煤层势能体物理爆炸的防治方法
【专利摘要】一种煤层势能体物理爆炸的防治方法，该方法利用“钻顶一体防突钻机装置”、“煤与瓦斯分离装置”作业，作业方法包括：确定钻顶孔的位置、深度、孔数与钻孔角度及两孔间距与两孔的终孔距离；液压系统为钻机装置进行水平、垂直支撑使钻顶一体防突钻机装置与巷道成为一个整体；对煤层进行基准式钻进，为套管装置和顶进作业打下基础；用“煤与瓦斯分离装置”替换导向装置，做好安全泄压的准备后，进行正式钻顶孔作业；根据钻机最大推进行程加接钻杆和套管，直到把孔钻顶到工程设计的深度为止。本方法将具有物理爆炸危险的煤层势能体内的瓦斯或二氧化碳气体泄压与排放，彻底杜绝煤与瓦斯突出事故的发生，为煤炭企业和作业矿工创造了安全的生产条件。
【专利说明】
煤层势能体物理爆炸的防治方法
技术领域
[0001]本发明涉及地下煤矿采掘领域的安全生产技术，特别是涉及一种煤层势能体物理爆炸的防治方法。
【背景技术】
[0002]长期以来煤炭开采期间煤与瓦斯突出动力灾害始终困扰着地下煤矿的煤炭采掘过程，我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家。始终都把煤炭开采中的动力灾害防治技术列为安全生产科技规划的重中之重，但是基于煤与瓦斯突出灾害发生时的不可亲临性。《防治煤与瓦斯突出规定》读本对煤与瓦斯突出是这样描写的煤与瓦斯突出是破碎的煤、岩和瓦斯在地应力和瓦斯的共同作用下，由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的动力现象，是煤矿中最严重的灾害之一。其破坏性主要表现为:突出形成的冲击波破坏采掘空间内的设施;抛出的煤、岩伤害或掩埋现场工作人员；瞬间涌入采掘空间的大量瓦斯使井下风流中瓦斯浓度迅速增高，造成人员窒息死亡，遇到火源时甚至可能引起瓦斯爆炸事故。煤与瓦斯突出事故不但造成煤矿企业经济上的重大损失；而且可能造成人员伤亡，在社会上也造成严重影响。” “但总体来看，由于突出过程的复杂性和现有科学技术的局限性，人们对煤与瓦斯突出机理的认识仍然处于定性阶段，对突出现象发生的许多方面还未能作出科学、全面、完整的解释。”对煤与瓦斯突出灾害的自然属性的发现，基础理论研究，与工程应用的技术开发是全世界煤与瓦斯突出灾害防治研究领域，亟待突破的课题和任务。
[0003]通过分析与研究及仿真模拟实验后我们得出煤与瓦斯突出其实只不过是，气体动力的落煤过程，也就是说突出到采空场或巷道里边的煤和部分矸石，是靠瓦斯或二氧化碳的压缩势能给抛出来的。我们再看一下2016年3月6日，发生在吉林省通化矿业集团有限公司松树煤矿的，煤与瓦斯突出事故中的几个信息，即:灾变时期涌出瓦斯7160立方米，突出煤矸293吨，灾变过程极短，并在煤体中留下孔洞。
[0004]下面结合煤层势能体物理爆炸，也就是以前人们普遍认为的煤与瓦斯突出灾害，这个已经危害人们180多年而且至今人们还尚未得到彻底认识的、客观事物的自然现象、特性和规律阐述如下:
现象:通过对煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出动力灾害的分析与研究发现，其普遍存在灾变时期与过程中的突然性、巨响性、和气体(瓦斯、二氧化碳)与固体(煤、岩)的混合冲击流能量转化时的动力性与破坏性，及涌出大量瓦斯或二氧化碳和突出大量煤或矸石，并在煤体中留下不规则的孔洞的现象进行分析，与煤矿井下进行炮采炸药爆破落煤时期的过程十分相似，而各种事后表现也十分吻合，只不过是炮采落煤期间炸药发生了分子改变而煤与瓦斯突出时期瓦斯分子却没有发生改变。炮采炸药爆破是炸药爆炸时的剧烈化学反应生成的巨大气动能量，把煤体从煤层内部极速抛出的过程;而煤与瓦斯突出同样是气动能量的突然释放，将煤体从煤层中极速抛出到采空场或巷道空间的，只不过这个气动能量源是煤层在远古时期形成时就已埋在那里了，其就象定时炸弹一样，只要人们碰到它就会吃亏，不是受伤就是死亡。