综采工作面的切顶方法与流程

1.本发明涉及煤矿开采技术领域，具体而言，涉及一种综采工作面的切顶方法。


背景技术：

2.在煤矿开采中，如遇到综采工作面顶板岩层强度高、厚度大、整体性强等问题，采空区上方坚硬顶板何时垮落便难以确定，坚硬顶板过长的悬顶距离若突然断裂极易发生冲击地压等动力灾害，严重威胁综采工作面安全开采。
3.在现有技术中，水力压裂已成为控制坚硬顶板垮落的有效手段，但对于坚硬岩层顶板的破断往往存在水力裂纹范围不集中，无法控制裂纹走向等问题，且定向切槽工艺复杂，切槽后水力裂纹仍难以沿预定方向发展，导致切顶效果不理想。
4.由上可知，现有技术中存在综采工作面无法安全开采的问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种综采工作面的切顶方法，以解决现有技术中综采工作面无法安全开采的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种综采工作面的切顶方法，包括：获取综采工作面的顶板岩层的结构及地质状态，确定综采工作面的顶板岩层的结构特征；在回采巷道内的顶板上间隔开凿压裂孔和微波辐射孔；打开微波发射器并将微波发射器放入微波辐射孔中，对综采工作面的顶板岩层进行辐射加热；打开高压水泵并向与微波辐射孔相邻的压裂孔内注水，对综采工作面的顶板岩层进行水力压裂；当微波辐射孔内观察到大量出水，停止水力压裂。
7.进一步地，压裂孔和微波辐射孔均为多个，多个压裂孔和多个微波辐射孔沿回采巷道的延伸方向交错设置，且各微波辐射孔位于两个相邻的压裂孔之间。
8.进一步地，切顶方法还包括：沿回采巷道的延伸方向依次对多个微波辐射孔和多个压裂孔分别进行辐射加热和水力压裂。
9.进一步地，综采工作面的顶板岩层的结构特征包括直接顶的厚度、岩性和整体性，老顶的厚度、强度和整体性，以及综采工作面的采高和护巷煤柱煤岩体强度。
10.进一步地，相邻的压裂孔和微波辐射孔之间的间距为5m至30m。
11.进一步地，压裂孔的孔径为40mm至90mm；和/或微波辐射孔的孔径为40mm至90mm；和/或压裂孔的长度为10m至35m；和/或微波辐射孔的长度为10m至35m。
12.进一步地，压裂孔的长度小于微波辐射孔的长度。
13.进一步地，压裂孔和微波辐射孔与回采巷道的两帮之间的距离均相等。
14.进一步地，压裂孔和微波辐射孔均为竖直向上开凿。
15.进一步地，微波发射器的工作功率为0至200kw；和/或微波发射器的工作频率为0至300ghz。
16.进一步地，辐射加热为多段式辐射加热，辐射加热的顺序为由微波辐射孔的孔底
向微波辐射孔的孔口。
17.进一步地，最后一段辐射加热时，微波发射器与微波辐射孔的孔口之间的距离大于等于8m。
18.进一步地，进行辐射加热时，微波辐射孔内的温度大于等于170℃。
19.进一步地，水力压裂为分段式水力压裂，水力压裂的顺序为由压裂孔的孔底向压裂孔孔的孔口。
20.应用本发明的技术方案，综采工作面的切顶方法包括：获取综采工作面的顶板岩层的结构及地质状态，确定综采工作面的顶板岩层的结构特征；在回采巷道内的顶板上间隔开凿压裂孔和微波辐射孔；打开微波发射器并将微波发射器放入微波辐射孔中，对综采工作面的顶板岩层进行辐射加热；打开高压水泵并向与微波辐射孔相邻的压裂孔内注水，对综采工作面的顶板岩层进行水力压裂；当微波辐射孔内观察到大量出水，停止水力压裂，这样利用微波辐射结合水力压裂实现定向弱化增透顶板坚硬岩层，实现综采工作面坚硬顶板定向切顶，减少综采工作面支承应力，降低综采工作面顶板管理难度，有效预防大面积悬顶造成的安全威胁，实现综采工作面高质量发展，解决了现有技术中综采工作面无法安全开采的问题。
附图说明
21.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
22.图1示出了本发明的一个具体实施例中的综采工作面的切顶方法的流程图；
23.图2示出了本发明的一个具体实施例中的压裂孔和微波辐射孔的位置示意图；
24.图3示出了本发明的一个具体实施例中的微波辐射范围的示意图；
25.图4示出了本发明的一个具体实施例中的微波辐射裂隙发育的剖视图；
26.图5示出了本发明的一个具体实施例中的微波辐射裂隙发育的俯视图；
27.图6示出了本发明的一个具体实施例中的水力压裂水力裂纹扩展的剖视图；
28.图7示出了本发明的一个具体实施例中的水力压裂水力裂纹扩展的俯视图。
29.其中，上述附图包括以下附图标记：
