微波定向切顶卸压沿空留巷方法与流程

本发明属于采煤领域，具体的是微波定向切顶卸压沿空留巷方法及设备。

背景技术：

随着煤矿开采深度的不断增加，开采强度不断增大，矿井的灾害也日益严重，灾害治理时间不断延长，从而导致矿井出现采掘接替紧张的局面。为了缓解此局面，多数矿井采用了沿空留巷的技术。但随着工作面的推进，采用沿空留巷时会出现巷道围岩变形大，顶板支护困难等情况，尤其是周期来压步距较大时，采空区会出现大面积的悬顶和较大的应力集中现象，从而导致巷道冒顶、锚杆锚索断裂等矿压灾难。

目前矿井通常采用切顶卸压技术进行沿空护巷，主要方式为钻孔爆破法和水力压裂法，但钻孔爆破的炸药存在行政审批难，运输、存储过程受到管制，爆破时炸药量难以控制，并且容易造成回风巷t2探头co超限报警；水力压裂法切顶卸压时压裂的范围难以控制，操作难度大，且易出现安全问题，整个压裂设备和巷道顶板长时间处于高压状态，严重制约着矿井的安全高效生产。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决目前的切顶卸压进行沿空护巷安全隐患大的问题，提供一种微波定向切顶卸压沿空留巷方法，提高沿空护巷的安全系数。

本发明采用的技术方案是：微波定向切顶卸压沿空留巷方法，

步骤1、在回风巷下帮沿回风巷延伸方向施工多个钻孔；且各个钻孔末端穿透煤层顶板垮落关键层，按相邻的至少3个钻孔为一组将钻孔进行分组，各组中的钻孔分别包括中间孔、位于中间孔左侧的左侧孔和位于中间孔右侧的右侧孔；

步骤2、选取其中一组钻孔，在其左侧孔和右侧孔内分别安装聚焦功能的微波发射器；利用波导线将微波发射器与微波发生器相连接；微波发射器对正中间孔；并用封孔材料对中间孔进行封孔；

步骤3、向中间孔内注满水；

步骤4、打开微波发生器，直至水温大于或者等于50℃时，关闭微波发生器；

步骤5、向中间孔内注入低温流体，使中间孔内的水凝结成冰；

步骤6、重复步骤2至步骤5完成其它组钻孔切顶作业后，在回风巷上覆岩层形成一条贯通的预裂切缝。

进一步的，在回风巷利用液压单体支柱对顶板进行支护。

进一步的，每组中，相邻两个钻孔之间的间距为0.5m-2m，且每组钻孔数量等于3个。

进一步的，微波发射器安装于关键层处。

进一步的，在微波发射器上安装有微波聚焦装置。

进一步的，经耐低温管与中间孔相连通；

采用注水装置向中间孔注水；所述注水装置包括注水泵，所述注水泵经注水管路与耐低温管相连接。

进一步的，采用注低温流体装置为中间孔注入低温流体；所述注低温流体装置包括低温流体罐和低温流体泵，低温流体罐经安装有低温流体泵的流体管路与耐低温管相连接。

进一步的，并设置有显示中间孔内水温的温度显示器以及显示中间孔内水压的压力表。

本发明的有益效果是：本发明公开的微波定向切顶卸压沿空留巷方法，通过微波发射器辐射回风巷顶板岩层后，使局部岩石定向受热发生放射状热破裂现象；同时，中间孔内的水受热升温，当中间孔内注入低温流体后，热水与低温流体相遇，中间孔内的水迅速凝结成冰，周围岩石受冷，岩石因热胀冷缩作用出现连续裂缝，加上水凝结成冰的过程中体积膨胀9％-10％，导致岩石的裂缝再次扩大岩石，从而在回风巷的顶板上出现连续预裂切缝。当回采工作面推进到预裂切缝时，顶板岩石在矿压和自重的作用下能够及时发生剪切破断，防止巷道出现应力集中现象，从而解决巷道支护困难的问题。

由于采用微波定向辐射的方式，能够保证岩石受热方向和位置，从而使的预裂切缝的切顶角度和切顶方向可控，易于操作。

整个过程中，岩石受热破裂是在微波辐射作用下进行的，裂缝的扩张是在岩石热胀冷缩以及水变成冰过程中体积增加的作用下完成的，全程无需在高压状态下作业，安全性高，也无需爆破，能很好的适用于高瓦斯矿井和突出矿井。

附图说明

图1为本发明整体布置示意图；

图2为本发明微波定向切顶卸压作业示意图。

图中，左侧孔1-1、右侧孔1-2、中间孔1-3、微波聚焦装置2、微波发射器3、波导线4、微波发生器5、低温流体泵6、低温流体罐7、注水泵8、温度显示器9、压力表10、直接顶层11、关键层12、预裂切缝13、液压单体支柱14、回风巷15、运输巷16、回采工作面17、煤层19。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：