通过研究与分析及进行自然现象的相似性与吻合度的比较，后发现煤与瓦斯突出动力灾害过程即然和炮采炸药爆破落煤相似，那么其也必然属于自然界中的爆炸范畴，其即然其属于爆炸范畴，我们就不难为其对号入座了，因为目前公知的自然界中只有“物理爆炸、化学爆炸，与核爆炸”等三大爆炸类型，又因为核爆炸期间是物质原子发生了聚变或裂变，所以才会产巨大的能量，造成巨大的破坏力，所以一看便知煤与瓦斯突出不属于核爆炸类型的范畴;再看化学爆炸，不但会产生分子改变，而且其爆炸一定是要有引爆装置的引爆，才会发生爆炸行为，因为在任何一次的煤与瓦斯突出事故中，没有一次是被什么东西引爆的，虽然有和炮采落煤同步突出的时候，但那也是其赋存环境被破坏后造成的，所以煤与瓦斯突动力灾害也同样不属于自然界中的化学爆炸类的范畴。那么，三大爆炸类型中就只剩下物理爆炸类型来和煤与瓦斯突出动力灾害来认亲了，物理爆炸是指物质因状态或压力发生突变而形成的爆炸。它与化学爆炸明显的区别在于物理爆炸前和爆炸后物质的性质及化学成分并不改变。如锅炉爆炸、压力容器爆炸，汽车轮胎爆炸等，同样的煤与瓦斯突出期间瓦斯或二氧化碳气体的化学成分没有发生改变;而煤与矸石等物质也同样没有发生改变，只是其留下的孔洞内的气体势能因发生突变，能量从高压状态瞬间转化成为了常压状态，从各方面的现象看，煤与瓦斯突出的动力灾害过程与现象，和自然中三大爆炸类型中的物理爆炸类型不但相似，而且也十分的吻合，就和我们人类的DNA—样，可以说其能量的转化过程和物理爆炸100%的吻合，无疑，即其属于自然界中的物理爆炸范畴，为此我们把煤与瓦斯突出这个定性的称呼定义为“煤层势能体物理爆炸”现象。
[0005]特性:因为对煤与瓦斯突出有了煤层势能体物理爆炸的新称呼，所以如下便以定义性、定量性称呼来说其的特性和规律。其特性就是在塑性煤层中，存在着被不规则边界包裹着的，内部充满瓦斯或二氧化碳与煤或岩混合着的，和气体处于压缩态的势能体，其体内的物质处在势能弹性环境，边界层具有极强的密封性质，不致使体内的压缩态气体渗向体外的塑性煤层。通过对曾经发生过的煤与瓦斯突出，即煤层势能体物理爆炸事故和事件的现场环境分析研究后可以认定，煤层势能体的存在是煤层在形成初期和冷却时就已寄生之中了，其是大自然的先天产物，而不是现在人们进行煤层采掘时的扰动造成，因为这也不符能量转换与守恒的定律。
[0006]煤层势能体物理爆炸除了具有和炮采炸药爆破落煤时的突然性、巨响性、气固流的冲击性等能量转换的特性之外，和炮采落煤有几个最大的区别，那就是在落煤过程中，炮采具有瞬间一次性完成落煤过程，炸药产生的气体能不会对煤体产生分选性;而煤层势能体物理爆炸落煤过程中，如抛出的煤矸量过大堵塞巷道时，气体能量会把堵塞巷道物再向前推，直至巷道堵塞物与巷道顶部出现气流涌出的通道为止，这期间可能是一次或几次，除了上述现象与炮采落煤过程有区别外，还有一个区别，就是煤层势能体物理爆炸过程中煤体经过分选安静后，粒度在煤尘以上的，人们的肉眼可以分辩的煤肩与煤渣等的表现，明显具有失压后的自爆裂的鳞片状，而炮采落煤粒度在煤尘以上的，同样是人们的肉眼可以分辩的煤肩与煤渣等的表现，具有明显的被爆炸力线切割的棱角状，也就是说同样的落煤现象，但煤层势能体物理爆炸落煤与炮采煤存在着明显的区别，这也是其主要特性之一。
[0007]规律:煤层势能体物理爆炸动力灾害，除了属于自然界中物理爆炸类范畴，与具备其特有的相关特性外，其更具有自己的自然规律，即势能体是煤层先天的产物;其主要赋存于煤层顶底板间距离大的地方，即煤层突然变厚超过20%以上甚至是形成煤包的地方;其赋存于煤层埋深几十米到千米以上的任何煤层中；其体积规模可从不足I立方米到几千立方米;其内部瓦斯或二氧化碳气体的压力可从不足IMPa到几十MPa。其发生物理爆炸期间，和炮采炸药爆破一样必定同时产生四质点运动现象，即巨响的声波的运动质点；地震式的固体激振波的运动质点；气体势能冲击流的运动质点；和煤与矸石的固体物冲击流的运动质点等四质总运动，这个能同时产生四个运动质的规律，也是自然界中任何爆炸类型必备的判定指标国。