一種工作面通過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工作面通過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)的方法，具體涉及一種高壓電脈沖破裂和軟化巖體使工作面通過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)的方法，屬于煤礦開(kāi)采領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]石炭系煤系地層受火成巖侵入作用，形成了大面積火成巖侵入?yún)^(qū)?；鸪蓭r在石炭系煤層系地層中穿插，一方面破壞了原有的地層結(jié)構(gòu)，對(duì)采空工程的安全進(jìn)行產(chǎn)生極大威脅，另一方面是煤層硅化，破壞煤炭資源，更為嚴(yán)重的是大面積侵入煤層中的火成巖巖體由于強(qiáng)度大，工作面推進(jìn)至火成巖侵入?yún)^(qū)時(shí)采煤機(jī)嚴(yán)重受損，工作面不得已進(jìn)行搬家，由此造成的時(shí)間、資源和人工的大量浪費(fèi)。這一普遍現(xiàn)象已成為限制礦井安全高效生產(chǎn)的一大“頑疾”。
[0003]目前，綜采工作面遇到大面積火成巖侵入?yún)^(qū)時(shí)唯一的方法就是跳過(guò)該區(qū)域，工作面搬家將帶來(lái)一系列問(wèn)題:首先工作面的大型機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)移，將耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，其次，工作面搬家前必須開(kāi)掘新的切眼，由此引起的掘進(jìn)與支護(hù)工程量極大。
[0004]與實(shí)際工程中面臨的與火成巖侵入?yún)^(qū)最接近的情況就是煤層內(nèi)出現(xiàn)陷落柱的情況，而傳統(tǒng)過(guò)陷落柱的方法是采用爆破崩裂，但爆破會(huì)帶來(lái)諸多不可控的因素，例如崩出石塊的大小和距離，特別是在受地應(yīng)力作用下的巖體中實(shí)施爆破無(wú)發(fā)保證綜采設(shè)備的安全，此方法存在極大安全隱患；此外還有通過(guò)鉆孔(一種鉆孔弱化巖石使綜采工作面直接過(guò)陷落柱的方法201210247130.6)和化學(xué)溶液腐蝕巖體(一種化學(xué)軟化巖石使綜采工作面通過(guò)陷落柱的方法201210199761.5)達(dá)到軟化陷落柱巖體的方法，但遇到類似火成巖這類異常堅(jiān)硬的巖體時(shí)，一方面鉆孔難度較大，特別是遇到火成巖侵入?yún)^(qū)范圍和厚度較大的情況，用鉆孔的方法破壞巖體結(jié)構(gòu)的方法工程量較大；另一方面化學(xué)腐蝕本身是一種相對(duì)緩慢的方法，若要加快軟化也只能提高化學(xué)溶液濃度，而化學(xué)溶液中主要是酸溶液，這樣工作面機(jī)械設(shè)備通過(guò)時(shí)不可避免的遇到殘留的酸溶液，這對(duì)機(jī)械設(shè)備是一個(gè)極大的威脅。此外隨化學(xué)溶也與巖體反應(yīng)的進(jìn)行，溶液受自重下滲，鉆孔內(nèi)溶液液無(wú)法與鉆孔內(nèi)壁完全接觸，無(wú)法達(dá)到較好的軟化效果。綜上所述，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，影響綜采工作面正常推進(jìn)火成巖侵入?yún)^(qū)的主要原因是火成巖巖體強(qiáng)度極大，侵入的范圍也相對(duì)較大。因此，尋求一種安全、高效、可控的的火成巖巖體破裂軟化方法是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種以特殊溶液為介質(zhì)的高壓電脈沖破裂和軟化巖體使工作面通過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)的方法，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)工作面搬家的方法過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)存在的人力、時(shí)間、資源的極大浪費(fèi)；爆破方法潛在安全隱