岩溶陷落柱在我国华北石炭二叠纪煤系地层中广为分布，是煤矿生产中常见的一种地质灾害体。陷落柱贯穿于岩溶发育的奥灰和煤系地层之间，往往会成为奥灰与煤系地层之间的联系通道，井巷或采煤工作面一旦接近或揭露陷落柱时，则可能产生突水。在煤层位于奥灰水压力安全之上，或陷落柱不具备导水特性的条件下，陷落柱对煤矿正常生产也有重要影响。比如说，虽然陷落柱内岩体较破碎，但其岩块较正常条件下的煤层坚硬，影响采煤机组正常截割，导致综采工作面难以直接通过就是一个常见的难题。目前，综采工作面通过陷落柱的方法主要有搬家跳采、开掘绕巷和直接硬过等三种。其中，搬家跳采的方法需要另开切眼，具有巷道掘进与支护工程量大，搬家工期长、影响工作面正常生产，留设煤柱大、煤炭资源损失量大等严重缺陷；开掘绕巷具有巷道掘进与支护工程量大，支架移动、替换和工作面对接困难等缺陷；直接硬过存在的主要问题则是采煤机组切割困难，对采煤设备造成的损害严重。当采用爆破作为直接硬过的辅助破岩方式时，崩出的岩石掷力大，对液压支架损坏严重，且崩落岩块大小不一，岩块的抛掷力、抛出量和抛掷距离难以控制，不利于装运，且易诱发冒顶事故，存在重大安全隐患。因此，寻求一种经济实用、简便快捷、安全可靠、煤炭损失少的综采工作面直接过陷落柱的方法十分必要。综上所述，在现有技术条件下，影响综采工作面直接过陷落柱的主要问题是陷落柱内的岩石块体力学强度大，采煤机组难于正常截割。因此寻求一种经济实用的弱化陷落柱岩石的方法，并根据对陷落柱岩石的弱化效果，再选用合理的采煤机截割深度与工作面循环进度成为解决该问题的关键技术。
发明内容
本发明提供了一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法，旨在解决现有技术提供的使综采工作面过陷落柱的方法存在工艺复杂、工程量大、工作效率低下，采煤机组难于高效进行陷落柱截割，煤炭资源浪费，经济性及实用性较差的问题。本发明的目的在于提供一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法，该方法包括以下步骤步骤一，通过钻探或物探确定陷落柱的边界，对陷落柱岩石进行钻探取样；步骤二，按岩石力学实验规程，测定取样陷落柱岩石的天然单轴抗压强度、孔隙率、含水率和渗透系数，采用X-射线衍射仪测定岩石的矿物成分；步骤三，根据陷落柱岩石的天然单轴抗压强度和矿物成分，选择化学溶液类型与浓度，测定不同浸泡时间后陷落柱岩石标准试件的单轴抗压强度；步骤四，根据陷落柱岩石的天然单轴抗压强度及在化学溶液不同的条件下陷落柱岩石标准试件单轴抗压强度的测试结果，确定向陷落柱岩石压注化学溶液的类型、浓度及注液超前综采工作面的时间；步骤五，根据陷落柱岩石的孔隙率、含水率和渗透系数，确定向陷落柱岩石压注化学溶液的钻孔布置、注液量、注液设备和压注时间，进行钻孔、封孔与注液系统连接，并进行注液；步骤六，根据化学溶液软化后陷落柱岩石的单轴抗压强度及综采工作面所用采煤机的截割性能与液压支架的护顶性能，确定采煤机通过陷落柱岩石时的合理截深与工作面循环进度。进一步，根据陷落柱岩石的天然单轴抗压强度和矿物成分，在化学溶液不同的条件下，对陷落柱岩石标准试件单轴抗压强度测试的实现方法为根据陷落柱岩石的天然抗压强度和矿物成分，在不同化学溶液类型、浓度及浸泡时间不同的条件下，对不同溶液类型、浓度和浸泡时间作用后的陷落柱岩石标准试件进行单轴抗压强度测试，获得陷落柱岩石单轴抗压强度随化学溶液类型、浓度和作用时间的变化规律。进一步，陷落柱岩石标准试件进行化学溶液浸泡试验时，化学溶液采用质量分数 为2% 8%的HCl溶液和质量分数为0. 01% 0. 3%的CaCl2溶液；化学溶液对陷落柱岩石标准试件的浸泡时间一般为10天 20天。进一步，陷落柱岩石的单轴抗压强度随化学溶液浸泡时间及陷落柱岩石天然单轴抗压强度变化的一般规律为a c = -aln(t) + O c0 ；其中，o。为陷落柱岩石的单轴抗压强度，a为拟合系数，t为化学溶液浸泡时间，O c0为陷落柱岩石天然单轴抗压强度。