而且，煤层势能体物理爆炸还具备如下规律，那煤层厚度变化不超过20%，煤层中没有势能存在则不会发生势能体的物理爆炸动力灾害；即便煤层中有势能体的存在，如果人们不去进行煤炭开采，让其自己在那安静的待着，则其将永远也不会发生物理爆炸现象;又即便煤层中存在势能体，如果人们在进行采掘时，尽可能的远离其边界，也就是让其边界距临空面的距离远大于其物理爆炸的最小抵抗线的尺寸，其也将不会发生物理爆炸危险;再有，就是人们一定要进行煤炭生产，而且生产期间很可能接近势能体，或者很可能会盲目的从势能体中穿过，这时如果人们不知道自己正在接近危险，或者不知道危险正在等着自己，就象身边有定时炸弹或是已进入雷区，如果不把危险排除，人们就很可能受到伤害，同样的道理，如果人们在势能体发生物理爆炸的最小抵抗线的安全距离之外，预先通过技术措施对其进行泄压作业，将其内部的气动势能解除使其失去物理爆炸能量，那么，即便人们的采掘活动穿越其中也不会再对人们造成任何危害了。按照势能体发生物理爆炸的规律和条件可以看出，只要人们进行地下煤炭的开采活动，不论任何煤层，也不论任何深度，也不论是那种类型的作业内容，距采空场或工作面5倍煤层厚度距离的范围之内绝不允许有煤层势能体在非泄压“状”态存在，才能确保作业人员的生命安全和煤炭企业财产的安全。
[0008]怎样才能消除煤层物理爆炸的危险因素，是亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0009]为了彻底杜绝煤层势能体物理爆炸动力灾害给矿工造成的伤害，消除煤层物理爆炸的危险因素，本发明提供一种煤层势能体物理爆炸的防治方法，该方法在煤层钻孔过程中利用钻顶一体化综合成孔技术，对钻孔与顶管综合成孔过程中遇到和探到的煤层势能体内部的压力势能进行安全泄压与安全排放，从而消除其物理爆炸的势能根源，使其失去物理爆炸危险。
[0010]实现上述目的采用以下技术方案:
一种煤层势能体物理爆炸的防治方法，该方法利用“钻顶一体防突钻机装置”、“煤与瓦斯分离装置”作业，作业方法包括下述步骤:
步骤一，根据不同作业类型和煤层厚度情况确定钻顶孔的位置，深度，孔数与钻孔角度，以及两孔间距与两孔的终孔距离；
步骤二，在步骤一的基础上，通过液压动力系统为钻顶一体防突钻机装置进行水平支撑、垂直支撑、为后部斜向支撑装置的千斤顶提供液压动力，以便使钻顶一体防突钻机装置与巷道成为一个整体；
步骤三，由钻顶一体防突钻机装置的导向装置定位，通过液压动力系统为钻孔装置和顶管推进装置提供动力，在钻孔装置的带动与推进装置的作用下，对煤层进行基准式的钻进，并同时为套管装置和顶进作业打下基础；
步骤四，在步骤三的基础上，当钻孔深度与顶管推进的距离达到设定尺寸后，由“煤与瓦斯分离装置”替换导向装置，在做好安全泄压的准备后，进行正式钻顶孔的作业；
步骤五，在钻孔深度不断推进与套管的不断被顶进的过程中，要根据钻机最大推进行程随时加接钻杆和套管，直到把孔钻顶到工程设计的深度为止。
[0011 ]作为优选，实施步骤一之前的环境条件是:保证钻孔作业地点环境通风良好，各种有害气体的浓度符合《煤矿安全规程》的相关规定，并具备供水与压风自救与逃生安全保障设施。
[0012]作为优选，实施步骤一之前的环境条件还包括:钻孔煤肩与煤粉和降尘用水保证不间断的供应;瓦斯监测装置工作正常，并与矿井监测监控系统联网，瓦斯流的出口至钻孔作业之间没有漏电隐患的存在，以确保瓦斯的安全排放。
[0013]作为优选，实施步骤一之前的环境条件还包括:钻孔的孔位设计以煤层厚度的中心为基准，间距和终孔距离小于煤层的厚度，石门揭煤钻孔的安全防护范围，石门断面轮廓的上下、左右与迎头的边缘为基准，其防护距离大于等于(不小于)煤层厚度的5倍;煤(岩)巷掘进钻孔的安全防护距离以巷道两帮及迎头三面的边缘为基准，大于等于(不小于)煤层厚度的5倍。
[0014]作为优选，所述的步骤五中，在进行瓦斯抽采(放)孔与安全验证孔的过程中，钻杆、套管、液压系统、钻孔的等径与等速钻肩的排出量、钻杆与套管之间出现非正常现象时，要立即停止钻孔与顶管作业的推进，并就地转入到带压煤粉与瓦斯或二氧化碳的排放程序，利用螺旋钻杆的制动与排料功能，直到此钻孔内不再有煤粉与瓦斯等气体排出为止，和瓦斯或二氧化碳的浓度达到《煤矿安全规程》规定的标准为止。