微波定向切顶卸压沿空留巷方法，

步骤1、如图1和图2所示，步骤1、在回风巷15下帮沿回风巷15延伸方向施工多个钻孔；且各个钻孔末端穿透煤层顶板垮落关键层12，按相邻的至少3个钻孔为一组将钻孔进行分组，各组中的钻孔分别包括中间孔1-3、位于中间孔1-3左侧的左侧孔1-1和位于中间孔1-3右侧的右侧孔1-2；

步骤2、选取其中一组钻孔，在其左侧孔1-1和右侧孔1-2内分别安装聚焦功能的微波发射器3；利用波导线4将微波发射器3与微波发生器5相连接；微波发射器3对正中间孔1-3；并用封孔材料对中间孔1-3进行封孔；

步骤3、向中间孔1-3内注满水；

步骤4、打开微波发生器5，直至水温大于或者等于50℃时，关闭微波发生器5；

步骤5、向中间孔1-3内注入低温流体，使中间孔1-3内的水凝结成冰；

步骤6、重复步骤2至步骤5完成其它组钻孔切顶作业后，在回风巷15上覆岩层形成一条贯通的预裂切缝13。

步骤2中，封孔材料可以采用水泥砂浆等。步骤3中，中间孔1-3内注满水，以保证中间孔1-3内水凝结成冰后体积膨胀能够对岩石产生挤压。步骤5中，低温流体可以为液氮、液态二氧化碳等，其为能够使水迅速凝结成冰的流体。

本发明公开的微波定向切顶卸压沿空留巷方法，通过微波发射器3辐射回风巷15顶板岩层后，使局部岩石定向受热发生放射状热破裂现象；同时，岩层受热将热量传递给中间孔1-3内的水，水受热升温，当中间孔1-3内注入低温流体后，热水与低温流体相遇，中间孔1-3内的水迅速凝结成冰，周围岩石受冷，岩石因热胀冷缩作用出现连续裂缝，加上水凝结成冰的过程中体积膨胀9％-10％，导致岩石的裂缝再次扩大岩石，从而在回风巷15的顶板上出现连续预裂切缝13。当回采工作面17推进到预裂切缝13时，顶板岩石在矿压和自重的作用下能够及时发生剪切破断，采空区的岩层垮落，不会出现大面积的悬顶问题，防止巷道出现应力集中现象，从而解决巷道支护困难的问题。

由于采用微波定向辐射的方式，能够保证岩石受热方向和位置，从而使的预裂切缝13的切顶角度和切顶方向可控，易于操作。

整个过程中，岩石受热破裂是在微波辐射作用下进行的，裂缝的扩张是岩石热胀冷缩以及水变成冰过程中体积增加的作用下完成的，全程无需在高压状态下作业，安全性高，也无需爆破，能很好的适用于高瓦斯矿井和突出矿井。

其中，回风巷15下帮是则回风巷15相邻于运输巷16的一侧。

各个钻孔末端穿透煤层顶板垮落关键层12，是指钻孔穿透直接顶层11延伸至关键层12。直接顶层11和关键层12均为煤层顶板上的覆岩层。相比于直接顶层11，关键层12距离煤层19更远。

为了保证安全，在回风巷15利用液压单体支柱14对顶板进行支护。

为了提高切顶角度和切顶方向的可控度，提高切顶效率，优选的，每组钻孔间距为0.5m-2m，且每组钻孔数量等于3个。将孔间距控制在0.5m-2m的范围内，能够保证中间孔1-3内的水热胀冷缩的作用力能够覆盖左侧孔1-1和右侧孔1-2；也能保证微波能够穿透相邻钻孔之间的岩层。钻孔数量控制为3个，避免了能源浪费，还避免了组间钻孔之间存在未出现裂隙的风险。

由于岩石力学中煤层顶板是否垮落与关键层12有直接关系，为了使微波发射器3能尽可能的照射该关键岩层，优选的，微波发射器3安装于关键层12处。煤层19如图1所示。

为了起到聚波作用，使微波发射器3发出的微波形成一定宽度的平行微波，保证定向辐射，在微波发射器3上安装有微波聚焦装置2。

注水装置和注低温流体装置可以通过独立的管道延伸至中间孔1-3内，但是，这样会导致管道浪费，并增加管道铺设工程量，为了避免该问题，本发明中，经耐低温管与中间孔1-3相连通；采用注水装置向中间孔1-3注水；所述注水装置包括注水泵8，所述注水泵8经注水管路与耐低温管相连接。采用注低温流体装置为中间孔1-3注入低温流体；所述注低温流体装置包括低温流体罐7和低温流体泵6，低温流体罐7经安装有低温流体泵6的流体管路与耐低温管相连接。

并设置有显示中间孔1-3内水温的温度显示器9以及显示中间孔1-3内水压的压力表10。

通过压力表10监测中间孔1-3内的水压，即水对中间孔1-3内孔壁的压力，来判定中间孔1-3内是否注满水。如，当压力表10显示水压力值大于或者等于0.1mpa，则确定中间孔1-3内是满水状态。温度显示器9监测水温，对微波发生器5的开闭起到指示作用。