一种采煤工作面瓦斯抽采与顶板治理方法

1.本发明属于煤层开采技术领域，尤其涉及一种采煤工作面瓦斯抽采与顶板治理方法。


背景技术：

2.当所开采的煤层上覆岩层坚硬，没能及时垮落时，因沟壑与高山导致的地层深处应力分布不均匀，会导致煤层顶板应力局部集中，使得煤层顶板强矿压显现，造成顶板移动与地表塌陷，采空区附近煤体中承受高支撑应力。
3.为解决煤层顶板强矿压显现问题，需要对顶板来压进行预报，同时根据来压情况对工作面巷道中采空悬顶的大厚度完整坚硬岩层的煤层顶板，实施钻孔、爆破或致裂，使工作面巷道的悬顶在工作面支架后方垮落，并支承起上覆裂隙带岩层，释放采空区附近煤体中的高支承应力，使附近煤体中的支承应力变小，使巷道得到保护。但是目前来压预报主要依靠人工对采煤工作面进行观测，依靠经验进行预报，存在预报不及时且不准确的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种采煤工作面瓦斯抽采与顶板治理方法，旨在实现对矿压显现进行超前预警，并实现顶板钻孔爆破泄压和煤体瓦斯抽采。
5.为此，本发明实施例提供的采煤工作面瓦斯抽采与顶板治理方法，包括：在工作面液压支架组的前方靠近煤层顶板处固定安装有多个第一钻机，多个所述第一钻机在工作面液压支架组上沿着工作面巷道的延伸方向布置成一排，每个所述第一钻机的钻进方向与煤层工作面垂直；
6.利用第一钻机的第一钻杆在煤层工作面上向煤层钻超前孔，接着向第一钻杆上附着的囊袋内鼓入高压液体或气体，使得所述囊袋膨胀，并与超前孔的壁面贴合，将所述超前孔封闭；
7.其中，所述第一钻杆的前端设有钻头，且内部形成有轴向延伸的瓦斯抽采通道，所述瓦斯抽采通道的一端延伸至所述第一钻杆的尾端处与瓦斯抽采系统连通，另一端与所述钻头侧部的瓦斯抽采孔连通；
8.然后进行采煤机正常的割煤，当测量元件测量到囊袋内的压力增加时，瓦斯抽采系统启动，利用第一钻杆对煤层工作面进行瓦斯抽采，当测量元件测量到囊袋内的压力增加至设定阀值时，对工作面巷道中采空悬顶的煤层顶板实施钻孔爆破，使位于工作面液压支架组后方的煤层顶板垮落，并充满采空区，实现碎石的接顶和煤层顶板的卸压。
9.具体的，所述钻头采用锥形扩孔钻头，所述第一钻杆内部设有与所述囊袋连通的进路，所述第一钻杆的尾端设有与所述进路连通的补充口，所述补充口通过第一回转接头与连接管连接，所述连接管与气体源或液体源连通，所述连接管上设有阀门。
10.具体的，所述测量元件为设置在所述连接管上的压力传感器。
11.具体的，相邻两个所述第一钻机的间距控制在1.5－1.75m。
12.具体的，所述瓦斯抽采系统包括抽采管和抽采泵，所述抽采管的一端通过第二回转接头与所述瓦斯抽采通道连接，另一端与所述抽采泵连接。
13.具体的，所述囊袋包括套在所述第一钻杆外的弹性膜筒，所述弹性膜筒的两端分别与所述第一钻杆的外壁密封固定连接，从而在所述弹性膜筒与所述第一钻杆之间形成充气或充液腔。
14.具体的，所述弹性膜筒的两端分别延伸至所述超前孔的前端和尾端位置处。
15.具体的，所述工作面液压支架组由多个沿着工作面巷道的延伸方向并排布置的液压支架组成，每个所述液压支架上均安装有一个所述第一钻机。
16.具体的，每个所述液压支架后端的掩护梁的背面均安装有一个第二钻机，每个所述第二钻机的钻进方向为朝后倾斜向上设置，所述掩护梁上设有与所述第二钻机的第二钻杆对应的通孔，所述第二钻杆从所述通孔穿出对煤层顶板实施钻孔。
17.具体的，所述掩护梁上还设有带动所述第二钻机移动以使所述第二钻杆对准或错开所述通孔的驱动缸，当所述第二钻杆与所述通孔错开时，爆破用炸药通过装药杆经所述通孔装填至第二钻杆钻凿形成的炮孔中。
18.与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：
19.(1)以第一钻杆附着囊袋，第一钻杆在工作面前方超前钻进设定距离后，对囊袋充气或充液，实现囊袋与钻孔壁面贴合，利用囊袋感知钻孔壁面应力变化，待囊袋内压力增至预警预设的阈值时，采用采空区顶板爆破的方式通过顶板岩石的碎胀性质，充满采空区，实现碎石的接顶，并对顶板进行挤压，不仅可以对工作面中部的矿压显现进行超前预警，实现顶板钻孔爆破泄压，而且当顶板突然切落时，成排布置的第一钻杆能够支撑顶板，起到防止上覆岩层的台阶下沉目的。