[0015]本发明实施例至少存在以下技术效果:
I)本发明通过对钻孔处煤层的水平支撑，加大了势能体物理爆炸最小抵抗线的距离，能有效避免钻孔作业期间煤层势能体物理爆炸事故的发生。
[0016]2)本发明通过螺旋钻杆在套管内旋转，因与煤壁之间有套管隔着，所以传统钻孔过程中的钻肩排出不畅的卡钻;钻孔来压时的抱钻、进给小于势能体的推力时的顶钻，及势能体内的高压瓦斯或高压二氧化碳携带煤粉的喷孔现象将被有效解决和克服。
[0017]3)本发明通过钻顶一体化综合成孔技术，能有效解决目前复杂煤层钻孔困难的问题，即孔钻不进去、钻杆拔不出来、塌孔抽放管放置困难等钻孔的难题。
[0018]4)本发明通过钻顶一体化综合成孔技术，不但能有效解决目前钻孔困难的难题，而且能在进行钻孔与顶管联合作业的同时，找到煤层中的势能体，并能及时的、彻底的、安全的把其内部的压缩势能泄掉，使其失去物理爆炸危险因素。
[0019]5)本发明通过对煤层势能体的物理爆炸性能给予定义和量化，从此煤与瓦斯突出动力灾害的神秘感将彻底消失，其只不过是自然界中物理爆炸范畴类的一种简单的自然现象，并具有自己的特征性和规律性，只要人们在进行煤炭采掘活动中，对煤层厚度的变化，以及钻孔过程中出现的不正常现象多加留意，煤层势能体物理爆炸危险就不会发生，也就是多加注意并熟练掌握相关技术和知识，以前人们常说的“煤与瓦斯突出”事故将永远都不会发生。
[0020]本发明在为钻顶一体防突钻机装置进行的水平支撑与斜向支撑的作用，是把钻孔处巷道两帮连接在了一起，等于无限延长了钻位煤体的最小抵抗线，所以才能彻底避免钻孔作业期间的煤与瓦斯突出事故的发生，即煤层势能体物理爆炸事故的发生，确保煤炭安全生产和作业人员的生命安全。
[0021]【附图说明】:
图1为本发明方法实施例的步骤流程图；
图2是实现本发明方法所采用的“钻顶一体化防突钻顶一体防突钻机装置”的结构图； 图3是实现本发明方法所采用的“煤与瓦斯分离装置”的结构图。
[0022]【具体实施方式】:
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对具体实施进行详细描述。
[0023]为了能更清楚说明本方法的针对目标，有必要把煤层势能体物理爆炸概念的来龙去脉进行分析，即是怎样为其定义与定量的，在这里我们运用了 “返本归原法原理”与相对论的“时空置换法原理”，那就是自然界中即然没有无中生有，也没有有果而没因的规律，这就给我们找出煤与瓦斯突出的真相，即其存在的主要规律和其发生的主要矛盾指明了方向，再加上以往突出事故发生后的可量化的数据信息和不可量化的感性信息，这些都是我们对煤与瓦斯突出动力灾害，从感性认识到理性认识的科学依据和基础，也是我们对煤与瓦斯突出动力灾害这个客观事物进行抽象化的途径。
[0024]下面参照，2016年3月6日，吉林省通化矿业集团有限松树煤矿发生一起煤与瓦斯突出事故，涌出瓦斯7610立方米，突出煤矸293t，煤层中留下孔洞。
[0025]势能体:利用“返本归原法原理”确定势能体的势能体:利用“返本归原法原理”确定势能体的规模，那第一步先将煤矸293t，依据约定俗成的常规经验把293t折合成293m3(虚方)，然后还是依据常规经验，再把293 m3(虚方)+ 2，然后等于146.5 m3(实方)，然后利用相对论中的“时空置换法原理”，和运用我们的想象思维能力，把这个146.5 m3的处于巷道采空场中的时空体(煤矸固体物)，再塞回到其原来赋存的地方，即孔洞内；再然后同样把涌入巷道或大气中的7610立方米瓦斯也塞回到这个孔洞内，再然后当煤矸和瓦斯都被我们塞回到它们原来呆的地方后，把其推破的煤壁扶起，同样是让其恢复到没有发生煤与瓦斯突出事故之前的模样。答案是:孔洞规模=146.5 m3(实方)；
