适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法

1.本发明涉及煤岩层安全、高效开采技术领域，具体涉及一种适用于深部高地压煤岩层综合防冲的方法，能有效降低煤岩层冲击地压危险。


背景技术：

2.我国冲击地压煤矿占全国煤矿总数的3.78％，其产能占全国煤炭总产能的8.99％，冲击地压的风险严重威胁煤矿的安全生产。冲击地压是由于应力集中程度过高，煤体或岩体内积聚的弹性应变能在一定条件下突然释放，使煤或岩体发生急剧脆性破坏并向采掘空间抛出的一种动力现象。
3.近年来，随着矿井开采深度的不断增大，矿井开采环境和地质条件愈加恶劣，深部矿井应力高度集中导致冲击地压问题日益严峻。在煤炭开采过程中，煤体中积聚的能量不能及时缓慢地释放，造成矿震频发。当煤或岩体中积聚的弹性势能突然释放时，会造成煤或岩体瞬间破坏，诱发冲击地压，不仅影响煤炭开采效率，还会造成人员伤亡及设备损坏，带来巨大的经济损失和恶劣的社会影响。因此，当下对冲击地压矿井进行防治非常必要且刻不容缓。
4.煤体冲击倾向性是冲击地压发生的一种内在原因，实质是煤体具有积聚变形能，应力集中程度高，可产生冲击破坏。根据《煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》，通过现场取样进行实验室试验，当测得煤样的单轴抗压强度大于7mpa、弹性能量指数和冲击能量指数分别大于2和1.5，动态破坏时间大于50ms时，可综合判定该煤层具有煤体冲击倾向性。但现目前，对于深部高地压的煤岩层综合防冲方法主要通过钻屑法结合应力在线监测系统，手段单一，防冲效果不理想。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，改变煤层应力状态，降低应力集中程度，以此达到高效快速防冲的目的。
6.为此，本发明所采用的技术方案为：一种适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，包括以下步骤：
7.步骤一、选择目标煤层或岩层，利用钻屑法结合应力在线监测系统，对目标煤层或岩层应力集中程度进行检测，并记录此时的钻屑量及应力值；
8.步骤二、利用钻机在目标煤层或岩层施工一个钻孔，再利用割缝器在钻孔内切割出若干条缝槽；
9.步骤三、钻孔施工完成后，退出空心钻杆，拧下空心钻杆前端的钻头和割缝器，将连接电缆的放电电极安置在空心钻杆前端，并将放电电极通过空心钻杆送入钻孔内；空心钻杆中部装有压力传感器，利用压力传感器实时监测和记录钻孔内压力变化；
10.步骤四、利用封孔器进行封孔，之后操作控制阀通过空心钻杆向钻孔内不断注入高压水，进行水力压裂；
11.步骤五、水力压裂完成后，利用计算机远程设置充电电压，并发送充电命令，高压充电电源开始对电容器进行充电，当电压值达到预定电压时，停止充电；
12.步骤六、充电完成后，利用计算机通过光纤发送放电命令，利用高压放电开关联通电容器和放电电极，远程启动电脉冲发生系统，完成1次放电；放电电极在水中放电，电能转化成机械能，形成以球形向外传播的冲击波，作用于煤体或岩体，使其产生新的裂隙，同时进一步扩展和延伸水力割缝和水力压裂产生的定向大范围裂缝；
13.步骤七、多次重复电脉冲放电操作后，断开高压放电开关，停止放电；放电完成后，退出空心钻杆及放电电极；
14.步骤八、利用钻屑法结合应力在线监测系统，对经过电脉冲放电后的目标煤层或岩层的应力集中程度进行检测，对比电脉冲放电前钻屑量及应力值，检验该技术的煤层或岩层卸压效果。
15.作为上述方案的优选，步骤二中，在钻孔内安装可实时监测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的可视化监测器；步骤六中，通过可视化监测器实时监控检测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的微震信息。