30.1、第一压裂孔；2、第一微波辐射孔；3、第二压裂孔；4、第二微波辐射孔；5、第三压裂孔；6、综采工作面；7、回采巷道；8、煤层；9、微波发射器；10、温度传感器；11、封孔器；12、高温区；13、中温区；14、恒温区；15、微波辐射裂隙；16、水力裂纹；17、直接顶；18、老顶。
具体实施方式
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
32.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不
用于限制本发明。
34.显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
35.为了解决现有技术中综采工作面无法安全开采的问题，本发明提供了一种综采工作面的切顶方法。
36.如图1所示，综采工作面的切顶方法包括：获取综采工作面6的顶板岩层的结构及地质状态，确定综采工作面6的顶板岩层的结构特征；在回采巷道7内的顶板上间隔开凿压裂孔和微波辐射孔；打开微波发射器9并将微波发射器9放入微波辐射孔中，对综采工作面6的顶板岩层进行辐射加热；打开高压水泵并向与微波辐射孔相邻的压裂孔内注水，对综采工作面6的顶板岩层进行水力压裂；当微波辐射孔内观察到大量出水，停止水力压裂。
37.通过上述的切顶方法，利用微波辐射结合水力压裂实现定向弱化增透顶板坚硬岩层，实现综采工作面6的坚硬顶板定向切顶，减少综采工作面6的支承应力，降低综采工作面6的顶板管理难度，有效预防大面积悬顶造成的安全威胁，实现综采工作面6的高质量发展。此外，微波辐射孔和压。裂孔布置在综采工作面6的超前区域，不会影响综采工作面6的正常回采。
38.在本实施例中，使用钻孔窥视仪等相关设备获取综采工作面6的顶板岩层的结构及地质状态。如图3至图4、图6所示，顶板岩层包括直接顶17和老顶18，其中，综采工作面6的顶板岩层的结构特征包括直接顶17的厚度、岩性和整体性，老顶18的厚度、强度和整体性，以及综采工作面6的采高和护巷煤柱煤岩体强度，从而确定顶板的合理致裂方案。
39.在本实施例中，压裂孔和微波辐射孔均为多个，多个压裂孔和多个微波辐射孔沿回采巷道7的延伸方向交错设置，且各微波辐射孔位于两个相邻的压裂孔之间。具体的，如图2所示，先开掘回采巷道7，然后对综采工作面6进行开采，随着开采的进行，顶板坚硬岩层在采空区逐渐垮落。在回采过程中，在回采巷道7内使用钻机在顶板开凿一排竖直向上的钻孔，所述钻孔依次分别为第一压裂孔1、第一微波辐射孔2、第二压裂孔3、第二微波辐射孔4和第三压裂孔5。当然，实际的钻孔数量可以不止上述5个孔，可以根据实际需求进行选择。
40.通过上述设置，微波辐射孔布置于相邻两个压裂孔之间，利用微波辐射在围岩产生的裂纹网格，诱导水力裂纹定向扩展，增加钻孔间距，减少钻孔施工量，同时，降低水力压裂裂纹扩展水压，增加其扩展距离，实现低水压、远距离定向水力压裂切顶。
41.在本实施例中，切顶方法还包括：沿回采巷道7的延伸方向依次对多个微波辐射孔和多个压裂孔分别进行辐射加热和水力压裂。具体的，先对第一微波辐射孔2进行辐射加热，然后对第一压裂孔1进行水力压裂，再然后对第二微波辐射孔4进行辐射加热，之后对第二压裂孔3进行水力压裂，依次类推，完成所有的微波辐射孔的辐射加热和压裂孔的水力压裂。需要说明的是，当对最后一个微波辐射孔辐射加热完成后，由于压裂孔的数量比微波辐射孔的数量多一个，因此需要对最后一个微波辐射孔相邻的两个压裂孔同时进行水力压裂。如图1所示，如果第二微波辐射孔4为最后一个微波辐射孔，当对第二微波辐射孔4辐射加热后，需要对第二压裂孔3和第三压裂孔5同时进行水力压裂。
42.在本实施例中，相邻的压裂孔和微波辐射孔之间的间距为5m至30m。
43.在本实施例中，压裂孔和微波辐射孔的孔径为40mm至90mm。压裂孔的长度为10m至
35m。微波辐射孔的长度为10m至35m。
44.在本实施例中，压裂孔的长度小于微波辐射孔的长度。
45.进一步的，本实施例中的压裂孔和微波辐射孔均为竖直向上开凿，也就是说，压裂孔和微波辐射孔与顶板的夹角为90
°
。
46.此外，压裂孔和微波辐射孔与回采巷道7的两帮之间的距离均相等。也就是说，压裂孔和微波辐射孔位于回采巷道7的中间位置。
47.如图3至图5所示，进行辐射加热时，在将微波发射器9及温度传感器10放入第一微波辐射孔2和第二微波辐射孔4中，温度传感器10通过耐高温导线将温度数据传到外部的温度监测器上。打开微波发射器9，对目标顶板岩层进行辐射加热，使坚硬岩层产生微波辐射裂隙15，并通过温度传感器10返回的温度数据调整微波发射器9的辐射功率；微波发射器9的辐射影响范围分别为高温区12、中温区13、恒温区14。进一步的，进行辐射加热时，微波辐射孔内的温度大于等于170℃，以保证辐射效果。