进一步，在步骤四中，注液超前综采工作面的时间大于化学溶液对陷落柱岩石标准试件的必要浸泡时间。进一步，在步骤五中，注液钻孔直径为42mm 75mm，注液钻孔距工作面顶底板距离比为2 : 3 3 : 4，注液钻孔间距为3m 6m，注液钻孔与综采工作面煤壁之间的水平转角为0 25°。进一步，根据钻孔间距、工作面采高、陷落柱中注液钻孔长度以及陷落柱岩石的孔隙率、天然含水率，可确定化学溶液的注入量，化学溶液的注入量一般为钻孔所控制陷落柱岩石体积的0.5% 2%。进一步，在步骤六中，采煤机过陷落柱时采煤的合理截深和循环进度为200mm 800mmo本发明提供的化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法，在陷落柱岩石中钻孔，并注入化学溶液，利用化学溶液溶解、溶蚀陷落柱岩石矿物成分，改变了陷落柱岩石的内部结构，减小了陷落柱岩石颗粒间的作用力，降低了陷落柱岩石内部的黏结力，弱化了陷落柱岩石的力学强度使得陷落柱岩石软化，选取合理的采煤机截深与工作面循环进度，使综采工作面可直接通过陷落柱；该方法减少了综采工作面跳过、绕过与直接硬过陷落柱时的巷道掘进与支护工程量、煤炭损失量和搬家工作量，消除了支架移动、替换与工作面对接困难以及硬过造成的对设备损害等，确保了综采工作面的正常推进，经济实用、简便快捷、安全可靠、煤炭损失少，具有较强的推广与应用价值。
图I是本发明实施例提供的化学软化岩石综采工作面直接过陷落柱的方法的实现流程图；
图2是本发明某I矿综采工作面对陷落柱注液孔布置平面示意图；图3是本发明某I矿综采工作面对陷落柱注液孔布置剖面示意图；图4是本发明某2矿综采工作面对陷落柱注液孔布置平面示意图；图5是本发明某2矿综采工作面对陷落柱注液孔布置剖面示意图；图6是本发明某I矿陷落柱岩石在质量分数为2%的HCl溶液浸泡后抗压强度随时间的变化曲线；图7是本发明某2矿陷落柱岩石在质量分数为0. 1%的CaCl2溶液浸泡后抗压强度随时间的变化曲线。图中1、开切眼；2、运输顺槽；3、回风顺槽；4、陷落柱；5、注液钻孔；a为综采工作面采高；b为注液孔距顶板距离；c为注液孔距底板的距离；d为注液孔间距。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。图I示出了本发明实施例提供的化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法的实现流程。该方法包括以下步骤在步骤SlOl中，通过钻探或物探确定陷落柱的边界，对陷落柱岩石进行钻探取样；在步骤S102中，按岩石力学实验规程，测定取样陷落柱岩石的天然单轴抗压强度、孔隙率、含水率和渗透系数，采用X-射线衍射仪测定岩石的矿物成分；在步骤S103中，根据陷落柱岩石的天然单轴抗压强度和矿物成分，选择化学溶液类型与浓度，测定不同浸泡时间后陷落柱岩石标准试件的单轴抗压强度；在步骤S104中，根据陷落柱岩石的天然单轴抗压强度及在化学溶液不同的条件下陷落柱岩石标准试件单轴抗压强度的测试结果，确定向陷落柱岩石压注化学溶液的类型、浓度及注液超前综采工作面的时间；在步骤S105中，根据陷落柱岩石的孔隙率、含水率和渗透系数，确定向陷落柱岩石压注化学溶液的钻孔布置、注液量、注液设备和压注时间，进行钻孔、封孔与注液系统连接，并进行注液；在步骤S106中，根据化学溶液软化后陷落柱岩石的单轴抗压强度及综采工作面所用采煤机的截割性能与液压支架的护顶性能，确定采煤机通过陷落柱岩石时的合理截深与工作面循环进度。 在本发明实施例中，根据陷落柱岩石的天然单轴抗压强度和矿物成分，在化学溶液不同的条件下，对陷落柱岩石标准试件单轴抗压强度测试的实现方法为根据陷落柱岩石的天然抗压强度和矿物成分，在不同化学溶液类型、浓度及浸泡时间不同的条件下；对不同溶液类型、浓度和浸泡时间作用后的陷落柱岩石标准试件进行单轴抗压强度测试，获得陷落柱岩石单轴抗压强度随化学溶液类型、浓度和作用时间的变化规律。