一種石門揭煤前的圍巖強度控制裝置與方法與流程

本發明涉及一種巖石強度控制裝置，特別是關于一種能夠根據石門揭煤需要對其圍巖強度進行強化與弱化處理的石門揭煤前的圍巖強度控制裝置與方法。

背景技術：

眾所周知，對于突出煤層開采來說，石門揭煤既是一項非常危險的工藝，同時，也是一項必不可少的工藝。很多煤礦企業，在石門揭煤過程中，發生過等級較高的煤與瓦斯突出事故，造成人員傷亡和財產損失。石門揭煤發生煤與瓦斯突出事故的原因有多種，圍巖的強度失去控制就是其中一個非常重要的原因。

當圍巖強度過低（如圍巖松軟、破碎及存在斷層等）時，處于高應力和高瓦斯壓力狀態下的煤體，會沖開圍巖，發生煤與瓦斯突出；2004年10月20日河南大平煤礦在即將揭煤前，發生煤與瓦斯突出事故并引起瓦斯爆炸，造成148人死亡，原因就在于圍巖內存在斷層，弱化了巖體的強度。

當圍巖強度過高，如花崗巖等，在炸藥量額定爆破揭煤時，難以一次性把石門揭開，必須重復多次進行揭煤作業，這也容易誘導突出事故；2009年5月30日重慶市同華煤礦在揭煤作業過程中，發生煤與瓦斯突出事故，造成30人死亡，原因就在于一次爆破未能將整個石門揭開，在第四次爆破揭煤作業時，誘導了煤與瓦斯突出。

目前，有關石門揭煤前的圍巖強度控制方面的工藝和方法，主要是對破碎圍巖進行注漿加固和在圍巖內插入鋼管提高其整體強度。上述措施主要考慮的是增強圍巖抵御突出的能力，而未考慮到在爆破揭煤作業之前，如何降低該圍巖強度，以免發生石門不能一次性揭開的現象。

既能在巖巷掘進中增強圍巖強度，有效提高圍巖的防突能力，又能在爆破揭煤作業之前對該圍巖進行弱化處理，確保石門能一次性被揭開的裝置與方法，在公開的文獻資料上，尚未看見。

因此，為了石門揭煤的安全作業，探索出一種能夠控制圍巖強度的裝置與方法就顯得尤為迫切。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種石門揭煤前的圍巖強度控制裝置與方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種石門揭煤前的圍巖強度控制裝置，包括注水系統、冷凍系統和融冰系統；所述注水系統包括輸水管、注水泵和注水管束，注水泵的進水端通過聯接膠管連接輸水管，出水端通過高壓膠管連接各注水管束；注水泵的進水端和出水端均設置閥門；所述冷凍系統包括冷凍液櫥柜、注液泵和注液管束，注液泵的進液端通過聯接膠管連接冷凍液櫥柜，出液端通過高壓膠管連接注液管束，所述注水管束的出水端以及注液管束的出液端，分別與設置在掘進工作面前方圍巖上的鉆孔通過封孔器連接；所述融冰系統包括輸水管、加熱器、氣體壓縮機和注液管束，所述加熱器的一端連接輸水管，另一端通過聯接膠管連接氣體壓縮機，氣體壓縮機的出氣端通過高壓膠管連接注氣管束，氣體壓縮機的兩端均設置閥門，所述注氣管束與遠距離震動爆破揭煤位置處的鉆孔通過封孔器連接。

所述各注水管束、注液管束和注氣管束分別由多根膠管組成，每束膠管的一端集合在一起形成一個總端口，與高壓膠管螺紋連接，另一端分別設置連接頭與封孔器螺紋連接。

所述一束注水管束中的每根膠管與位于同一行的鉆孔連接；一束注液管束中的每根膠管與位于同一行的鉆孔連接，且兩根膠管之間間隔一個鉆孔；注水管束和注液管束上、下間隔設置，以兩行注水管束一行注液管束的頻率布設。

