一种石门揭煤前的围岩强度控制装置与方法与流程

本发明涉及一种岩石强度控制装置，特别是关于一种能够根据石门揭煤需要对其围岩强度进行强化与弱化处理的石门揭煤前的围岩强度控制装置与方法。

背景技术：

众所周知，对于突出煤层开采来说，石门揭煤既是一项非常危险的工艺，同时，也是一项必不可少的工艺。很多煤矿企业，在石门揭煤过程中，发生过等级较高的煤与瓦斯突出事故，造成人员伤亡和财产损失。石门揭煤发生煤与瓦斯突出事故的原因有多种，围岩的强度失去控制就是其中一个非常重要的原因。

当围岩强度过低（如围岩松软、破碎及存在断层等）时，处于高应力和高瓦斯压力状态下的煤体，会冲开围岩，发生煤与瓦斯突出；2004年10月20日河南大平煤矿在即将揭煤前，发生煤与瓦斯突出事故并引起瓦斯爆炸，造成148人死亡，原因就在于围岩内存在断层，弱化了岩体的强度。

当围岩强度过高，如花岗岩等，在炸药量额定爆破揭煤时，难以一次性把石门揭开，必须重复多次进行揭煤作业，这也容易诱导突出事故；2009年5月30日重庆市同华煤矿在揭煤作业过程中，发生煤与瓦斯突出事故，造成30人死亡，原因就在于一次爆破未能将整个石门揭开，在第四次爆破揭煤作业时，诱导了煤与瓦斯突出。

目前，有关石门揭煤前的围岩强度控制方面的工艺和方法，主要是对破碎围岩进行注浆加固和在围岩内插入钢管提高其整体强度。上述措施主要考虑的是增强围岩抵御突出的能力，而未考虑到在爆破揭煤作业之前，如何降低该围岩强度，以免发生石门不能一次性揭开的现象。

既能在岩巷掘进中增强围岩强度，有效提高围岩的防突能力，又能在爆破揭煤作业之前对该围岩进行弱化处理，确保石门能一次性被揭开的装置与方法，在公开的文献资料上，尚未看见。

因此，为了石门揭煤的安全作业，探索出一种能够控制围岩强度的装置与方法就显得尤为迫切。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种石门揭煤前的围岩强度控制装置与方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种石门揭煤前的围岩强度控制装置，包括注水系统、冷冻系统和融冰系统；所述注水系统包括输水管、注水泵和注水管束，注水泵的进水端通过联接胶管连接输水管，出水端通过高压胶管连接各注水管束；注水泵的进水端和出水端均设置阀门；所述冷冻系统包括冷冻液橱柜、注液泵和注液管束，注液泵的进液端通过联接胶管连接冷冻液橱柜，出液端通过高压胶管连接注液管束，所述注水管束的出水端以及注液管束的出液端，分别与设置在掘进工作面前方围岩上的钻孔通过封孔器连接；所述融冰系统包括输水管、加热器、气体压缩机和注液管束，所述加热器的一端连接输水管，另一端通过联接胶管连接气体压缩机，气体压缩机的出气端通过高压胶管连接注气管束，气体压缩机的两端均设置阀门，所述注气管束与远距离震动爆破揭煤位置处的钻孔通过封孔器连接。

所述各注水管束、注液管束和注气管束分别由多根胶管组成，每束胶管的一端集合在一起形成一个总端口，与高压胶管螺纹连接，另一端分别设置连接头与封孔器螺纹连接。

所述一束注水管束中的每根胶管与位于同一行的钻孔连接；一束注液管束中的每根胶管与位于同一行的钻孔连接，且两根胶管之间间隔一个钻孔；注水管束和注液管束上、下间隔设置，以两行注水管束一行注液管束的频率布设。

所述一束注气管束中的每两根胶管之间间隔一个钻孔安装，两束注气管束之间间隔一行。

一种石门揭煤前的围岩强度控制方法，具体步骤为：

步骤1）在掘进工作面前方围岩处，等待瓦斯排放完毕，利用部分瓦斯排放钻孔构建注水系统，具体方法如下：通过联接胶管，将输水管与注水泵相联接，并在联接胶管上安设阀门；将各注水管束分别与钻孔内的封孔器相联接；采用高压胶管分别将各注水管束与注水泵相联接，并在高压胶管上安设阀门；

步骤2）在与注水系统同一工作面，再利用部分瓦斯排放钻孔构建冷冻系统，具体方法如下：通过联接胶管，将冷冻液橱柜和注液泵相联接，并在联接胶管上安设阀门；将各注液管束分别与钻孔内的封孔器相联接；采用高压胶管分别将各注液管束与注液泵相联接，并在高压胶管上安设阀门；