在本发明实施例中，陷落柱岩石标准试件进行化学溶液浸泡试验时，化学溶液采用质量分数为2% 8%的HCl溶液和质量分数为0. 01% 0. 3%的CaCl2溶液；化学溶液对陷落柱岩石标准试件的浸泡时间一般为10天 20天。在本发明实施例中，陷落柱岩石的单轴抗压强度随化学溶液浸泡时间及陷落柱岩 石天然单轴抗压强度变化的一般规律为O c = -aln (t) + o c0 ；其中，o。为陷落柱岩石的单轴抗压强度，a为拟合系数，t为化学溶液浸泡时间，O c0为陷落柱岩石天然单轴抗压强度。在本发明实施例中，在步骤四中，注液超前回采工作面的时间大于化学溶液对陷落柱岩石标准试件的必要浸泡时间。在本发明实施例中，在步骤五中，注液钻孔直径为42mm 75mm，注液钻孔距工作面顶底板距离比为2 : 3 3 : 4，注液钻孔间距为3m 6m，注液钻孔与回采工作面煤壁之间的水平转角为0 25°。在本发明实施例中，根据钻孔间距、工作面采高、陷落柱中注液钻孔长度以及陷落柱岩石的孔隙率、天然含水率，可确定化学溶液的注入量，化学溶液的注入量一般为钻孔所控制陷落柱岩石体积的0. 5% 2%。在本发明实施例中，在步骤六中，采煤机过陷落柱时采煤的合理截深和循环进度为 200mm 800mm。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。实施方式I :I、参考图2及图3，通过物探确定某I矿陷落柱4形状近似椭圆形，其长轴94m，短轴80m，陷落柱4距回风顺槽3最近距离42. 5m ；II、对陷落柱岩石进行钻探取样，按岩石力学试验规程，测得陷落柱岩石的天然单轴抗压强度为46. 61MPa、孔隙率为3. 57%、含水率为2. 45%和渗透系数为6Xl(r3cm/s，采用X-射线衍射仪测定陷落柱岩石的矿物成分石英76%、白云母11 %、高岭石4%、珍珠陶土 9% ；III、根据上述II所测定的陷落柱岩石的天然抗压强度和矿物成分，对陷落柱岩石样品进行质量分数为2%的HCl溶液浸泡试验，对不同浸泡时间作用后的陷落柱岩石标准试件进行单轴抗压强度测试，得到其单轴抗压强度随2% HCl溶液作用时间的变化曲线，见图6，其拟合关系式为O。= -12. 778Ln(t)+46. 61 ;当浸泡时间t为12d时，其单轴抗压强度O。= 14. 92MPa，之后，随着时间的延长，其单轴抗压强度趋于稳定；IV、根据上述III所得到的陷落柱岩石的天然单轴抗压强度及其随2% HCl溶液浸泡时间的变化规律，确定向陷落柱岩石压注的化学溶液为HCl溶液、质量分数为2%和注液超前综采工作面的时间为12d ；V、根据该陷落柱的形状、大小、位置和岩石的孔隙率与渗透系数等测定结果，设计向陷落柱钻孔注液的工程参数为在回风顺槽3中平行工作面煤壁向陷落柱钻直径为42mm的注液钻孔5，综采工作面采高a为3. 5m,注液钻孔5距工作面顶板距离b为I. 5m、距底板距离c为2m，注液钻孔5的间距d为6m。该矿综采工作面的推进速度为2. 4m/d，确定向陷落柱钻孔注液超前综采工作面煤壁的距离大于28. Sm,向注液钻孔5注入质量分数为2%的HCl溶液，每孔注液量为35m3 50m3 ；VI、综采工作面推进至陷落柱时，经化学溶液软化的陷落柱岩石的单轴抗压强度为14. 92MPa，与该工作面所开采煤的单轴抗压强度相当，并考虑顶板管理的难易程度，确定该综采工作面直接过陷落柱期间采煤机的截深和工作面循环进度均为600mm。在上述工程参数下，该综采工作面实现了与平时相同的推进速度直接过陷落柱，取得了明显的技术经济效益。 实施方式2 I、参考图4及图5，通过物探确定某2矿陷落柱4形状近似椭圆形，其长轴114. 5m，短轴75m，陷落柱4离回风顺槽3最近距离13. 5m ；II、对陷落柱岩石进行钻探取样，按岩石力学试验规程，测得其岩石的天然单轴抗压强度为53. 86MPa、孔隙率为2. 36%、含水率为2. 49%和渗透系数为2X l(r3cm/s，采用X-射线衍射仪测定陷落柱岩石的矿物成分石英79%、白云母14%、高岭石5%、珍珠陶土2 % ；III、根据上述II所测定的陷落柱岩石的天然抗压强度和矿物成分，对岩样进行质量分数为0. I %的CaCl2溶液浸泡试验，对不同浸泡时间作用后的陷落柱岩石标准试件进行单轴抗压强度测试，得到其单轴抗压强度随0. 1% CaCl2溶液作用时间的变化曲线，见图7，其拟合关系式为O。= -10. 044Ln(t)+53. 86 ;当浸泡时间t为15d时，其单轴抗压强度