孔洞内瓦斯压缩比:7610 m3 + 146.5 m3=51.95(倍)，根据气动力学原理，即气体的体积每缩小一倍，压力便升高0.1MPa的常识确定，孔洞内的瓦斯压力为51.95kg/cm，然后除10(粗算)后折合等于5.195MPa.通过上述简单的计算与分析后得出的结果是:煤层中先天存在一个体积为146.5立方米，瓦斯压为5.195MPa的时空体，为了科学研究和把科学发现转化成生产力，和应用于煤炭安全生产领域的方便性与认识的统一性和科学性，我们把这个处于气动压缩态的时空体(孔洞)称为“煤层势能体”；而“煤层势能体物理爆炸”则是人们在进行煤炭采掘过程中，接近或破坏了势能体的边界，即其物理爆炸最小抵抗线在被破坏之前，人们又没有把其内部的瓦斯或二氧化碳气体势能有效泄压时，就会发生势能体爆炸的现象，又因其在爆炸期间，所有物质没有发生任何变化，只是势能从高压状态转化成为了常压状态，所以我们为其定义、定量为“煤层势能体”与“煤层势能体物理爆炸”，而本发明方法的根本目的就是为煤炭安全生产提供一种怎样发现煤层势能体，又怎样才能消除其物理爆炸危险因素的简单、易懂的技术，尤其是生产一线的作业人员很快就能熟练掌握并能熟练应用的技术与方法。
[0026]图1为本发明方法实施例的步骤流程图，本实施例提供的一种煤层势能体物理爆炸的防治方法，该方法是利用“钻顶一体防突钻机装置”、“煤与瓦斯分离装置”作业，操作步骤如下:
步骤101，根据不同作业类型和煤层厚度情况确定钻顶孔的位置，深度，孔数与钻孔角度，和两孔间距与两孔的终孔距离;实施步骤一之前的作业环境包括:应保证钻孔作业地点环境的通风良好，各种有害气体的浓度应符合《煤矿安全规程》的相关规定，并应具备供水与压风自救与逃生安全保障设施。钻孔煤肩与煤粉的降尘用水应保证不间断的供应，瓦斯监测装置应工作正常，并应与矿井监测监控系统联网，瓦斯流的出口至钻孔作业之间不能有漏电隐患的存在，以便确保瓦斯的安全排放。
[0027]步骤102，在步骤一的基础上，通过液压动力系统为钻顶一体化防突钻机装置进行水平支撑、垂直支撑，为后部斜向支撑装置的千斤顶提供液压动力，以便使钻顶一体防突钻机装置与巷道成为刚性或一个整体；
步骤103首先用钻顶一体化防突钻机装置进行钻孔推进作业，当钻进一定深度后，由煤与瓦斯分离装置替换导向装置，并把套管安装于煤与瓦斯分离装置前端的螺纹上。由导向装置定位，通过液压动力系统为钻孔位置和顶管推进装置提供动力，在钻顶一体化防突钻机装置的带动与推进装置的作用下，对煤层进行基准式的钻进，并同时为套管装置的顶进作业打下基础。
[0028]步骤104;在步骤三的基础上，在钻孔与套管的联合作业中，出现推进力减轻，煤粉无名性增多，瓦斯监测仪显示浓度迅速增高、瓦斯流量增大时，停止钻孔与顶管的推进过程，即刻转入到钻杆的无进给旋转运动，对非切削性煤粉与瓦斯或二氧化碳气体进行泄压排放。当钻孔深度与顶管推进的距离达到一定尺寸后，用煤与瓦斯分离装置替换下导向装置，做好随时安全泄压的准备后，便可以进行正式钻顶成孔的作业了。
[0029]步骤105，当某个钻孔不再有无名煤粉排出，和瓦斯浓度达到《煤矿安全规程》，的规定后，再对相临孔位进行上述钻顶孔作业，直到所有安全验证孔全部钻顶孔完毕并不再有异常现象时，此工作面煤层势能体的危险防治工作完成。
[0030]在钻孔深度不断推进与套管的不断被顶进的过程中，要根据钻机最大推进行程随时加接钻杆和套管，直到把孔钻顶到工程设计的深度位置；
实施步骤五中还包括:如果在进行瓦斯抽采(放)孔与安全验证孔的钻顶成孔过程中出现:钻杆的推进明显省力，或推进速度非常快时;及套管的顶进负荷明显减小时，即液压动力系统的推进负荷明显减轻时;或钻孔的等径与等速钻肩和煤粉排出量明显大于正常进给切削的钻肩和煤粉排量时;或钻顶一体化综合成孔作业期间钻杆与套管之间出现瓦斯或二氧化碳气体的喷出现象时;说明此处遇到或找到了煤层势能体，要立即停止钻孔与顶管作业的推进，并就地转入到带压煤粉与瓦斯或二氧化碳的排放程序，利用螺旋钻杆的制动与排料功能，直到此钻孔内不再有煤粉与瓦斯等气体排净为止，和瓦斯或二氧化碳的浓度达到或低于《煤矿安全规程》规定的标准时为止。
[0031]实施步骤五之前还应包括:钻孔的孔位设计应以煤层厚度的中心为基准，间距和终孔距离应小于煤层的厚度，石门揭煤钻孔的安全防护范围，应以石门断面轮廓上下、左右与迎头的边缘为基准，其防护距离不小于煤层厚度的5倍;煤岩巷掘进钻孔的安全防护距离，以巷道两帮及迎头三面的边缘为基准，不应小于煤层厚度的5倍。