16.进一步优选为，步骤七中，所述电脉冲放电次数为3—5次。
17.进一步优选为，空心钻杆采用双钻杆并能实现多节对接，每节钻杆包括内钻杆、外钻杆、螺母和螺圈，所述内钻杆与外钻杆嵌套在一起形成内通道和外通道，内钻杆采用螺旋式钻杆，且螺旋结构结合外通道用于排屑渣，内通道用于注水；内钻杆上端内外和下端外部均带有螺纹，用于实现钻杆对接；外钻杆上端内部和下端内外均带有螺纹，用于实现内钻杆与外钻杆的嵌套，并能在钻孔过程中保护孔壁不被破坏；外钻杆的外表面设有一列凹槽，用于放置并固定电缆，并利用螺圈与外钻杆下端外螺纹的紧固进行电缆约束；每节钻杆上的螺母至少为两个，螺母内外均有螺纹，用于内钻杆与外钻杆的嵌套连接，并通过中间的螺旋叶片连接固定，螺旋叶片的叶片之间镂空用于排屑渣。空心钻杆不受距离的限制，可根据现场所需长度进行多个钻杆对接，实现远距离钻孔，且灵活多变；钻杆结构简单，稳定性强，便于组装；既有助于排渣，又可保护孔壁不受破坏；内外钻杆采用可拆卸式，同为空心结构，均可用来注水，并可根据现场所需用水量选择是否拆卸内钻杆，若所需用水量较大，拆下内钻杆，可增大外钻杆的单位注水量；钻杆外侧设有一列凹槽，可用来放置并固定电缆，便于向孔内输送放电电极，另外钻杆内部为中空结构，可根据需要在其内部安装压力传感器。整个防冲过程中利用同一根空心钻杆即可完成钻孔、水力割缝、高压水力压裂和高压电脉冲，极大地节约了成本，简单高效。
18.进一步优选为，外钻杆上下两端的外径大于中间位置处的外径。
19.进一步优选为，钻头和割缝器可拆卸地同轴安装在空心钻杆的前端，且钻头位于割缝器的下方。
20.进一步优选为，每节钻杆上的螺母为两个，分别位于钻杆的两端位置处。
21.进一步优选为，高压充电电源、电容器、高压放电开关、控制器集成在全地形移动平台上。
22.进一步优选为，在所述全地形移动平台上还配备有充电保护装置。
23.本发明的有益效果：本发明首先通过水力割缝对煤岩体预制定向裂缝，然后利用高压水力压裂技术对水力割缝产生的定向裂缝进行压裂，从而在水力割缝产生的定向裂缝
上产生新的裂隙，再利用高压电脉冲系统，通过液电效应对水力割缝产生的定向裂缝和水力压裂产生的新裂隙进行扩展和贯通，进一步定向扩大裂缝范围，定向大范围形成更多更复杂的裂隙网络，可有效改变煤层的应力状态，降低煤层的应力集中程度，达到煤层卸压的目的。
24.该方法运用钻屑法、水力割缝、高压水力压裂和高压电脉冲的综合手段，对煤岩层进行致裂卸压，改变煤层应力状态，降低应力集中程度，以此达到防冲的目的，主要应用于含有煤岩体冲击倾向性的深部煤岩体掘进巷道和回采工作面中。
附图说明
25.图1本发明的步骤图。
26.图2本发明的设备结构示意图。
27.图3本发明钻头钻孔示意图。
28.图4为高压电脉冲系统框图。
29.图5为系统装置示意图。
30.图6为单节钻杆分解示意图。
31.图7为两节对接后的空心钻杆示意图。
具体实施方式
32.下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
33.如图1—图5所示，一种适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，包括以下步骤：
34.步骤一、选择目标煤层或岩层，利用钻屑法结合应力在线监测系统，对目标煤层或岩层应力集中程度进行检测，并记录此时的钻屑量及应力值。
35.步骤二、利用钻机7在目标煤层或岩层施工一个钻孔1，再利用割缝器20在钻孔1内切割出若干条缝槽2。最好是，钻头19和割缝器20可拆卸地同轴安装在空心钻杆5的前端，且钻头19位于割缝器20的下方。
36.步骤三、钻孔1施工完成后，退出空心钻杆5，拧下空心钻杆5前端的钻头19和割缝器20，将连接电缆16的放电电极17安置在空心钻杆5前端，并将放电电极17通过空心钻杆5送入钻孔1内。空心钻杆5中部装有压力传感器18，利用压力传感器18实时监测和记录钻孔1内压力变化。