O。= 26. 74MPa，之后，随着时间的延长，其单轴抗压强度趋于稳定；IV、根据上述III所得到的陷落柱岩石的天然单轴抗压强度及其随0. 1% CaCl2溶液浸泡时间的变化规律，确定向陷落柱岩石压注的化学溶液为CaCl2溶液、质量分数为
0.I %和注液超前综采工作面的时间为15d ；V、根据该陷落柱的形状、大小、位置和岩石的孔隙率与渗透系数等测定结果，设计向陷落柱钻孔注液的工程参数为在回风顺槽3中平行工作面煤壁向陷落柱钻直径为42mm的注液钻孔5，综采工作面采高a为2m，注液钻孔5距工作面顶板距离b为0. Sm、距底板距离c为I. 2m，注液钻孔5的间距d为5m。该矿综采工作面的推进速度为3. 2m/d，确定向陷落柱钻孔注液超前综采工作面煤壁的距离大于48m，向注液钻孔5注入质量分数为0. 1%的CaCl2溶液，每孔注液量为18m3 22m3 ；VI、综采工作面推进至陷落柱时，经化学溶液软化的陷落柱岩石的单轴抗压强度为26. 74MPa，并考虑顶板管理的难易程度，确定该综采工作面直接过陷落柱期间采煤机的截深和工作面循环进度均为400mm。在上述工程参数下，该综采工作面实现了与平时相近的推进速度直接过陷落柱，取得了明显的技术经济效益。本发明利用化学溶液溶解、溶蚀陷落柱岩石矿物成分，如在化学溶液作用下岩石中的钾长石、钠长石和方解石等发生溶解作用，而岩石的矿物组分Fe203、A1203、K2O和Na2O等，与化学溶液中H+或0H_离子发生化学反应，致使岩石矿物产生不同程度的溶蚀，引起岩石的微观结构损伤，岩石的微孔洞或空隙增加，使陷落柱岩石变得松散脆弱；化学溶液分子进入岩石孔隙中，在颗粒表面吸附，形成分子层，造成颗粒的体积膨胀，颗粒间相互作用力降低，降低陷落柱岩石的力学强度。对比分析软化前后岩石的力学强度表明，化学溶液浸泡可使陷落柱岩石的单轴抗压强度明显降低。说明化学软化陷落柱岩石的效果显著，辅以选择合理的采煤机截深与工作面循环进度，可以确保综采工作面安全直接过陷落柱；该方法减少了综采工作面跳过、绕过与直接过陷落柱时的巷道掘进与支护工程量、煤炭损失量和搬家工作量，消除了支架移动、替换与工作面对接困难以及硬过造成的对设备损害等，确保了工作面的正常推进，是一种经济实用、简便快捷、安全可靠、煤炭损失少的综采工作面直接过陷落柱的方法。
本发明实施例提供的化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法，在陷落柱岩石中钻孔，并注入化学溶液，利用化学溶液溶解、溶蚀陷落柱岩石矿物成分，改变了陷落柱岩石的内部结构，减小了陷落柱岩石颗粒间的作用力，降低了陷落柱岩石内部的黏结力，弱化了陷落柱岩石的力学强度使得陷落柱岩石软化，选取合理的采煤机截深与工作面循环进度，使综采工作面可直接通过陷落柱；该方法减少了综采工作面跳过、绕过与直接过陷落柱时的巷道掘进工程量、煤炭损失量和搬家工作量，消除了支架移动、替换与工作面对接困难以及硬过造成的对设备损害等，确保了综采工作面的正常推进，经济实用、简便快捷、安全可靠、煤炭损失少，具有较强的推广与应用价值。