一种治理综采端头大面积悬顶的装置和方法与流程

1.本发明属于采煤技术领域，特别涉及一种治理综采端头大面积悬顶的装置和方法。


背景技术：

2.综采工作面端头是指工作面与轨道巷、运输巷相连接的地方，综采端头大面积悬顶是指悬顶面积超过2m
×
5m或几倍以上。悬顶形成的原因有两种：一是因为工作面顶板为坚硬岩石，厚度大、节理裂隙不发育，煤层开采后，难以垮落，形成悬顶；二是因为工作面支架、保护煤柱及两顺槽顶板锚杆索联合支护作用于两端头三角形悬板上，使工作面的直接顶与老顶形成一个较为严密的统一体，加大了端头采空区侧的悬顶面积。当综采端头悬顶达到一定距离时，很容易导致大面积来压，上下隅角瓦斯积聚，若此时顶板垮落，积聚的瓦斯和有害空气将瞬间涌出，形成飓风和冲击压，严重威胁井下工作人员和设备的安全。因此，综采工作面两端头大面积悬顶已经成为不可忽视的技术难题。
3.目前，处理综采端头大面积悬顶的主要方法有三种：退锚、深孔预裂爆破和顶板致裂。其中，顶板致裂方法主要用于坚硬顶板，致裂的技术主要有水力压裂、预裂爆破、co2致裂，但是这三种技术都有一定的弊端。水力压裂是在工作面回采前，利用高压水，在钻孔内分段封隔分段压裂，破坏顶板的完整性。它被广泛用来致裂顶板，但是效率不髙，耗水量大，且效果难以人为控制，增加工作面排水量；预裂爆破利用炸药通过深孔预爆破弱化顶板，是效果最好的一种，但是成本髙，具有极大的危险隐患；co2致裂技术用髙压泵预先在专用储液管注人液态二氧化碳，使用过程中接通电流，瞬间产生高温使得储液管内的二氧化碳迅速从液态转化为气态，从而产生体积岩石预裂剂产生岩石预裂剂压力使顶板破裂，但这种方法只适用于完整性很强的顶板，不具有普遍性。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种治理综采端头大面积悬顶的装置和方法，补充完善了综采大面积悬顶治理技术，解决了综采工作面端头悬顶面积过大问题，成本低，操作简便。
5.本发明是这样实现的：一种预裂剂，其特征在于，包括压裂剂a剂和可插入在a剂中的起动剂b剂，所述a剂包括筒身，筒盖，筒盖上设置有与b剂匹配的一次性打开使用的插孔，所述a剂内装有压控产气材料；所述b剂是引燃材料制成的棒，所述棒的一端设置有双绞引燃线。
6.进一步的，所述b剂规格尺寸为φ10mm
×
200mm。
7.一种包含上述预裂剂的治理综采端头大面积悬顶的装置，所述装置包括安装在钻孔中的至少一组电性串联连接的预裂剂，所述预裂剂包括压裂剂a剂和插入在a剂中的起动剂b剂，串连在一组的预裂剂个数小于十个。
8.进一步的，所述a剂包括筒身，筒盖，筒盖上设置有与b剂匹配的一次性打开使用的
插孔，所述a剂内装有压控产气材料；所述b剂是引燃材料制成的棒，所述棒的一端设置有双绞引燃线，设置有双绞引燃线的一端插入 到a 剂的里端，使用时，双绞引燃线的另一端可引出到钻孔之外。
9.进一步的，预裂剂布置方式为：在悬顶区的顶板上一排布置五个，靠近悬顶区边缘的两个钻孔与边缘的距离为450mm，两个预裂剂之间的间距为900mm，在靠近保护煤柱一侧的预裂剂排距为800mm，其余各排排距为1600mm，预裂剂与顶板方向夹角为75
°
，倾向采空区一侧。
10.进一步的，所述a剂内填装压控产气材料，所述压控产气材料主要为四唑基聚合物，四唑基聚合物燃烧后产生的气体主要成份为氮气，低烟，炮烟白色水蒸气雾状，无毒无腐蚀，不会腐蚀采掘设备。