37.步骤四、利用封孔器4进行封孔，之后操作控制阀9通过空心钻杆5向钻孔1内不断注入高压水，进行水力压裂。钻机7的后端通过水管8连接高压注水泵10。
38.步骤五、水力压裂完成后，利用计算机15远程设置充电电压，并发送充电命令，高压充电电源14开始对电容器13进行充电，当电压值达到预定电压时，停止充电。
39.步骤六、充电完成后，利用计算机15通过光纤发送放电命令，利用高压放电开关6联通电容器13和放电电极17，远程启动电脉冲发生系统，完成1次放电。放电电极17在水中放电，电能转化成机械能，形成以球形向外传播的冲击波，作用于煤体或岩体，使其产生新的裂隙，同时进一步扩展和延伸水力割缝和水力压裂产生的定向大范围裂缝。
40.步骤七、多次重复电脉冲放电操作后，断开高压放电开关6，停止放电；放电完成后，退出空心钻杆5及放电电极17。电脉冲放电次数最好为3—5次。
41.步骤八、利用钻屑法结合应力在线监测系统，对经过电脉冲放电后的目标煤层或岩层的应力集中程度进行检测，对比电脉冲放电前钻屑量及应力值，检验该技术的煤层或岩层卸压效果。
42.最好是，步骤二中，在钻孔1内安装可实时监测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的可视化监测器3；步骤六中，通过可视化监测器3实时监控检测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的微震信息。
43.结合图6—图7所示，空心钻杆5采用双钻杆并能实现多节对接。每节钻杆主要由内钻杆51、外钻杆52、螺母53和螺圈54组成。
44.内钻杆51与外钻杆52嵌套在一起形成内通道55和外通道56。内钻杆51采用螺旋式钻杆，且螺旋结构结合外通道56用于排屑渣，内通道55用于注水。
45.内钻杆51上端内外和下端外部均带有螺纹，用于实现钻杆对接。外钻杆52上端内部和下端内外均带有螺纹，用于实现内钻杆51与外钻杆52的嵌套，并能在钻孔过程中保护孔壁不被破坏。
46.外钻杆52的外表面设有一列凹槽52a，用于放置并固定电缆，并利用螺圈54与外钻杆52下端外螺纹的紧固进行电缆约束。最好是，外钻杆52上下两端的外径大于中间位置处的外径。
47.每节钻杆上的螺母53至少为两个，螺母53内外均有螺纹，用于内钻杆51与外钻杆52的嵌套连接，并通过中间的螺旋叶片53a连接固定，螺旋叶片53a的叶片之间镂空用于排屑渣。最好是，每节钻杆上的螺母53为两个，分别位于钻杆的两端位置处。
48.最好是，如图4、图5所示，高压充电电源14、电容器13、高压放电开关6、控制器9集成在全地形移动平台11上。在全地形移动平台上还配备有充电保护装置12。
49.水力割缝一种以高压水为刀具，对煤岩体进行切割的技术，可实现定向造缝的目的。
50.水力压裂是一种通过钻孔向应力集中区注入高压水来转移或者释放围岩应力及能量的技术，该技术可以增大煤岩体的孔隙水压力，降低煤岩体的有效应力，有利于煤岩体的裂隙扩展。
51.高压电脉冲是一种使用电极进行高压高能放电，将电能转化为机械能的技术，该技术原基于核爆炸冲击波原理。本发明应用高压电脉冲对煤层或岩层进行强功率放电，通过产生的冲击波对煤层或岩层进行致裂，具有高功率、环境适应力强、绿色环保等优点。高压电脉冲系统采用远程控制终端，通过远程计算机对系统进行参数设置和监控。该系统的充放电操作可利用计算机通过光纤远程发送命令完成，使操作人员远离实施一线现场，进一步提高设备操作人员的安全性。该系统的控制模块在接收远程控制命令的同时可向远程计算机反馈设备工作状态，实现远程实时监测设备工作情况的目的。