20.(2)利用第一钻杆对煤体中的瓦斯进行抽采，以此保证开采的安全，而且当测量元件测量到囊袋内的压力增加时，表示煤层顶板来压，煤层顶板将挤压采煤工作面煤体，迫使煤体产生超前裂缝，裂缝的存在扩大了瓦斯解析空间，使得瓦斯能够顺着裂缝析出，进而可以增加瓦斯抽采量，实现瓦斯抽采效率的提升。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明实施例提供的煤体开采过程示意图；
23.图2是本发明实施例涉及的第一钻杆结构示意图；
24.图3是本发明实施例涉及的液压支架组结构示意图；
25.图4是本发明实施例涉及的第二钻机结构示意图；
26.其中：1、工作面液压支架组；101、液压支架；2、煤层顶板；3、第一钻机；301、第一钻杆；4、工作面巷道；5、煤层工作面；6、囊袋；7、钻头；8、瓦斯抽采通道；9、瓦斯抽采系统；901、抽采管；902、抽采泵；10、瓦斯抽采孔；11、测量元件；12、进路；13、连接管；14、气体源或液体源；15、泵送设备；16、第二钻机；161、钻机本体；162、第二钻杆；17、通孔；18、驱动缸；19、掩
护梁。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.参见图1和图2，一种采煤工作面瓦斯抽采与顶板治理方法，包括如下步骤：
31.步骤一、在工作面液压支架组1的前方靠近煤层顶板2处固定安装有多个第一钻机3，多个第一钻机3在工作面液压支架组1上沿着工作面巷道4的延伸方向布置成一排，每个第一钻机3的钻进方向与煤层工作面5垂直；
32.步骤二、利用第一钻机3的第一钻杆301在煤层工作面5上向煤层钻超前孔，接着向第一钻杆301上附着的囊袋6内鼓入高压液体或气体，使得所述囊袋6膨胀，并与超前孔的壁面贴合，将所述超前孔封闭；
33.其中，第一钻杆301的前端设有钻头7，且内部形成有轴向延伸的瓦斯抽采通道8，瓦斯抽采通道8的一端延伸至第一钻杆301的尾端处与瓦斯抽采系统9连通，另一端与钻头7侧部的瓦斯抽采孔10连通；
34.步骤三、然后进行采煤机正常的割煤，当测量元件11测量到囊袋6内的压力增加时，瓦斯抽采系统9启动，利用第一钻杆301对煤层工作面5进行瓦斯抽采，当测量元件11测量到囊袋6内的压力增加至设定阀值时，对工作面巷道4中采空悬顶的煤层顶板2实施钻孔爆破，使位于工作面液压支架组1 后方的煤层顶板2垮落，并充满采空区，实现碎石的接顶和煤层顶板2的卸压，当煤层完成一个步距开采时，液压支架101利用自身的行走系统，朝向工作面开采推进方向移动一个步距，重复上述步骤，即可完成煤层的全部开采。
35.本实施例中，以第一钻杆附着囊袋，第一钻杆在工作面前方超前钻进设定距离后，对囊袋充气或充液，实现囊袋与钻孔壁面贴合，利用囊袋感知钻孔壁面应力变化，待囊袋内压力增至预警预设的阈值时，采用采空区顶板爆破的方式通过顶板岩石的碎胀性质，充满采空区，实现碎石的接顶，并对顶板进行挤压，不仅可以对工作面中部的矿压显现进行超前预警，实现顶板钻孔爆破泄压，而且当顶板突然切落时，成排布置的第一钻杆能够支撑顶板，起到防止上覆岩层的台阶下沉目的。
36.此外，可以利用第一钻杆对煤体中的瓦斯进行抽采，以此保证开采的安全，而且当
测量元件11测量到囊袋6内的压力增加时，表示煤层顶板来压，煤层顶板将挤压采煤工作面煤体，迫使煤体产生超前裂缝，裂缝的存在扩大了瓦斯解析空间，使得瓦斯能够顺着裂缝析出，进而可以增加瓦斯抽采量，实现瓦斯抽采效率的提升。