所述一束注氣管束中的每兩根膠管之間間隔一個鉆孔安裝，兩束注氣管束之間間隔一行。

一種石門揭煤前的圍巖強度控制方法，具體步驟為：

步驟1）在掘進工作面前方圍巖處，等待瓦斯排放完畢，利用部分瓦斯排放鉆孔構建注水系統，具體方法如下：通過聯接膠管，將輸水管與注水泵相聯接，并在聯接膠管上安設閥門；將各注水管束分別與鉆孔內的封孔器相聯接；采用高壓膠管分別將各注水管束與注水泵相聯接，并在高壓膠管上安設閥門；

步驟2）在與注水系統同一工作面，再利用部分瓦斯排放鉆孔構建冷凍系統，具體方法如下：通過聯接膠管，將冷凍液櫥柜和注液泵相聯接，并在聯接膠管上安設閥門；將各注液管束分別與鉆孔內的封孔器相聯接；采用高壓膠管分別將各注液管束與注液泵相聯接，并在高壓膠管上安設閥門；

步驟3）先啟動注水系統，再啟動冷凍系統，實現巖體結冰冷凍，具體步驟如下：打開注水系統的閥門，開啟注水泵向鉆孔內注水；待巖體濕潤后關閉閥門和注水泵，然后開啟冷凍液櫥柜和其閥門，啟動注液泵向鉆孔內注入冷凍液，直至水體結冰巖體加固，從而形成一道較為安全的屏障；然后拆除注水系統和冷凍系統，實施爆破，向前掘進；

步驟4）當工作面掘進至遠距離震動爆破的揭煤位置，安裝融冰系統，具體方法如下：將輸水管與加熱器相聯接；通過聯接膠管將加熱器和氣體壓縮機相聯接，并且在聯接膠管上安設閥門；將各注氣管束分別與鉆孔內的封孔器相聯接；采用高壓膠管分別將各注氣管束與氣體壓縮機相聯接，并在高壓膠管上安設閥門；

步驟5）在遠距離震動爆破的揭煤位置設置爆破孔，并裝好炸藥，完成爆破前的準備工作；啟動加熱器產生高溫水蒸氣，打開聯接膠管上的閥門，高溫氣體通過聯接膠管進入氣體壓縮機，經壓縮后，打開高壓膠管上的閥門，使其通過高壓膠管及各注氣管束進入鉆孔，在高溫水蒸氣作用下，掘進工作面前方巖體內的冰融化成水，而飽含水的巖體，強度要低于原始巖體；此時實施遠距離爆破，確保一次性揭開巖層。

本發明的有益效果是：一種石門揭煤前的圍巖強度控制裝置與方法，通過注水冷凍加強掘進工作面前方的圍巖強度，提高該圍巖抵御突出的能力，確保掘進作業過程中，不會發生圍巖被沖開而引起的突出事故；通過注高溫水蒸氣將圍巖內的冰融化成水，降低圍巖強度，可確保最終的爆破能夠一次性揭開巷道前方的圍巖，有效避免因多次爆破作業而誘導突出事故。因此，該方法可根據石門揭煤作業需要，改變巷道前方的圍巖強度，解決了長期以來石門揭煤作業風險較高的技術難題。

附圖說明

圖1是本發明的實施例結構示意圖。

圖2是圖1的A-A剖視圖。

圖3是圖1的B-B剖視圖。

圖中標記如下：1.輸水管,2.聯接膠管,3.閥門,4.注水泵,5.閥門,6.高壓膠管,7.注水管束，8.冷凍液櫥柜，9.聯接膠管，10.閥門，11.注液泵，12.閥門，13.高壓膠管，14.注液管束，15.輸水管，16.加熱器，17.聯接膠管，18.閥門，19.氣體壓縮機，20.閥門，21.高壓膠管，22.注氣管束，23.鉆孔，24.掘進工作面前方圍巖，25.遠距離震動爆破揭煤位置。