[0032]步骤106:进行泄压排放时，煤粉应供水降尘，瓦斯排入专用管道或安全回风巷道。
[0033]图2是实现本发明所采用的“钻顶一体防突钻机装置”的结构示意图，该装置已申请中国实用新型专利，申请号为:2016201656120，主要适用于复杂煤层钻孔和成孔。
[0034]图中:结构架I，钻机主梁2，行走马达3，驱动装置支架4，行走轮5，底盘6，回转机构7，导向推进座8，主导轨9，钻顶套管推进轨10，导向管11，推杆滑套机构12，滑座13，钻杆推进千斤顶14，钻顶套管推进千斤顶15。
[0035]这种钻顶一体化防突钻顶一体防突钻机装置，由主梁、驱动机构、行走机构、回转机构、导向推进机构、推杆滑套机构和钻顶套管机构等组成。
[0036]回转机构安装在钻机主梁的上平面上，底盘安装在回转机构上，底盘上架装有结构架;底盘和结构架构成一整体，与回转机构动配合；
导向装置的导向推进机构中的主轨道安装在结构架上，主轨道上装有与其滑动配合的钻顶套管推进轨道，导向管固定架装在主轨道上，导向推进座安装在钻顶套管推进轨道上；滑座置于导向推进座后方，且与钻顶套管推进轨道之间为滑动配合;滑座后方的结构架上设置有钻杆推进千斤顶和钻顶套管推进千斤顶;钻顶套管推进千斤顶安装在主轨道和钻顶套管推进轨道上，钻杆推进千斤顶安装在钻顶套管推进轨道和滑座上；多组推杆滑套机构沿主轨道长度方向分布在主轨道的两侧;多组推杆滑套机构分别安装在结构架与钻顶套管推进轨道之间;钻顶套管机构包括变径钻头、钻顶套管和钻杆，变径钻头与钻杆连接成一体结构，钻顶套管套装在钻杆外部;整个钻顶套管机构安装在导向推进座内部。
[0037]各千斤顶分别于液压控制站连接，液压控制站为本装置提供液压动力。
[0038]推杆滑套装置的滑套内套装有套管推进机构，推杆千斤顶的两端分别与推杆滑套和套管推进机构连接，为钻顶一体防突钻机装置提供垂直、水平、斜向的支撑力。
[0039]图3是本发明在进行钻孔、顶管综合成孔与对采掘煤层进行安全验证钻孔过程中，如发现煤体前方有煤层势能体存在的情况时，能把势能体内排出的煤粉与瓦斯或二氧化碳进行安全性排放的“煤与瓦斯分离装置”的结构示意图，如图3所示，“煤与瓦斯分离装置”包括:煤粉排料管装置16，煤与瓦斯分离装置主体17、降尘供水装置18、瓦斯浓度监测仪19、瓦斯流量仪20、瓦斯排放管装置21。煤粉排料管装置16与煤与瓦斯分离装置主体17连通，瓦斯排放管装置21与煤与瓦斯分离装置主体17连通，降尘供水装置18、瓦斯浓度监测仪19、瓦斯流量仪20分别安装在瓦斯排放管装置17上。
[0040]煤层势能体物理爆炸防治的过程是:利用“钻顶一体防突钻机装置”，和“煤与瓦斯分离装置”在进行钻孔与顶管的过程中，发现煤层势能体并及时同步的对其实施排粉与泄压作业，以便消除其的物理爆炸危险因素，其过程为:首先在钻顶一体防突钻机装置已经稳固后的基础上，通过导向装置给钻孔定位，钻进深度与钻顶一体防突钻机装置间的距离够容纳“煤与瓦斯分离装置”的更换安装和最少一节套管装置的长度时，用“煤与瓦斯分离装置”替换下原来的导向装置，然后继续进行钻孔和顶管一体化综合成孔作业，在钻顶作业过程中，如出现:钻杆的推进明显省力，或推进速度非常快时;及套管的顶进负荷明显减小，即液压动力系统的负荷明显减轻时;或钻孔的等径与等速钻肩的排出量明显的大于进给切削的钻肩与煤粉排量时;或钻顶一体化综合成孔作业期间，钻杆与套管之间出现瓦斯或二氧化碳等气体的喷出现象时，要立即停止钻孔与顶管的推进作业，就地转入带压煤粉与瓦斯或二氧化碳气体的排放程序，直到此钻孔内不再有煤粉与瓦斯或二氧化碳排出为止，或瓦斯与二氧化碳的浓度达到低于《煤矿安全规程》规定的浓度时为止，然后再按上述钻顶孔作业程序和技术要求，对相临孔位进行安全验证，直到与第一个发生上述势能体存在的征兆，并以被泄压消除危险的孔位为基准，根据煤层厚度等情况，向四周进行放射式扩大危险验证钻孔范围，直到每个验证钻孔全部达到排放结束孔的同等深度或略深一定深度后，仍