37.参见图2，在一些实施例中，第一钻杆301的钻头7采用锥形扩孔钻头7，第一钻杆301的杆体直径比锥形扩孔钻头7的大径端小，第一钻杆301内部设有与囊袋6连通的进路12，第一钻杆301的尾端设有与进路12连通的补充口，补充口通过第一回转接头与连接管13连接，连接管13与气体源或液体源14 连通，连接管13上设有阀门，测量元件11为设置在连接管13上的压力传感器(如压力表等)，气体源或液体源14均设置在工作面巷道4内，当第一钻杆 301钻进至设定距离后，将连接管13与补充口对接，利用泵送设备15将气体或液体充入囊袋6中，使得所述囊袋6膨胀，并与超前孔的壁面贴合后，并关闭连接管13上的阀门以此保持囊袋6中压力恒定，待顶板来压时，在矿山压力的作用下，钻孔开始缩孔，压缩囊袋6，导致囊袋6内压力增加，待压力传感器测得的压力增至预设阈值时，即意味着需要马上对顶板进行钻孔爆破泄压，以达到防止顶板移动与地表塌陷，降低采空区附近煤体承受应力的目的。
38.本实施例中，第一钻杆301前端钻头7采用锥形扩孔钻头7，可以有效避免钻孔过程中囊袋6与钻孔壁面直接接触造成破坏。此外，第一钻杆301采用高强度合金制作，以在切顶发生时，第一钻杆301有足够的承载能力。在钻头的前端面上设有合金齿，合金齿可以采用硬质合金齿。
39.参见图1和图3，具体的，工作面液压支架组1由多个沿着工作面巷道4 的延伸方向并排布置的液压支架101组成，每个液压支架101上均安装有一个第一钻机3，在实际设计中，相邻两个第一钻机3的间距控制在1.5－1.75m。
40.可以理解的是，在实际设计中，瓦斯抽采系统9包括抽采管901和抽采泵 902，抽采管901的一端通过第二回转接头与瓦斯抽采通道8连接，另一端与抽采泵902连接，煤层工作面5上煤体内的瓦斯在抽采泵902提供的负压作用下，依次经过钻头7上的抽采孔、第一钻杆301内瓦斯抽采通道8以及抽采管 901后，进入瓦斯存储器内储存，以此保证煤层开采的安全性。其中，为提高抽采效率，抽采孔沿着第一钻杆301前端钻头7圆周方向均布布置多个。
41.在一些实施例中，囊袋6包括套在第一钻杆301外的弹性膜筒，弹性膜筒的两端分别与第一钻杆301的外壁密封固定连接，从而在弹性膜筒与第一钻杆 301之间形成充气或充液腔，通过向充气或充液腔内通入液体或气体，即可迫使弹性膜筒膨胀并与超前孔壁面贴合。其中，为防止钻进过程中囊袋6破损，弹性膜筒可以采用诸如橡胶等高弹高强度材质制作。此外，当弹性膜筒的两端分别延伸至超前孔的前端和尾端位置处，也即囊袋6膨胀后与超前孔位于第一钻杆301的钻头7后方孔壁均保持接触，这样的设计扩大了来压预报范围。
42.参见图1和图4，在一些实施例中，每个液压支架101后端的掩护梁19 的背面均安装有一个第二钻机16，每个第二钻机16的钻进方向为朝后倾斜向上设置，掩护梁19上设有与第二钻机16的第二钻杆162对应的通孔17，第二钻杆162能够穿过通孔17对煤层顶板2实施钻孔。当需要对液压支架101 后方煤层顶板2进行钻孔爆破作业时，只需将第二钻杆162安装在第二钻机 16上，第二钻机16夹持第二钻杆162，带动第二钻杆162旋转并钻入煤层顶板2中，从而在待爆破的煤层顶板2上形成炮孔，此后，再将第二钻杆162 回缩至掩护梁19中
后，即可在炮孔中装入炸药，对煤层顶板2实施爆破作业。为尽可能破坏煤层顶板2的完整性，第二钻机16钻凿形成的炮孔穿透煤层顶板2。
43.参见图4，可以理解的是，在实际应用中，在掩护梁19上还设有带动第二钻机16移动以使第二钻杆162对准或错开通孔17的驱动缸18，这样设计的优点在于，当完成钻孔作业后，需要装药时，将第二钻杆162回缩至掩护梁 19中，并利用驱动缸18带动第二钻机16沿着掩护梁19上滑轨移动，使得第二钻杆162与掩护梁19上的通孔17错开，将炸药绑扎在竹竿等制作的装药杆的前端上，装药杆从该通孔17进入液压支架101后方的采空区中，将炸药捅至炮孔中，即可引爆，实现爆破作业。这样的设计方式，使得无需操作人员进入采空区即可实施钻孔爆破，可以有效保证作业人员的安全。
44.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
45.同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
46.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
47.上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。