48.在本实施例中，辐射加热为多段式辐射加热，辐射加热的顺序为由微波辐射孔的孔底向微波辐射孔的孔口，即多段式后退辐射加热。
49.进一步的，最后一段辐射加热时，微波发射器9与微波辐射孔的孔口之间的距离大于等于8m，从而确保安全距离。
50.在本实施例中，微波发射器9的工作功率为0至200kw，工作频率为0至300ghz。也就是说，本实施例中的微波发射器9为高功率高频微波发射器，能够对顶板岩层进行高功率高频辐射加热。
51.如图6至图7所示，辐射加热后，对相邻压裂孔进行水力压裂，使水力裂纹16向辐射弱化区域集中扩展，以此在微波辐射孔与压裂孔之间形成空间立体结构的水力压裂裂纹网络。具体的，对第一微波辐射孔2进行辐射加热后，对第一压裂孔1进行水力压裂，依次类推，分别对第二微波辐射孔4、第二压裂孔3和第三压裂孔5进行辐射加热和水力压裂，从而形成水力压裂裂纹网络。
52.在本实施例中，辐射弱化区域由微波作用于岩体上，电磁场以波的形式给岩体以能量，能量在岩体中转化为热量，使岩体温度升高，在岩体中产生水分的蒸发、物质的分解和膨胀等共同作用下而导致岩体破裂产生形成的辐射弱化区域。
53.在本实施例中，水力压裂为分段式水力压裂，水力压裂的顺序为由压裂孔的孔底向压裂孔孔的孔口。如图6所示，采用封孔器11对压裂孔进行分段式水力压裂。具体的，本实施例中的封孔器11为双封型封孔器。
54.在本实施例中，每次水力压裂时，微波辐射孔在微波发射器9退出后可作为观测孔，当观察微波辐射孔大量出水时，意味着水力裂纹扩展至辐射孔处，此时关闭高压水泵，完成该次水力压裂。
55.下面以一个具体实施例对本技术中的综采工作面的切顶方法进行具体阐述。
56.首先使用钻孔窥视仪等设备确定综采工作面6的顶板岩层结构和地质条件，该综采工作面6的煤层8的厚度为4m，直接顶17的厚度为4.8m，老顶18的厚度为22m。在回采巷道7内使用钻机向回采巷道7顶板开凿一排钻孔，分别为第一压裂孔1、第一微波辐射孔2、第二压裂孔3、第二微波辐射孔4和第三压裂孔5，相邻两孔之间间隔8m布置，压裂孔与微波辐射孔的直径均为55mm，钻孔距回采巷道7两帮距离相等，钻孔垂直向上布置，与顶板的夹角为
90
°
，其中，压裂孔的长度为26m，微波辐射孔的长度为26.3m，如图2所示。
57.将微波发射器9分别置于第一微波辐射孔2和第二微波辐射孔4内进行多段后退式微波辐射加热，并通过温度传感器10反馈的数据调节微波发射器9的输出功率，使坚硬岩层产生微波辐射裂隙15，微波辐射影响范围示意如图3所示。
58.由微波发射器9至两个相邻压裂孔分别为高温区12、中温区13、恒温区14；辐射过程中调节微波发射器9的功率，使微波辐射孔内温度不低于170℃；辐射完成后，使用封孔器11对第一压裂孔1、第二压裂孔3、第三压裂孔5分别进行多段后退式水力压裂，即在老顶18自孔底每隔3m进行一次压裂，共7次，并在直接顶17进行一次压裂，水力裂纹16沿恒温区14向中温区13至高温区12不断发展，弱化增透煤层8的上方老顶18和直接顶17的坚硬岩层；当三次压裂均在第一微波辐射孔2或第二微波辐射孔4内观察到大量出水后，关闭高压水泵，完成水力压裂。相邻两个压裂孔产生的水力裂纹16在微波辐射孔处相互贯通，充分弱化增透回采巷道7上方目标坚硬顶板，实现采煤工作面坚硬顶板定向切顶，有效预防大面积悬顶造成的安全威胁，实现综采工作面高质量发展。
59.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过综采工作面的切顶方法包括：获取综采工作面6的顶板岩层的结构及地质状态，确定综采工作面6的顶板岩层的结构特征；在回采巷道7内的顶板上间隔开凿压裂孔和微波辐射孔；打开微波发射器9并将微波发射器9放入微波辐射孔中，对综采工作面6的顶板岩层进行辐射加热；打开高压水泵并向与微波辐射孔相邻的压裂孔内注水，对综采工作面6的顶板岩层进行水力压裂；当微波辐射孔内观察到大量出水，停止水力压裂，这样利用微波辐射结合水力压裂实现定向弱化增透顶板坚硬岩层，实现综采工作面6的坚硬顶板定向切顶，减少综采工作面6的支承应力，降低综采工作面6的顶板管理难度，有效预防大面积悬顶造成的安全威胁，实现综采工作面6的高质量发展。
60.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
61.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
62.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。