一种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化方法
【专利摘要】一种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化方法，所述方法是在回风平巷和运输平巷靠近工作面一侧，开设注水钻孔及其若干V型槽；再对火成岩进行取样测试，配置相对应的化学溶液，并确定化学溶液浓度、注液量及注液时间；后装药炮泥封孔，连接导爆索上起爆破。本发明采用物理与化学相结合的方法，解决了现有煤矿普遍存在着煤层中含有火成岩难以推进的问题，而且工艺简单，成本低，效益好，最大程度地实现了煤矿的安全生产。
【专利说明】
一种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种煤矿开采厚煤层中火成岩的化学弱化方法，具体是一种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化的方法。
【背景技术】
[0002]随着开采深度的增加，煤层中火成岩侵蚀问题也逐步成为煤矿开采中常见的问题和主要难题。煤层大部分的火成岩是由下部母岩物质经过复杂的地质活动，形成的熔融岩浆向上运动，由于煤炭的强度比较低，熔融岩浆直接大范围的侵入煤层中，冷却凝固形成的。火成岩侵入煤层破坏了煤层的完整性，造成煤层分布的不稳定性，严重影响煤矿的正常生产与经济效益。火成岩在煤层中一般范围比较普及、连续性比较好和亲水性比较弱，开采过程中造成采煤设备的极大磨损而且会产生产生大量的粉尘，粉尘对机械设备和井下人员都有很大的危害。目前处理煤层中火成岩的比较好的方式是爆破方法，李鑫在《综采工作面过火成岩侵入带的实践》结合工作面人工打眼放炮过火成岩侵入带的实践。总结生产过程中出现的问题并且提出一些解决办法。但是所有相关的方法存在生产效率低，生产成本高的问题，除此之外，更重要的是爆破后的岩石块度较大，仍然需要采煤机的截割，未能有效地从根本上解决问题。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的具体技术问题是采用物理与化学相结合的方法，对厚煤层中火成岩的致裂软化，进一步克服采用单一爆破方式所带来的不利因素，并提供一种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化方法。
[0004]本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。
[0005]—种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化方法，所述方法是按下列步骤进行的:
(1)利用震波CT技术探明厚煤层中火成岩的分布规律；
(2)将含有火成岩部分对应的回风平巷和运输平巷靠近工作面一侧，分别设置两排层上下相间、水平分布的“三花眼”注水钻孔，每个注水钻孔的深度为煤层工作面长度的0.3-
0.5之间，并在所述注水钻孔中开设若干个V型槽；
(3)对上述每层每个注水钻孔进行装药，装药的层数与V型槽的数量相同，每层装药的长度是V型槽位于装药长度的中间位置距离;完成两排层注水钻孔装药后，对注水钻孔进行封孔，后连接爆破网络采用毫秒爆破进行施爆；
(4)对火成岩进行取样测试，按照实验规程，测定火成岩的单轴抗压强度、孔隙率、吸水性和透水性的相关参数，由X射线衍射仪进行测定火成岩的主要矿物成分;根据火成岩的主要化学成分，配置相对应的化学溶液；
(5)确定化学溶液的浓度是在相同的时间条件下，测试溶液浓度对火成岩的单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响，将其相应两者关系进行拟合;同样在相同浓度溶液条件下，测试时间差对火成岩的单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响，将其相应两者关系进行拟合；经过拟合结果确定溶液的浓度；
(6)确定注水钻孔的注液量及时间是根据测试火成岩的孔隙率、吸水性和透水性参数和水平分段爆破预裂效果确定向注水钻孔内注入的注液量，注液时间，并进行注液的操作工序；
(7)根据化学溶液作用后的火成岩单轴抗拉强度和采煤机的截割性能，确定采煤机的合理截深和工作面正常循环进度。
[0006]在上述技术方案中，进一步的技术特征如下。
[0007]所述注水钻孔是由探水钻打一定的深度，再将钻头换为开槽钻，相隔一定的距离开一个V型槽，重复上述的步骤打若干个V型槽。
[0008]所述钻机是液压或风动冲击探水钻机。
[0009]所述装药是由木质或竹质的炮棍将药卷轻轻推入炮眼底，使炮眼内的各药卷间彼此紧密接触再封炮泥完成。