患較大；單純鉆孔和化學(xué)溶液軟化效率低和潛在的損壞機(jī)械設(shè)備的問(wèn)題，提出一種安全、高效、可控的通過(guò)工作面火成巖侵入?yún)^(qū)的方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種工作面通過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)的方法，該方法以特殊溶液為介質(zhì)，在火成巖侵入?yún)^(qū)合理布置鉆孔，將特殊溶液注入鉆孔并作為高壓電脈沖的傳播介質(zhì)，利用高壓電脈沖在鉆孔內(nèi)壁產(chǎn)生大量裂紋，并且在高壓電脈沖和溶液壓力的作用下使裂紋不斷擴(kuò)展形成裂縫，同時(shí)溶液與火成巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使火成巖巖體破碎、軟化，工作面直接通過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)。
[0007]本發(fā)明提供的一種工作面通過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)的方法，包括以下步驟:
步驟一，通過(guò)物探確定火成巖侵入?yún)^(qū)的厚度、位置和邊界，并鉆孔取芯，在火成巖侵入?yún)^(qū)合理布置鉆孔；
步驟二，對(duì)所取火成巖巖芯經(jīng)行巖石力學(xué)和物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到火成巖的單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度，采用重量法、滴定法和原子吸收法確定火成巖化學(xué)成分及含量，通過(guò)X射線衍射得到其火成巖主要礦物成分；
步驟三，根據(jù)火成巖化學(xué)成分和礦物成分，配制含有能與該巖石發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)溶液，結(jié)合不同時(shí)間，不同濃度化學(xué)溶液為介質(zhì)條件下，不同強(qiáng)度電脈沖試驗(yàn)后火成巖試件的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果對(duì)所配溶液進(jìn)行優(yōu)化；
步驟四，根據(jù)物探結(jié)果，確定火成巖侵入?yún)^(qū)的鉆孔布置及參數(shù)和注液量，將粒徑為I?15_的硬質(zhì)顆粒與所配溶液混合，通過(guò)注液設(shè)備將其注入鉆孔。
[0008]步驟五，將放電電極和傳輸電纜送入鉆孔，并用封堵裝置將鉆孔經(jīng)行封堵；根據(jù)物探得到的火成巖巖層厚度和鉆孔位置選取合理強(qiáng)度的高壓電脈沖和脈沖作用點(diǎn)，使火成巖巖體達(dá)到最好的破裂軟化效果。
[0009]上述方案中，所述步驟一中，從回風(fēng)順槽一側(cè)，按水平方向布置一排鉆孔，孔的間距h為煤層開(kāi)采厚度的三分之一，孔直徑d=75?100mm，孔高度為開(kāi)采煤層厚度的二分之一；鉆孔的角度與煤層傾角相同，孔底部距煌斑巖侵入?yún)^(qū)在進(jìn)風(fēng)順槽一側(cè)邊界的距離為煤層開(kāi)采厚度的三分之一。
[0010]上述方案中，所述鉆孔的孔徑為75mm，孔間距為煤層開(kāi)采厚度的三分之一。
[0011]上述方案中，所述步驟二中采用重量法，滴定法和原子吸收以及X射線衍射試驗(yàn)充分了解火成巖的礦物成分，化學(xué)成分及含量，在此基礎(chǔ)上選配化學(xué)溶液，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)掌握該化學(xué)溶液對(duì)火成巖的軟化機(jī)理，并通過(guò)設(shè)計(jì)不同濃度的化學(xué)溶液為介質(zhì)的電脈沖模擬試驗(yàn)，得到以不同時(shí)間、不同濃度的化學(xué)溶液為介質(zhì)條件下，不同強(qiáng)度電脈沖試驗(yàn)后火成巖試件的單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。
[0012]進(jìn)一步地，所述化學(xué)溶液為質(zhì)量濃度為5%?7%的HCl、HF或二者的混合溶液。