没有出现上述异常现象时即可以确定此工作面安全范围内煤层势能体的规模与体积的大小；以及是否已彻底消除了势能体的物理爆炸危险，如果在钻顶孔安全防护范围轮廓之内，煤层势能体内的气动势能确认已被彻底泄压，那么煤层势能体物理爆炸的危险也就彻底排除了，从而钻顶一体化综合钻孔技术与方法，除了能在钻孔与顶管作业的同时把势能体内的压力消除外，更能彻底杜绝作业期间的煤层势能体物理爆炸事故的发生，即彻底避免目前人们在进行防突钻孔、爆破采煤、石门揭煤、与煤(岩)巷掘进作业期间，煤与瓦斯突出事故的发生，实现作业期间防治煤层势能体物理爆炸，即煤与瓦斯突出的可靠性达到100%，并大大简化传统防突程序和防突成本，并在实现高安全、高效率的同时，努力实现低成本和提高煤炭企业的经济效益。
[0041 ]在一个优选实施例中，煤层势能体物理爆炸的防治方法的具体步骤为:
1、先根据煤炭采掘的作业类型，煤层厚度及煤层变化情况，确定所要进行钻孔与顶管作业的钻孔位置、孔数、及各钻孔的设计深度、角度等技术指标和要求。
[0042]2、根据钻孔作业巷道断面的大小确定钻机规格和型号，钻顶一体防突钻机装置根据巷道断面的不同有:ZDY3200S(A)-6、ZDY4500S(A)-9、ZDY6000S(A)-12、ZDY8500S(A)-15、ZDY1200S(A)-18等不同的规格和型号。
[0043]3、在孔位与所选钻机型号确定后，即可进行钻顶孔与势能体泄压的综合成孔作业了，首先用液压动力系统为水平支撑、垂直支撑和斜向支撑装置提供动力，并使其的支撑力达到最大，让钻顶一体防突钻机装置与巷道环境成为刚性体，以保障钻顶孔作业期间钻机的稳定性和作业人员的绝对安全。
[0044]4、当钻顶一体防突钻机装置完成稳机后，便可将角度可调的钻孔与顶管轨道装置连同导向装置一起对准所钻孔位，然后先由自压式变径钻头在钻杆的带动下，向煤层钻进
2-3个钻杆长度或2-3个钻孔的最大推进行程后，拆下导向装置，换上“煤与瓦斯分离装置”和接上一节或两节套管，然后再进行钻孔的推进与套管的推进联合作业，就这样在钻进一根钻杆距离和顶进一节套管的距离后，钻杆和套管同时加接，钻顶期间，钻杆和钻头要始终超出套管一定距离。
[0045]5、如果在上述不断的向着煤层深处钻顶的过程中，出现钻杆的推进明显省力，或推进速度非常快;及套管的顶进负荷明显减少时，即液压动力系统的推进负荷明显减轻时；或钻孔的等径与等速的钻肩的排出量明显大于正常进给切削的钻肩的排出量;或钻顶一体化综合成孔期间，钻杆与套管之间出现瓦斯或二氧化碳等气体的喷出现象时，说明此处遇到了势能体，要立即停止钻孔与顶管作业的推进，并就地转入到带压煤粉与瓦斯或二氧化碳的排放程序，利用螺旋钻杆的制动与排料功能，直到此钻孔内不再有煤粉与瓦斯等排出为止，和瓦斯或二氧化碳浓度达到或低于从《煤矿安全规程》规定的标准为止。
[0046]6、如果某个钻孔出现了上述异常现象或势能体内的气动势能已被泄压而消除了其的危险性，那么就要根据此处煤层厚度等情况判定其势能体可能的规模并以被泄压钻孔为基准在其周围适当距离重复进行上述钻顶综合成孔作业，以便把已经找到的煤层势能体的规模探清楚和把其内部的瓦斯或二氧化然气体的压缩势能全部彻底泄掉，从而杜绝煤层势能体的物理爆炸事故，确保作业人员的生命与财产的安全。
[0047]由上可知，本发明实施例具有以下优势:
1、本发明通过钻顶一体防突钻机装置的水平支撑技术，等于把钻孔作业处的巷道两帮空间连在了一起，以前人们在进行防突钻孔作业时瓦斯突出伤人事件将成为历史，即钻顶孔作业期间将彻底杜绝煤层势能体推破煤壁，而发生物理爆炸伤人事故的发生。
[0048]2、本发明通过钻顶一体化综合成孔技术，将使以往钻孔时期的卡钻、顶钻、抱钻、及钻机超负荷与喷孔失控的现象将被彻底改变，这是因为螺旋钻杆外有套管护着，不与煤壁直接相触了，煤层的挤压力等全部由套管来承担了。
[0049]3、本发明通过在钻孔与顶管期间能一次性将遇到和找到的煤层势能体内的气体和带压煤粉同步封闭式排入专用瓦斯抽采(放)管道或安全性排入矿井回风系统，从而避免了工作面瓦斯浓度超标的危险发生，确保作业人员在绝对安全的环境工作，