步骤3）先启动注水系统，再启动冷冻系统，实现岩体结冰冷冻，具体步骤如下：打开注水系统的阀门，开启注水泵向钻孔内注水；待岩体湿润后关闭阀门和注水泵，然后开启冷冻液橱柜和其阀门，启动注液泵向钻孔内注入冷冻液，直至水体结冰岩体加固，从而形成一道较为安全的屏障；然后拆除注水系统和冷冻系统，实施爆破，向前掘进；

步骤4）当工作面掘进至远距离震动爆破的揭煤位置，安装融冰系统，具体方法如下：将输水管与加热器相联接；通过联接胶管将加热器和气体压缩机相联接，并且在联接胶管上安设阀门；将各注气管束分别与钻孔内的封孔器相联接；采用高压胶管分别将各注气管束与气体压缩机相联接，并在高压胶管上安设阀门；

步骤5）在远距离震动爆破的揭煤位置设置爆破孔，并装好炸药，完成爆破前的准备工作；启动加热器产生高温水蒸气，打开联接胶管上的阀门，高温气体通过联接胶管进入气体压缩机，经压缩后，打开高压胶管上的阀门，使其通过高压胶管及各注气管束进入钻孔，在高温水蒸气作用下，掘进工作面前方岩体内的冰融化成水，而饱含水的岩体，强度要低于原始岩体；此时实施远距离爆破，确保一次性揭开岩层。

本发明的有益效果是：一种石门揭煤前的围岩强度控制装置与方法，通过注水冷冻加强掘进工作面前方的围岩强度，提高该围岩抵御突出的能力，确保掘进作业过程中，不会发生围岩被冲开而引起的突出事故；通过注高温水蒸气将围岩内的冰融化成水，降低围岩强度，可确保最终的爆破能够一次性揭开巷道前方的围岩，有效避免因多次爆破作业而诱导突出事故。因此，该方法可根据石门揭煤作业需要，改变巷道前方的围岩强度，解决了长期以来石门揭煤作业风险较高的技术难题。

附图说明

图1是本发明的实施例结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的B-B剖视图。

图中标记如下：1.输水管,2.联接胶管,3.阀门,4.注水泵,5.阀门,6.高压胶管,7.注水管束，8.冷冻液橱柜，9.联接胶管，10.阀门，11.注液泵，12.阀门，13.高压胶管，14.注液管束，15.输水管，16.加热器，17.联接胶管，18.阀门，19.气体压缩机，20.阀门，21.高压胶管，22.注气管束，23.钻孔，24.掘进工作面前方围岩，25.远距离震动爆破揭煤位置。

具体实施方式

结合附图1、2、3可以看出，一种石门揭煤前的围岩强度控制装置，包括注水系统、冷冻系统和融冰系统；所述注水系统包括输水管1、注水泵4和注水管束7，注水泵4的进水端通过联接胶管2连接输水管1，出水端通过高压胶管6连接各注水管束7；注水泵4的进水端和出水端均设置阀门3、5；所述冷冻系统包括冷冻液橱柜8、注液泵11和注液管束14，注液泵11的进液端通过联接胶管9连接冷冻液橱柜8，出液端通过高压胶管6连接注液管束14，所述注水管束7的出水端以及注液管束14的出液端，分别与设置在掘进工作面前方围岩24上的钻孔23通过封孔器连接；所述融冰系统包括输水管15、加热器16、气体压缩机19和注液管束14，所述加热器16的一端连接输水管15，另一端通过联接胶管17连接气体压缩机19，气体压缩机19的出气端通过高压胶管21连接注气管束22，气体压缩机19的两端均设置阀门，所述注气管束22与远距离震动爆破揭煤位置25处的钻孔23通过封孔器连接。

所述各注水管束7、注液管束14和注气管束22分别由多根胶管组成，每束胶管的一端集合在一起形成一个总端口，与高压胶管6、13、21螺纹连接，另一端分别设置连接头与封孔器螺纹连接。

如图2所示，在掘进工作面前方围岩24，即图1中的起始位置A-A处，所述一束注水管束7中的每根胶管与位于同一行的钻孔23连接；一束注液管束14中的每根胶管与位于同一行的钻孔23连接，且两根胶管之间间隔一个钻孔23；注水管束7和注液管束14上、下间隔设置，可以以两行注水管束7一行注液管束14的频率布设。

所述输水管1通过联接胶管2与注水泵4相联，接联接方式为螺纹联接；阀门3安设在联接胶管2上；高压胶管6分别通过螺纹与注水泵4以及各束注水管束7相联接；阀门5安设在高压胶管6上，每一束注水管束7再分别与相应钻孔23内的封孔器相联接，联接方式为螺纹联接；构成注水系统。

所述冷冻液橱柜8和注液泵11通过联接胶管9相联接，联接方式为螺纹联接；阀门10安设在联接胶管9上；高压胶管13分别与各注液管束14及注液泵11相联接，联接方式为螺纹联接；阀门12安设在高压胶管13上，每一束注液管束14再分别与相应钻孔23内的封孔器相联接，联接方式为螺纹联接；构成冷冻系统。