[0010]上述本发明所提供的一种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化方法，与现有技术相比，本方法是先进行打眼爆破，之后突破原来固有的模式直接进行截割，将爆破方法与化学处理相结合，在打孔的工程中，创造型地开V型槽，增加V型槽给予爆破增加了自由面，使得爆破效果更好，预裂缝更充分，之后再注入化学溶液，降低火成岩的力学强度性能，强度的降低采煤机可以进行直接截割，从而达到预想的目的，选择采煤机合理的截深和工作面循环进度，使得采煤机推进过程得到了连续;该方法可以有效的减小采煤机械的磨损和采煤工作面的煤尘，井下的机械设备减少了损害而且人员的健康得到了保证，确保了综采工作面的正常推进，经济适用，安全可靠，具有很大的推广和应用价值。
【附图说明】
[0011]图1是本方法的平面展示结构意图。
[0012]图2是本方法图1的C-C截面钻孔设置平面结构示意图。
[0013]图3是本方法图1的D-D截面钻孔俯视结构示意图。
[0014]图4是本方法火成岩的单轴抗压强度与浸泡时间的关系图。
[0015]图中:1:上覆岩层;2:煤层顶板;3:煤层;4:运输平巷;5:底板;6:回风平巷;7、:V型槽；8:钻孔;9:火成岩体;10:米空区。
具体实施方案
[0016]下面对本发明的【具体实施方式】作出进一步的说明，【具体实施方式】仅仅是解释本发明的技术方案，并不限定本发明。
[0017]实施本发明上述所提供的一种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化方法，该方法是按下列步骤进行的:
步骤一，利用震波CT技术探明厚煤层中火成岩的分布规律及相应方位，如附图1所示。
[0018]步骤二，在含有火成岩的那一部分对应的回风平巷和运输平巷靠近工作面的一侧，利用之前煤层注水的钻孔，钻孔的设计为:钻机打两排排水平分布的注水钻孔，分别为上下相间布置，即采用“三花眼”的布置方式。每个钻孔的深度为煤层的工作面长度的0.3-0.5米之间。之后在所有的钻孔中利用开槽钻开若干个V型槽。
[0019]步骤三，在每个钻孔中进行装药，装药的层数与V型槽的的数量相同，每层的装药长度为一定距离，但是保证V型槽位于装药长度的中间位置。装药时，用木质或竹质的炮棍将药卷轻轻推入炮眼底，使炮眼内的各药卷间彼此紧密接触再封炮泥完成第一层的装药:接着按上述的步骤完成所有层的装药，直至把所有的钻孔装满。装药完毕后，开始装炮泥进行封孔，连接爆破网络采用毫秒爆破进行施爆。
[0020]步骤四，对火成岩进行取样测试，按照实验规程，测定火成岩的单轴抗压强度、孔隙率、吸水性和透水性等相关的各参数，采用X射线衍射仪进行测定火成岩的主要矿物成分。根据的火成岩的主要化学成分，选择对应的化学溶液。
[0021 ]步骤五，确定化学溶液的浓度，在相同的时间条件下，测试浓度溶液对火成岩的单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响，将其相应两者的关系进行拟合；同样在相同浓度溶液的条件下，测试时间差对火成岩的单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响，并将其相应两者关系进行拟合;经过拟合结果确定溶液的浓度；
步骤六，根据火成岩的孔隙率、吸水性和透水性等相关参数和水平分段爆破预裂效果确定向孔内注入的注液量，注液时间。然后进行注液的操作工序。
[0022]步骤七，根据化学溶液作用后的火成岩的单轴抗拉强度和采煤机的截割性能，确定采煤机的合理截深和工作面正常循环进度。
[0023]在上述的具体实施方案中，在火成岩的标准试件的物理化学试验中，火成岩的主要化学成分为S12，大约占35%-78%，经过步骤五中的拟合结果可以确定为用0.3%-0.5%的NaOH溶液，浸泡时间在7天-1 O天的效果最佳。
[0024]在上述的具体实施方案中，火成岩的单轴抗拉强度与化学溶液作用时间和原始单轴抗压强度的规律呈现为
δ= -aln(t)+ δο +
S为火成岩与化学溶液作用后的单轴抗压强度，a为拟合系数，t为化学溶液的作用时间，知为火成岩的天然单轴抗压强度，为一个修正系数。
[0025]在上述的具体实施方案中，采煤机在通过火成岩区域的合理截深为300mm-800mm，
为了保护采煤机的截齿，取值应小于理论中的取值。
[0026]
下面结合某矿及附图的实际情况，对本发明的【具体实施方式】作出进一步的说明，【具体实施方式】仅仅是解释本发明的技术方案，并不限定本发明。
[0027]实施本发明上述所提供的一种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化方法，该方法是按下列步骤进行的。
[0028]步骤一、利用震波CT技术探明某矿煤层中的火成岩的分布规律和存在范围，其形状近似于一个不规则的椭圆形，其长轴大约为122 m，短轴大约为67m，火成岩体离运输平巷最近的距离为19.2m。