4、本发明采用钻顶一体化综合成孔技术，进行煤层与工作面的安全验证，与煤层势能体是否存在的直接钻顶孔式的探测，除了能在钻顶孔过程中发现势能体，并且能利用螺旋钻杆的排料与制动功能，对势能气体物体和固体物一次安全排清外，并更具有对那些用传统钻孔技术不能钻进或钻杆拔不出来的钻孔困难，或有势能体赋存的复杂煤层进行强制钻顶一体化成孔，和把其内部的势能体的能量及时排除的功能，所以在本发明的钻顶一体化成孔技术面前，煤层势能体物理爆炸的机会将彻底消失，所以100%的杜绝钻孔作业，或其它采掘活动时的煤层势能体物理爆炸事故的目标是可以实现的。
[0050]以上所述，仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种煤层势能体物理爆炸的防治方法，该方法利用“钻顶一体防突钻机装置”、“煤与瓦斯分离装置”作业，其特征在于，所述方法包括下述步骤: 步骤一，根据不同作业类型和煤层厚度情况确定钻顶孔的位置，深度，孔数与钻孔角度，以及两孔间距与两孔的终孔距离； 步骤二，在步骤一的基础上，通过液压动力系统为钻顶一体防突钻机装置进行水平支撑、垂直支撑、为后部斜向支撑装置的千斤顶提供液压动力，以便使钻顶一体防突钻机装置与巷道成为一个整体； 步骤三，钻顶一体防突钻机装置的导向装置定位，通过液压动力系统为钻孔装置和顶管推进装置提供动力，在钻孔装置的带动与推进装置的作用下，对煤层进行基准式的钻进，并同时为套管装置和顶进作业打下基础； 步骤四，在步骤三的基础上，当钻孔深度与顶管推进的距离达到设定尺寸后，由“煤与瓦斯分离装置”替换导向装置，在做好安全泄压的准备后，进行正式钻顶孔的作业； 步骤五，在钻孔深度不断推进与套管的不断被顶进的过程中，要根据钻机最大推进行程随时加接钻杆和套管，直到把孔钻顶到工程设计的深度为止。2.根据权利要求1所述的煤层势能体物理爆炸的防治方法，其特征在于，实施步骤一之前的环境条件是:保证钻孔作业地点环境通风良好，各种有害气体的浓度符合《煤矿安全规程》的相关规定，并具备供水与压风自救与逃生安全保障设施。3.根据权利要求1或2所述的煤层势能体物理爆炸的防治方法，其特征在于，实施步骤一之前的环境条件还包括:钻孔煤肩与煤粉和降尘用水保证不间断的供应;瓦斯监测装置工作正常，并与矿井监测监控系统联网，瓦斯流的出口至钻孔作业之间没有漏电隐患的存在，以确保瓦斯的安全排放。4.根据权利要求1或2所述的煤层势能体物理爆炸的防治方法，其特征在于，实施步骤一之前的环境条件还包括:钻孔的孔位设计以煤层厚度的中心为基准，间距和终孔距离小于煤层的厚度，石门揭煤钻孔的安全防护范围，石门断面轮廓的上下、左右与迎头的边缘为基准，其防护距离大于等于(不小于)煤层厚度的5倍;煤(岩)巷掘进钻孔的安全防护距离以巷道两帮及迎头三面的边缘为基准，大于等于(不小于)煤层厚度的5倍。5.根据权利要求所述的煤层势能体物理爆炸的防治方法，其特征在于，所述的步骤五中，在进行瓦斯抽采(放)孔与安全验证孔的过程中，钻杆、套管、液压系统、钻孔的等径与等速钻肩的排出量、钻杆与套管之间出现非正常现象时，要立即停止钻孔与顶管作业的推进，并就地转入到带压煤粉与瓦斯或二氧化碳的排放程序，利用螺旋钻杆的制动与排料功能，直到此钻孔内不再有煤粉与瓦斯等气体排出为止，和瓦斯或二氧化碳的浓度达到《煤矿安全规程》规定的标准为止。6.根据权利要求1所述的煤层势能体物理爆炸的防治方法，其特征在于，所述煤与瓦斯分离装置包括:煤粉排料管装置、煤与瓦斯分离装置主体、瓦斯排放管装置;煤粉排料管装置与煤与瓦斯分离装置主体连通，瓦斯排放管装置与煤与瓦斯分离装置主体连通，降尘供水装置、瓦斯浓度监测仪、瓦斯流量仪分别安装在瓦斯排放管装置上。
【文档编号】E21F5/00GK105909299SQ201610241862
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】陈凤平, 贺佑国, 刘志文, 徐伟伟, 韩国伟, 曹海华
【申请人】陈凤平, 国家安全生产监督管理总局信息研究院