具體實施方式

結合附圖1、2、3可以看出，一種石門揭煤前的圍巖強度控制裝置，包括注水系統、冷凍系統和融冰系統；所述注水系統包括輸水管1、注水泵4和注水管束7，注水泵4的進水端通過聯接膠管2連接輸水管1，出水端通過高壓膠管6連接各注水管束7；注水泵4的進水端和出水端均設置閥門3、5；所述冷凍系統包括冷凍液櫥柜8、注液泵11和注液管束14，注液泵11的進液端通過聯接膠管9連接冷凍液櫥柜8，出液端通過高壓膠管6連接注液管束14，所述注水管束7的出水端以及注液管束14的出液端，分別與設置在掘進工作面前方圍巖24上的鉆孔23通過封孔器連接；所述融冰系統包括輸水管15、加熱器16、氣體壓縮機19和注液管束14，所述加熱器16的一端連接輸水管15，另一端通過聯接膠管17連接氣體壓縮機19，氣體壓縮機19的出氣端通過高壓膠管21連接注氣管束22，氣體壓縮機19的兩端均設置閥門，所述注氣管束22與遠距離震動爆破揭煤位置25處的鉆孔23通過封孔器連接。

所述各注水管束7、注液管束14和注氣管束22分別由多根膠管組成，每束膠管的一端集合在一起形成一個總端口，與高壓膠管6、13、21螺紋連接，另一端分別設置連接頭與封孔器螺紋連接。

如圖2所示，在掘進工作面前方圍巖24，即圖1中的起始位置A-A處，所述一束注水管束7中的每根膠管與位于同一行的鉆孔23連接；一束注液管束14中的每根膠管與位于同一行的鉆孔23連接，且兩根膠管之間間隔一個鉆孔23；注水管束7和注液管束14上、下間隔設置，可以以兩行注水管束7一行注液管束14的頻率布設。

所述輸水管1通過聯接膠管2與注水泵4相聯，接聯接方式為螺紋聯接；閥門3安設在聯接膠管2上；高壓膠管6分別通過螺紋與注水泵4以及各束注水管束7相聯接；閥門5安設在高壓膠管6上，每一束注水管束7再分別與相應鉆孔23內的封孔器相聯接，聯接方式為螺紋聯接；構成注水系統。

所述冷凍液櫥柜8和注液泵11通過聯接膠管9相聯接，聯接方式為螺紋聯接；閥門10安設在聯接膠管9上；高壓膠管13分別與各注液管束14及注液泵11相聯接，聯接方式為螺紋聯接；閥門12安設在高壓膠管13上，每一束注液管束14再分別與相應鉆孔23內的封孔器相聯接，聯接方式為螺紋聯接；構成冷凍系統。

先啟動注水系統，待巖體濕潤后，再啟動冷凍系統，直至水體結冰，巖體加固；拆除注水系統和冷凍系統，實施爆破，向前掘進。

如圖3所示，在距離震動爆破的揭煤位置25，即圖3中的B-B處，注氣管束與位于該處圍巖上的鉆孔23內的封孔器聯接，一束注氣管束22中的每兩根膠管之間間隔一個鉆孔23安裝，兩束注氣管束22之間間隔一行。輸水管15與加熱器16相聯接，聯接方式為螺紋聯接；加熱器16和氣體壓縮機19通過聯接膠管17相聯接，聯接方式為螺紋聯接；閥門18安設在聯接膠管17上；高壓膠管21分別與各注氣管束22及氣體壓縮機19相聯接，聯接方式為螺紋聯接；閥門20安設在高壓膠管21上，構成融冰系統。所述注液管束14和注氣管束22可共用一套。