52.放电电极17所选用的电极材料最好为耐高压耐腐蚀高强度合金，电极支撑体采用不锈钢和高强度绝缘材料，寿命长、耐腐蚀、耐冲击、易维护、易更换。启动电脉冲发生系统的电压为15kv，电脉冲发生频率为50hz；高压放电开关6采用独立开关通路，具有较高的放电效率，环境适应力强，放电寿命长，可维护性好。高压电脉冲充放电的控制分为本控和远程两种工作模式，可接收远程控制命令，并向远程计算机发送设备状态信号。液压冲击波以球形向外传播，其瞬时冲击波压力可达几十兆帕至上百兆帕，从而将电能转换为机械能。采
用钻机施工钻孔，可以定向控制钻孔方向，且施工周期短，工作效率高。采用可视化监测器3，实时监测脉冲信号和裂缝衍生扩展的微震信息，采用压力传感器18实时监测孔内压力变化，操作简单，安全性高。直接通过空心钻杆向钻孔注水，无需另外在钻孔内铺设注水管路，减少人工操作步骤，简便省时。将放电电极17置于钻机空心钻杆前端，方便送入钻孔，降低人工操作难度，提高工作效率。
53.本发明采用远程控制系统对电容器进行充放电，同时利用计算机远程监测设备运行状态，可使工作人员远离施工一线现场，提高设备操作安全性。本发明通过结合水力割缝、水力压裂和高压电脉冲技术，对煤体进行定向大范围造缝卸压，在水力割缝和水力压裂的基础上，利用高压电脉冲系统在水中放电，形成以球形传播的强冲击波作用于煤体或岩体，使其内部产生大量的裂缝，并扩展和延伸原始裂隙，可有效增加煤体或岩体裂隙数量，改变煤层或岩层应力状态，降低应力集中程度，达到煤层或岩层卸压的目的。另外，因水力割缝和水力压裂产生的定向大范围裂缝，在经过高压电脉冲作用后，再次得到更大范围的定向扩展和贯通，进一步扩大了定向裂缝的有效影响范围，煤层或岩层的应力集中程度明显降低，为冲击地压的防治提供了良好的基础。

技术特征：
1.一种适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、选择目标煤层或岩层，利用钻屑法结合应力在线监测系统，对目标煤层或岩层应力集中程度进行检测，并记录此时的钻屑量及应力值；步骤二、利用钻机(7)在目标煤层或岩层施工一个钻孔(1)，再利用割缝器(20)在钻孔(1)内切割出若干条缝槽(2)；步骤三、钻孔(1)施工完成后，退出空心钻杆(5)，拧下空心钻杆(5)前端的钻头(19)和割缝器(20)，将连接电缆(16)的放电电极(17)安置在空心钻杆(5)前端，并将放电电极(17)通过空心钻杆(5)送入钻孔(1)内；空心钻杆(5)中部装有压力传感器(18)，利用压力传感器(18)实时监测和记录钻孔(1)内压力变化；步骤四、利用封孔器(4)进行封孔，之后操作控制阀(9)通过空心钻杆(5)向钻孔(1)内不断注入高压水，进行水力压裂；步骤五、水力压裂完成后，利用计算机(15)远程设置充电电压，并发送充电命令，高压充电电源(14)开始对电容器(13)进行充电，当电压值达到预定电压时，停止充电；步骤六、充电完成后，利用计算机(15)通过光纤发送放电命令，利用高压放电开关(6)联通电容器(13)和放电电极(17)，远程启动电脉冲发生系统，完成1次放电；放电电极(17)在水中放电，电能转化成机械能，形成以球形向外传播的冲击波，作用于煤体或岩体，使其产生新的裂隙，同时进一步扩展和延伸水力割缝和水力压裂产生的定向大范围裂缝；步骤七、多次重复电脉冲放电操作后，断开高压放电开关(6)，停止放电；放电完成后，退出空心钻杆(5)及放电电极(17)；步骤八、利用钻屑法结合应力在线监测系统，对经过电脉冲放电后的目标煤层或岩层的应力集中程度进行检测，对比电脉冲放电前钻屑量及应力值，检验该技术的煤层或岩层卸压效果。2.按照权利要求1所述的适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，其特征在于：步骤二中，在钻孔(1)内安装可实时监测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的可视化监测器(3)；步骤六中，通过可视化监测器(3)实时监控检测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的微震信息。