11.一种包含权利要求3的治理综采端头大面积悬顶的方法，包括如下步骤：s1，勘察测量悬顶区面积，在所述悬顶区的顶板上设计钻孔大小和钻孔位置方案，合理的钻孔直径是避免钻孔发生冲孔现象的重要参数，间排距的布置方式可以优化所述顶板破岩效果，根据理论分析、实验室实验和工程实际，设计钻孔参数；s2，按设计方案进行钻孔；s3，钻孔内装填预裂剂，所述预裂剂的安装双绞引燃线的一端放入钻孔的里端，双绞引燃线的另一端留在钻孔外面，放入后用泥封上钻孔，不同钻孔之间的预裂剂采取串联方式布置，串联在一组的预裂剂须少于十个，根据实际情况，可设置多组；s4，起爆预裂，给预裂剂通瞬时高压电，起动预裂，启动回路电流不小于 1a，预裂后的顶板不再是整板一块，顶板上产生一定数量的裂纹，悬顶面积由整变零，分散了来压面积，解决了大面积悬顶的问题；对于设置多组预裂剂的，须按组逐步预裂。
12.进一步的，所述s1中钻孔的布置方式为：在悬顶区的顶板上一排布置五个钻孔，靠近悬顶区边缘的两个钻孔与边缘的距离为450mm，两个钻孔之间的间距为900mm，在靠近保护煤柱一侧的钻孔排距为800mm，其余排距为1600mm。
13.进一步的，所述钻孔直径为50mm，钻孔深10m，钻孔与顶板方向夹角为75
°
，倾向采空区一侧。
14.进一步的，采用 md200ls 型矿用数显起爆器，启动前后须数显测一遍所述预裂剂的阻值。
15.本发明的有益效果：通过本发明方法和装置的应用实践经验，完善了综采大面积悬顶治理技术，解决了综采工作面端头悬顶面积过大问题。本发明方法和装置安全可靠、施工简便；密集钻孔岩石预裂剂破岩处理后，随着工作面继续推进，巷道顶板开始逐渐冒落；随着自由面的增加，顶板的坍塌速度加快，与以前的悬顶距离相比，缩短了悬顶距离，达到了预期效果。本发明方法和装置的采用，避免了大面积悬顶引起的瓦斯积聚和顶板大面积挎落，为确保煤矿安全生产，实现这些煤矿大规模连续高强度安全开采，提高煤矿生产和安全生产水平具有重要的现实意义。同时，本发明方法和装置对于类似条件的矿山安全开采具有重要的指导作用，具有现实意义。
16.下面，结合附图，对本发明做进一步阐释。
附图说明
17.图1为本发明悬顶区位置示意图；图2为本发明悬顶区钻孔及预裂剂排布方案俯视示意意图；图3为本发明悬顶区钻孔及预裂剂排布方案侧视示意意图；图4为本发明预裂剂a剂结构示意图；图5为本发明预裂剂b剂结构示意图；图6为本发明预裂剂a 剂和b剂的组装示意图；图7为本发明预裂剂钻孔内安装示意图。
具体实施例
18.实施例一：本实施例是一种预裂剂，如图3至图6所示，包括压裂剂a剂31和可插入在a剂中的起动剂b剂32，所述a剂31包括筒身311，筒盖312，筒盖312上设置有与b剂32匹配的一次性打开使用的插孔313，所述a剂31内装有压控产气材料；所述b剂32是引燃材料制成的棒321，所述棒321的一端设置有双绞引燃线322。
19.实施例二：在上述实施例的基础上，本实施例是关于预裂剂a剂、b剂规格的细化，本实施例所述b剂31规格尺寸为φ10mm
×
200mm，所述a剂可为多种规格：φ30mm
×
300mm、φ41mm
×
400mm、φ50mm
×
900mm和φ76mm
×
900mm。
20.实施例三：本实施例是包含预裂剂的一种治理综采端头大面积悬顶的装置，如图1至图7所示，所述装置包括安装在钻孔2中的至少一组电性串联连接的预裂剂3，所述预裂剂3包括压裂剂a剂31和插入在a剂31中的起动剂b剂32，串连在一组的预裂剂3个数小于十个，根据试验和经验，串连在一起的预裂剂3个数不宜过多，以不超过十个为宜，一次引爆过多会引起大面积预裂，出现悬顶问题。
21.实施例四：本实施例是实施例五的改进，是关于预裂剂a剂31和b剂32的细化，如图4至图7所示，本实施例所述a剂31包括筒身311，筒盖312，筒盖312上设置有与b剂32匹配的一次性打开使用的插孔313，所述a剂31内装有压控产气材料；所述b剂32是引燃材料制成的棒321，所述棒321的一端设置有双绞引燃线322，设置有双绞引燃线322的一端插入 到a 剂31的里端，使用时，双绞引燃线322的另一端可引出到钻孔之外。