本發明的工作過程如下：

步驟1）在掘進工作面前方圍巖24處，等待瓦斯排放完畢，利用部分瓦斯排放鉆孔23構建注水系統，具體方法如下：通過聯接膠管2，將輸水管1與注水泵4相聯接，并在聯接膠管2上安設閥門3；將各注水管束7分別與鉆孔23內的封孔器相聯接；并采用高壓膠管6分別將各注水管束7與注水泵4相聯接，并在高壓膠管6上安設閥門5。

步驟2）在與注水系統同一工作面，再利用部分瓦斯排放鉆孔23構建冷凍系統，具體方法如下：通過聯接膠管9，將冷凍液櫥柜8和注液泵11相聯接，并在聯接膠管9上安設閥門10；將各注液管束14分別與鉆孔23內的封孔器相聯接；并采用高壓膠管13分別將各注液管束14與注液泵11相聯接，并在高壓膠管13上安設閥門12；

步驟3）先啟動注水系統，再啟動冷凍系統，實現巖體結冰冷凍，具體步驟如下：打開閥門3、5，開啟注水泵4向鉆孔內注水；待巖體濕潤后關閉閥門5、注水泵4和閥門3，然后開啟冷凍液櫥柜14，閥門10，啟動注液泵11向鉆孔23內注入冷凍液，直至水體結冰，巖體加固，從而形成一道較為安全的屏障；然后拆除注水系統和冷凍系統，實施爆破，向前掘進；由于結冰冷凍后的巖體強度較高，因此，不會發生含瓦斯煤體沖開巖層而導致突出事故的現象；

步驟4）當工作面掘進至遠距離震動爆破的揭煤位置25，安裝融冰系統，具體如下：將輸水管15與加熱器16相聯接；通過聯接膠管17，將加熱器16和氣體壓縮機19相聯接，并且在聯接膠管17上安設閥門18；將各注氣管束22分別與鉆孔23內的封孔器相聯接；并采用高壓膠管21分別將各注氣管束22與氣體壓縮機19相聯接，并在高壓膠管21上安設閥門20；

步驟5）在遠距離震動爆破的揭煤位置25設置爆破孔，并裝好炸藥，完成爆破前的準備工作；啟動加熱器16產生高溫水蒸氣，打開閥門18，高溫氣體通過聯接膠管17進入氣體壓縮機19，經壓縮后，打開閥門20，使其通過高壓膠管21及各注氣管束22進入鉆孔23，在高溫水蒸氣作用下，掘進工作面前方巖體內的冰將融化成水，而飽含水的巖體，強度要低于原始巖體；此時實施遠距離爆破，可確保一次性揭開巖層，不會出現因多次揭煤而誘導突出事故的現象。

實施例：

煤層厚度3m，巷道高3m，寬4m；起始位置（A-A位置）距煤體的垂直距離20m，遠距離震動爆破的揭煤位置（B-B）距煤體的垂直距離2m。施工瓦斯排放鉆孔23共11行，71個。所述鉆孔23前期用于瓦斯排放，后期，用于注水、注冷凍液、爆破和注高溫水蒸氣。

輸水管1、15為空心鋼管，直徑50mm，壁厚2mm，長10m；聯接膠管2、9、17的制作材料為橡膠，長1m，外徑10mm，壁厚1mm；閥門3、5、10、12、18、20的型號為RQZ系列安全切斷閥。

注水泵4、注液泵11為3ZBQS1210型煤礦用雙液氣動注漿泵；高壓膠管6、13、21為液壓膠管，外徑42mm，壁厚2mm；其中，高壓膠管6、13長10m，由于高壓膠管21用于輸送高溫水蒸氣時的遠距離作業需要，長度可達500m；注水管束7、注液管束14和注氣管束22也為液壓膠管，其中的每一根膠管，長2m，外徑20mm，壁厚2mm。

冷凍液櫥柜8為LNG低溫儲罐，低溫冷凍液為酒精；加熱器16為RGZ系列優質循環加熱器；氣體壓縮機19為GGPD系列氣體增壓泵。

上述各部件之間主要采用螺紋聯接。