[0029]步骤二、在回风平巷和运输平巷沿煤壁利用钻机前期打出的两排水平分布的注水钻孔，间距为3m，呈现“三花眼”布置方式，每个炮眼的深度为煤层的工作面长度的SOm-1OOm之间。其中在顶眼和底眼中用开槽钻开若干个V型槽，两V型槽之间的距离为5m。
[0030]步骤三、在顶眼和底眼每个钻孔中进行装药，装药的层数与V型槽的的数量相同，每层的装药长度为一定距离，但是保证V型槽位于装药长度的中间位置。装药时，用木质或竹质的炮棍将药卷轻轻推入炮眼底，使炮眼内的各药卷间彼此紧密接触再封炮泥完成第一层的装药:接着按上述的步骤完成所有层的装药，直至把所有的钻孔装满。装药完毕后，开始装炮泥进行封孔，连接爆破网络采用毫秒爆破进行施爆。
[0031]步骤四、对火成岩进行取样测试，按照实验规程，测定火成岩的测定煌斑岩的单轴抗压强度为52.84MPa、孔隙率为4.61%、吸水性2.58%和渗透系数为6 X 10—3 cm/s等参数，采用X射线衍射仪进行测定火成岩主要以石英为主，其主要矿物成分为Si02。根据的火成岩的主要化学成分，选择对应的化学溶液NaOH溶液。在相同的时间条件下，测试浓度溶液对火成岩的单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响，将其相应两者的关系进行拟合；同样在相同浓度溶液的条件下，测试时间差对火成岩的单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响，并将其相应两者关系进行拟合。
[0032]进一步，火成岩的单轴抗拉强度与化学溶液作用时间和原始单轴抗压强度的规律呈现为
5= -10.291n(t)+ 52.84
S为火成岩与化学溶液作用后的单轴抗压强度，a为拟合系数，t为化学溶液的作用时间，δο=52.84ΜΡ&为火成岩的天然单轴抗压强度，=0为一个修正系数。
[0033]步骤六、经过火成岩的标准试件的物理化学试验中的数据拟合结果，火成岩的主要为石英，其化学成分主要为S12,大约占68%，经过拟合结果可以确定为用0.3%—0.5%的NaOH溶液，浸泡时间在7天一1天的效果最佳。采煤机在通过火成岩区域的合理截深为500mm，在实际生产过程中，要尽量小于这个值。
【主权项】
1.一种厚煤层中火成岩水平分段爆破致裂化学弱化方法，所述方法是按下列步骤进行的: (1)利用震波CT技术探明厚煤层中火成岩的分布规律；(2)将含有火成岩部分对应的回风平巷和运输平巷靠近工作面一侧，分别设置两排层上下相间、水平分布的“三花眼”注水钻孔，每个注水钻孔的深度为煤层工作面长度的0.3-0.5倍之间，并在所述注水钻孔中开设若干个V型槽； (3)对上述每层每个注水钻孔进行装药，装药的层数与V型槽的数量相同，每层装药的长度是V型槽位于装药长度的中间位置距离;完成两排层注水钻孔装药后，对注水钻孔进行封孔，后连接爆破网络采用毫秒爆破进行施爆； (4)对火成岩进行取样测试，按照实验规程，测定火成岩的单轴抗压强度、孔隙率、吸水性和透水性的相关参数，由X射线衍射仪进行测定火成岩的主要矿物成分;根据火成岩的主要化学成分，配置相对应的化学溶液； (5)确定化学溶液的浓度是在相同的时间条件下，测试浓度溶液对火成岩的单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响，将其相应两者关系进行拟合;同样在相同浓度溶液条件下，测试时间差对火成岩的单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响，将其相应两者关系进行拟合；经过拟合结果确定溶液的浓度； (6)确定注水钻孔的注液量及时间是根据测试火成岩的孔隙率、吸水性和透水性参数和水平分段爆破预裂效果确定向注水钻孔内注入的注液量，注液时间，并进行注液的操作工序； (7)根据化学溶液作用后的火成岩单轴抗拉强度和采煤机的截割性能，确定采煤机的合理截深和工作面正常循环进度。2.如权利要求1所述的方法，所述注水钻孔是由探水钻打一定的深度，再将钻头换为开槽钻，相隔一定的距离开一个V型槽，重复上述的步骤打若干个V型槽。3.如权利要求2中所述的方法，所述钻机是液压或风动冲击探水钻机。4.如权利要求1所述的方法，所述装药是由木质或竹质的炮棍将药卷轻轻推入炮眼底，使炮眼内的各药卷间彼此紧密接触再封炮泥完成。5.如权利要求1所述的方法，所述钻孔的深度是煤层工作面长度的0.3-0.5之间。
【文档编号】E21B49/00GK105909246SQ201610502845
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】杨永康, 张彦斌, 康天合, 季春旭, 郭泽峰, 张智敏
【申请人】太原理工大学