3.按照权利要求1所述的适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，其特征在于：步骤七中，所述电脉冲放电次数为3—5次。4.按照权利要求1所述的适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，其特征在于：所述空心钻杆(5)采用双钻杆并能实现多节对接，每节钻杆包括内钻杆(51)、外钻杆(52)、螺母(53)和螺圈(54)，所述内钻杆(51)与外钻杆(52)嵌套在一起形成内通道(55)和外通道(56)，内钻杆(51)采用螺旋式钻杆，且螺旋结构结合外通道(56)用于排屑渣，内通道(55)用于注水；内钻杆(51)上端内外和下端外部均带有螺纹，用于实现钻杆对接；外钻杆(52)上端内部和下端内外均带有螺纹，用于实现内钻杆(51)与外钻杆(52)的嵌套，并能在钻孔过程中保护孔壁不被破坏；外钻杆(52)的外表面设有一列凹槽(52a)，用于放置并固定电缆，并利用螺圈(54)与外钻杆(52)下端外螺纹的紧固进行电缆约束；每节钻杆上的螺母(53)至少为两个，螺母(53)内外均有螺纹，用于内钻杆(51)与外钻杆(52)的嵌套连接，并通过中间的螺旋叶片(53a)连接固定，螺旋叶片(53a)的叶片之间镂空用于排屑渣。5.按照权利要求4中所述的适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，其特征在于：所
述外钻杆(52)上下两端的外径大于中间位置处的外径。6.按照权利要求4所述的适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，其特征在于：所述钻头(19)和割缝器(20)可拆卸地同轴安装在空心钻杆(5)的前端，且钻头(19)位于割缝器(20)的下方。7.按照权利要求4所述的适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，其特征在于：每节钻杆上的螺母(53)为两个，分别位于钻杆的两端位置处。8.按照权利要求1所述的适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，其特征在于：所述高压充电电源(14)、电容器(13)、高压放电开关(6)、控制器(9)集成在全地形移动平台(11)上。9.按照权利要求8所述的适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，其特征在于：在所述全地形移动平台上还配备有充电保护装置(12)。

技术总结
本发明公开了一种适用于深部高地压的煤岩层综合防冲方法，步骤一、对目标煤层或岩层应力集中程度进行检测，并记录；步骤二、施工钻孔，在钻孔内切割出若干条缝槽；步骤三、退出空心钻杆，将连接电缆的放电电极安置在空心钻杆前端，并将放电电极通过空心钻杆送入钻孔内；步骤四、利用封孔器进行封孔，进行水力压裂；步骤五—步骤七、完成多次重复电脉冲放电操作；步骤八、检验该技术的煤层或岩层卸压效果。该方法运用钻屑法、水力割缝、高压水力压裂和高压电脉冲的综合手段，对煤岩层进行致裂卸压，改变煤岩层应力状态，降低应力集中程度，以此达到防冲的目的，主要应用于含有煤岩体冲击倾向性的深部煤岩体掘进巷道和回采工作面中。向性的深部煤岩体掘进巷道和回采工作面中。向性的深部煤岩体掘进巷道和回采工作面中。


技术研发人员：蒋长宝 雷运朋 程岳 魏文辉 吴家耀
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/9