先启动注水系统，待岩体湿润后，再启动冷冻系统，直至水体结冰，岩体加固；拆除注水系统和冷冻系统，实施爆破，向前掘进。

如图3所示，在距离震动爆破的揭煤位置25，即图3中的B-B处，注气管束与位于该处围岩上的钻孔23内的封孔器联接，一束注气管束22中的每两根胶管之间间隔一个钻孔23安装，两束注气管束22之间间隔一行。输水管15与加热器16相联接，联接方式为螺纹联接；加热器16和气体压缩机19通过联接胶管17相联接，联接方式为螺纹联接；阀门18安设在联接胶管17上；高压胶管21分别与各注气管束22及气体压缩机19相联接，联接方式为螺纹联接；阀门20安设在高压胶管21上，构成融冰系统。所述注液管束14和注气管束22可共用一套。

本发明的工作过程如下：

步骤1）在掘进工作面前方围岩24处，等待瓦斯排放完毕，利用部分瓦斯排放钻孔23构建注水系统，具体方法如下：通过联接胶管2，将输水管1与注水泵4相联接，并在联接胶管2上安设阀门3；将各注水管束7分别与钻孔23内的封孔器相联接；并采用高压胶管6分别将各注水管束7与注水泵4相联接，并在高压胶管6上安设阀门5。

步骤2）在与注水系统同一工作面，再利用部分瓦斯排放钻孔23构建冷冻系统，具体方法如下：通过联接胶管9，将冷冻液橱柜8和注液泵11相联接，并在联接胶管9上安设阀门10；将各注液管束14分别与钻孔23内的封孔器相联接；并采用高压胶管13分别将各注液管束14与注液泵11相联接，并在高压胶管13上安设阀门12；

步骤3）先启动注水系统，再启动冷冻系统，实现岩体结冰冷冻，具体步骤如下：打开阀门3、5，开启注水泵4向钻孔内注水；待岩体湿润后关闭阀门5、注水泵4和阀门3，然后开启冷冻液橱柜14，阀门10，启动注液泵11向钻孔23内注入冷冻液，直至水体结冰，岩体加固，从而形成一道较为安全的屏障；然后拆除注水系统和冷冻系统，实施爆破，向前掘进；由于结冰冷冻后的岩体强度较高，因此，不会发生含瓦斯煤体冲开岩层而导致突出事故的现象；

步骤4）当工作面掘进至远距离震动爆破的揭煤位置25，安装融冰系统，具体如下：将输水管15与加热器16相联接；通过联接胶管17，将加热器16和气体压缩机19相联接，并且在联接胶管17上安设阀门18；将各注气管束22分别与钻孔23内的封孔器相联接；并采用高压胶管21分别将各注气管束22与气体压缩机19相联接，并在高压胶管21上安设阀门20；

步骤5）在远距离震动爆破的揭煤位置25设置爆破孔，并装好炸药，完成爆破前的准备工作；启动加热器16产生高温水蒸气，打开阀门18，高温气体通过联接胶管17进入气体压缩机19，经压缩后，打开阀门20，使其通过高压胶管21及各注气管束22进入钻孔23，在高温水蒸气作用下，掘进工作面前方岩体内的冰将融化成水，而饱含水的岩体，强度要低于原始岩体；此时实施远距离爆破，可确保一次性揭开岩层，不会出现因多次揭煤而诱导突出事故的现象。

实施例：

煤层厚度3m，巷道高3m，宽4m；起始位置（A-A位置）距煤体的垂直距离20m，远距离震动爆破的揭煤位置（B-B）距煤体的垂直距离2m。施工瓦斯排放钻孔23共11行，71个。所述钻孔23前期用于瓦斯排放，后期，用于注水、注冷冻液、爆破和注高温水蒸气。

输水管1、15为空心钢管，直径50mm，壁厚2mm，长10m；联接胶管2、9、17的制作材料为橡胶，长1m，外径10mm，壁厚1mm；阀门3、5、10、12、18、20的型号为RQZ系列安全切断阀。

注水泵4、注液泵11为3ZBQS1210型煤矿用双液气动注浆泵；高压胶管6、13、21为液压胶管，外径42mm，壁厚2mm；其中，高压胶管6、13长10m，由于高压胶管21用于输送高温水蒸气时的远距离作业需要，长度可达500m；注水管束7、注液管束14和注气管束22也为液压胶管，其中的每一根胶管，长2m，外径20mm，壁厚2mm。

冷冻液橱柜8为LNG低温储罐，低温冷冻液为酒精；加热器16为RGZ系列优质循环加热器；气体压缩机19为GGPD系列气体增压泵。

上述各部件之间主要采用螺纹联接。