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤一，通过钻探或物探确定陷落柱的边界，对陷落柱岩石进行钻探取样； 步骤二，按岩石力学实验规程，测定取样陷落柱岩石的天然单轴抗压强度、孔隙率、含水率和渗透系数，采用X-射线衍射仪测定岩石的矿物成分； 步骤三，根据陷落柱岩石的天然单轴抗压强度和矿物成分，选择化学溶液类型与浓度，测定不同浸泡时间后陷落柱岩石标准试件的单轴抗压强度； 步骤四，根据陷落柱岩石的天然单轴抗压强度及在化学溶液不同的条件下陷落柱岩石标准试件单轴抗压强度的测试结果，确定向陷落柱岩石压注化学溶液的类型、浓度及注液 超前综采工作面的时间； 步骤五，根据陷落柱岩石的孔隙率、含水率和渗透系数，确定向陷落柱岩石压注化学溶液的钻孔布置、注液量、注液设备和压注时间，进行钻孔、封孔与注液系统连接，并进行注液； 步骤六，根据化学溶液软化后陷落柱岩石的单轴抗压强度及综采工作面所用采煤机的截割性能与液压支架的护顶性能，确定采煤机通过陷落柱岩石时的合理截深与工作面循环进度。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，根据陷落柱岩石的天然单轴抗压强度和矿物成分，在化学溶液不同的条件下，对陷落柱岩石标准试件单轴抗压强度测试的实现方法为 根据陷落柱岩石的天然抗压强度和矿物成分，在不同化学溶液类型、浓度及浸泡时间不同的条件下，对不同溶液类型、浓度和浸泡时间作用后的陷落柱岩石标准试件进行单轴抗压强度测试，获得陷落柱岩石单轴抗压强度随化学溶液类型、浓度和作用时间的变化规律。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，陷落柱岩石标准试件进行化学溶液浸泡试验时，化学溶液采用质量分数为2 % 8 %的HCl溶液和质量分数为0. OI % 0. 3 %的CaCl2溶液；化学溶液对陷落柱岩石标准试件的浸泡时间一般为10天 20天。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，陷落柱岩石的单轴抗压强度随化学溶液浸泡时间及陷落柱岩石天然单轴抗压强度变化的一般规律为 O c = -aln(t) + o c(l 其中，o。为陷落柱岩石的单轴抗压强度，a为拟合系数，t为化学溶液浸泡时间，O。0为陷落柱岩石天然单轴抗压强度。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，在步骤四中，注液超前回采工作面的时间大于化学溶液对陷落柱岩石标准试件的必要浸泡时间。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，在步骤五中，注液钻孔直径为42mm 75mm,注液钻孔距工作面顶底板距离比为2 : 3 3 : 4，注液钻孔间距为3m 6m，注液钻孔与回采工作面煤壁之间的水平转角为0 25°。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，根据钻孔间距、工作面采高、陷落柱中注液钻孔长度以及陷落柱岩石的孔隙率、天然含水率，可确定化学溶液的注入量，化学溶液的注入量一般为钻孔所控制陷落柱岩石体积的0. 5% 2%。
8.如权利要求I所述的方法，其特征在于，在步骤六中，采煤机过陷落柱时采煤的合理截深和循环进度为200mm 800mm。
全文摘要
本发明公开了一种化学软化岩石使综采工作面通过陷落柱的方法，在陷落柱岩石中钻孔，并注入化学溶液，利用化学溶液溶解、溶蚀陷落柱岩石矿物成分，改变了陷落柱岩石的内部结构，减小了陷落柱岩石颗粒间的作用力，降低了陷落柱岩石内部的黏结力，弱化了陷落柱岩石的力学强度使得陷落柱岩石软化，选取合理的采煤机截深与工作面循环进度，使综采工作面可直接通过陷落柱；该方法减少了综采工作面跳过、绕过与直接硬过陷落柱时的巷道掘进与支护工程量、煤炭损失量和搬家工作量，消除了支架移动、替换与工作面对接困难以及硬过造成的对设备损害等，确保了综采工作面的正常推进，经济实用、简便快捷、安全可靠、煤炭损失少，具有较强的推广与应用价值。
文档编号E21C41/16GK102720497SQ20121019976
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者康天合, 张文阳, 赵国飞, 郭俊庆, 郭帅 申请人:太原理工大学