22.实施例五：本实施例是实施例五的改进，是关于预裂剂3布置方式的细化，如图1至图3所示，本实施例所述预裂剂3布置方式为：在悬顶区1的顶板4上一排布置五个，靠近悬顶区1边缘的两个钻孔与边缘的距离21为450mm，两个预裂剂3之间的间距22为900mm，在靠近保护煤柱5一侧的预裂剂3排距23为800mm，其余排距24为1600mm，预裂剂3与顶板4方向夹角25为75
°
，倾向采空区6一侧。
23.实施例六：本实施例是实施例五或六的改进，是关于a剂的细化，本实施例所述a剂31内填装
的压控产气材料主要成分为四唑基聚合物，四唑基聚合物燃烧后产生的气体主要成份为氮气，低烟，炮烟白色水蒸气雾状，无毒无腐蚀，不会腐蚀采掘设备。
24.实施例七：本实施例是一种包含治理综采端头大面积悬顶的装置的方法，如图1至图7所示，包括如下步骤：s1，勘察测量悬顶区1面积，设计钻孔2大小和钻孔位置方案，合理的钻孔直径是避免钻孔发生冲孔现象的重要参数，间排距的布置方式可以优化顶板4破岩效果，根据理论分析、实验室实验和工程实际，设计钻孔参数；s2，按设计方案进行钻孔；s3，钻孔内装填预裂剂3，所述预裂剂3的安装双绞引燃线的一端放入钻孔的里端，双绞引燃线的另一端留在钻孔外面，放入后用泥7封上钻孔，不同钻孔之间的预裂剂采取串联方式布置，串联在一组的预裂剂须少于10个，根据实际情况，可设置多组；s4，起爆预裂，给预裂剂3通瞬时高压电，用起爆器起动预裂，启动回路电流不小于 1a，预裂后的顶板不再是整板一块，顶板上产生一定数量的裂纹，悬顶面积由整变零，分散了来压面积，解决了大面积悬顶的问题；对于设置多组预裂剂，须按组逐步预裂。
25.实施例八：本实施例是实施例一的改进，是关于步骤s1钻孔2布置方式的细化，如图1至图3所示，所述钻孔2的布置方式为：在悬顶区1的顶板4上一排布置五个钻孔2，靠近悬顶区1边缘的两个钻孔2与边缘的距离21为450mm，两个钻孔之间的间距22为900mm，在靠近保护煤柱5一侧的钻孔排距23为800mm，其余排距24为1600mm。
26.实施例九：本实施例是上述实施例的改进，是关于钻孔2的细化，本实施例所述钻孔2直径为50mm，钻孔深10m，钻孔2与顶板4方向夹角25为75
°
，倾向采空区6一侧。
27.实施例十：本实施例是实施例一的改进，是实施例一步骤s4起爆器的细化，本实施例采用 md200ls 型矿用数显起爆器，启动前后须数显测一遍所述预裂剂3的阻值。

技术特征：
1.一种预裂剂，其特征在于，包括压裂剂a剂（31）和可插入在a剂中的起动剂b剂（32），所述a剂（31）包括筒身（311），筒盖（312），筒盖（312）上设置有与b剂（32）匹配的一次性打开使用的插孔（313），所述a剂（31）内装有压控产气材料；所述b剂（32）是引燃材料制成的棒（321），所述棒（321）的一端设置有双绞引燃线（322）。2.根据权利要求1所述的预裂剂，其特征在于，所述b剂（31）规格尺寸为φ10mm
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200mm。3.一种包含权利要求1治理综采端头大面积悬顶的装置，其特征在于，所述装置包括安装在钻孔（2）中的至少一组电性串联连接的预裂剂（3），所述预裂剂（3）包括压裂剂a剂（31）和插入在a剂（31）中的起动剂b剂（32），串连在一组的预裂剂（3）个数小于十个。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述a剂（31）包括筒身（311），筒盖（312），筒盖（312）上设置有与b剂（32）匹配的一次性打开使用的插孔（313），所述a剂（31）内装有压控产气材料；所述b剂（32）是引燃材料制成的棒（321），所述棒（321）的一端设置有双绞引燃线（322），设置有双绞引燃线（322）的一端插入 到a 剂（31）的里端，使用时，双绞引燃线（322）的另一端可引出到钻孔之外。