[0013]上述方案中，所述步驟四中的硬質(zhì)顆粒為石英砂，其用量為鉆孔中所加入化學(xué)溶液體積的5?10%。由于是石英砂具有堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，本發(fā)明考慮使用石英砂作為硬質(zhì)顆粒。
[0014]所述步驟五中，高壓電脈沖作用點(diǎn)按由鉆孔底部至頂部每隔500mm分布，作用強(qiáng)度為:沖擊波峰值壓力>100MPa，放電電壓30kV，裝置儲(chǔ)能4.5kJ，電源功率〈2000W，工作頻率5?10次/min，供電電壓為200V/50Hz。
[0015]所述封堵裝置主要由特制的內(nèi)部為喇叭形的塑料螺母和內(nèi)部有穿孔的金屬螺栓構(gòu)成，隨著螺栓不斷旋入，螺母受螺栓所用發(fā)生膨脹，使其對(duì)鉆孔壁的壓力不斷增加，最終將鉆孔密封，實(shí)現(xiàn)封堵效果。
[0016]本發(fā)明技術(shù)方案中，根據(jù)物探結(jié)果顯示的火成巖巖體厚度和試驗(yàn)所得火成巖強(qiáng)度合理布置鉆孔，選取最優(yōu)的高壓電脈沖作用點(diǎn)和作用強(qiáng)度，以達(dá)到最好的破裂軟化效果。
[0017]將硬質(zhì)顆?；烊肱渲坪玫幕瘜W(xué)溶液中后注入鉆孔，當(dāng)高壓電脈沖作用后，在火成巖巖體內(nèi)產(chǎn)生大量的裂紋，此時(shí)石英砂受沖擊力作用填充到已張開(kāi)裂縫中，盡管受頂板巖層壓力作用，但在石英砂的支撐下裂紋不會(huì)閉合，這樣化學(xué)溶液很容易地進(jìn)入張開(kāi)裂縫中并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加速火成巖巖體的軟化。
[0018]本發(fā)明提供的一種以特殊化學(xué)溶液為介質(zhì)的高壓電脈沖破裂和軟化使工作面通過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)與積極效果:
(I)本發(fā)明利用X射線衍射試驗(yàn)和重量法、滴定法、原子吸收法，精確測(cè)定火成巖的礦物組成和所含化學(xué)成分及其含量，對(duì)于火成巖巖石組分的精確掌握為該發(fā)明使用的特殊化學(xué)溶液的配制提供可靠的依據(jù)，進(jìn)而能夠準(zhǔn)確確定特殊化學(xué)溶液的組分。
[0019](2)本發(fā)明充分考慮的地應(yīng)力作用下巖體裂縫易被壓密的特性，特殊溶液中混入一定量的粒徑為I?15mm的硬質(zhì)顆粒，當(dāng)巖體受高壓電脈沖作用產(chǎn)生裂紋時(shí)，溶液中的石英砂在沖擊力的作用下充填到裂紋中，這樣就避免了地應(yīng)力將裂縫重新壓密的可能。
[0020](3)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于高壓電脈沖對(duì)巖體產(chǎn)生的破壞力是可控的，通過(guò)設(shè)置不同的電壓，對(duì)電脈沖的強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這就避免了用炸藥爆破時(shí)產(chǎn)生的諸多不可控因素引起的潛在危險(xiǎn)。
[0021](4)本發(fā)明充分將物理和化學(xué)作用對(duì)巖體的破壞很好的結(jié)合，高壓電脈沖產(chǎn)生的沖擊壓力將巖體破裂的同時(shí)使化學(xué)溶液充分與巖體接觸，化學(xué)軟化和物理破裂相互促進(jìn)形成對(duì)巖石破壞的“良性循環(huán)”，較單一的物理作用(如鉆孔)或化學(xué)作用(化學(xué)溶液軟化)具有高效率、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明火成巖侵入?yún)^(qū)示意圖。
[0023]圖2是圖1中沿B-B線的剖面圖。
[0024]圖3是圖1中沿A-A線的剖面圖。
[0025]圖4是圖3中沿D-D線的剖面圖。
[0026]圖5是煌斑巖侵入?yún)^(qū)巖體作用下煌斑巖巖體受力不意圖。
[0027]圖6為煌斑巖侵入?yún)^(qū)巖體作用下煌斑巖巖體破裂效果圖。
[0028]圖7為封堵裝置示意圖。
[0029]圖中:1:煤體；2:火成巖巖體；3:綜采工作面；4:進(jìn)風(fēng)順槽；5:回風(fēng)順槽；6