5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，预裂剂（3）布置方式为：在悬顶区（1）的顶板（4）上一排布置五个，靠近悬顶区（1）边缘的两个钻孔与边缘的距离（21）为450mm，两个预裂剂（3）之间的间距（22）为900mm，在靠近保护煤柱（5）一侧的预裂剂（3）排距（23）为800mm，其余各排排距（24）为1600mm，预裂剂（3）与顶板（4）方向夹角（25）为75
°
，倾向采空区（6）一侧。6.根据根据权利要求1所述的预裂剂或权利要求3所述的装置，其特征在于，所述a剂（31）内填装压控产气材料，所述压控产气材料主要为四唑基聚合物，四唑基聚合物燃烧后产生的气体主要成份为氮气，低烟，炮烟白色水蒸气雾状，无毒无腐蚀，不会腐蚀采掘设备。7.一种包含权利要求3的治理综采端头大面积悬顶的方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，勘察测量悬顶区（1）面积，在所述悬顶区（1）的顶板（4）上设计钻孔（2）大小和钻孔位置方案，合理的钻孔直径是避免钻孔发生冲孔现象的重要参数，间排距的布置方式可以优化所述顶板（4）破岩效果，根据理论分析、实验室实验和工程实际，设计钻孔参数；s2，按设计方案进行钻孔；s3，钻孔内装填预裂剂（3），所述预裂剂（3）的安装双绞引燃线的一端放入钻孔的里端，双绞引燃线的另一端留在钻孔外面，放入后用泥（7）封上钻孔，不同钻孔之间的预裂剂采取串联方式布置，串联在一组的预裂剂须少于十个，根据实际情况，可设置多组；s4，起爆预裂，给预裂剂（3）通瞬时高压电，起动预裂，启动回路电流不小于 1a，预裂后的顶板不再是整板一块，顶板上产生一定数量的裂纹，悬顶面积由整变零，分散了来压面积，解决了大面积悬顶的问题；对于设置多组预裂剂的，须按组逐步预裂。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述s1中钻孔（2）的布置方式为：在悬顶区（1）的顶板（4）上一排布置五个钻孔（2），靠近悬顶区（1）边缘的两个钻孔（2）与边缘的距离（21）为450mm，两个钻孔之间的间距（22）为900mm，在靠近保护煤柱（5）一侧的钻孔排距（23）为800mm，其余排距（24）为1600mm。9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述钻孔（2）直径为50mm，钻孔深10m，
钻孔（2）与顶板（4）方向夹角（25）为75
°
，倾向采空区（6）一侧。10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用 md200ls 型矿用数显起爆器，启动前后须数显测一遍所述预裂剂（3）的阻值。

技术总结
本发明公开了一种治理综采端头大面积悬顶的装置和方法，包括S1，勘察测量悬顶区面积，设计钻孔大小和钻孔位置方案；S2，按设计方案进行钻孔；S3，钻孔内装预裂剂；S4，起爆预裂，所述装置包括至少一组按一定布局排布的若干个预裂剂，所述预裂剂包括压裂剂A剂和插入在A剂中的起动剂B剂，所述预裂剂之间电性串联连接，串连在一起的预裂剂个数小于十个，可设置多组。通过本发明方法和装置的应用实践经验，完善了综采大面积悬顶治理技术，解决了综采工作面端头悬顶面积过大问题，安全可靠、施工简便，具有实用价值。具有实用价值。具有实用价值。


技术研发人员：田春阳 马文涛 孔亮 李正甲 姜光 牛永志 金紫霄 王远 李军卫 段建国
受保护的技术使用者：北京天地华泰矿业管理股份有限公司
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/7/22