[发明专利]一种预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法

说明书

本发明公开了一种预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，在开采上部煤层的同时，在掌握上下煤层间距，层间岩层性质以及火成岩坚硬岩层的侵入状况的前提下，在开采上部煤层的同时，通过在上部工作面底板合理布置钻孔，注入高压酸溶液，通过压裂酸化机组控制注入酸溶液的压力，一方面利用压力使坚硬火成岩岩层产生裂缝；另一方面利用酸溶液的化学反应作用进一步对坚硬的火成岩岩层进行软化，最终实现安全高效破裂和软化下煤层坚硬火成岩顶板的效果。该方法在开采上部煤层的同时钻孔注酸，破坏了下部煤层的坚硬顶板结构，降低其强度；减弱甚至避免了下部煤层开采时，火成岩坚硬顶板对工作面正常开采及对人员设备可能造成的危害。

技术领域

本发明涉及一种预裂和软化火成岩坚硬顶板，保证工作面安全高效通过火成岩侵入区的方法，具体涉及一种提前钻孔、注高压酸溶液破裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术

随着侏罗系煤碳资源的日益减少，石炭二叠系煤层的开采已逐步展开，并成为当下的主煤层。然而在该煤系地层地质条件复杂多变，其中火成岩侵入后形成的岩床及其对煤岩层性质的破坏成为制约煤层安全高效开采的很总要因素。火成岩的侵入，一方面使煤层硅化严重，损失大量优质煤，另一方面形成坚硬顶板，改变了煤层围岩性质和结构。

坚硬的火成岩顶板由于具有强度高、致密与完整性好、节理与裂隙发育不够、存在稳定性较高的夹石层等特征，导致在工作面回采过程中顶板不易垮落，尤其是在初次来压之前，顶板容易形成大面积悬顶，严重的甚至可能形成矿震。这不仅造成工作面漏风严重，易引起工作面瓦斯积聚以及采空区遗煤自燃等一系列问题，而且在大面积悬顶垮落时产生的强烈的冲击气流，易导致工作面出现如瓦斯突出等冲击灾害，严重威胁煤矿工人的人身安全以及生产设备的稳定运转，给煤矿安全生产带来严峻挑战。

然而，火成岩顶板在成的危害往往具有一定的突发性，给现场处理造成极大的困难，严重制约着安全高效生产。例如大同矿区开采石炭二叠系煤层群，该煤系地层可采煤层为山4号煤层，2号煤层，3号煤层，3-5号特厚煤层以及8号煤层。各煤层均不同程度受火成岩侵入，而3-5号特厚煤层的顶部受大面积层状火成岩侵入，形成大范围的火成岩坚硬顶板。特厚煤层本身采动范围大，再加上坚硬顶板的影响，往往会产生难以控制的顶板事故。

现有的处理坚硬顶板的方法主要有水压致裂软化顶板(中国专利CN 104790951 A公开了弱化距煤层100～350m高位坚硬顶板的方法及装置，中国专利CN 103527198 B公开了切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法)和爆破预裂软化(中国专利CN 103206903 B公开了一种坚硬顶板定向承压爆破控制方法，中国专利CN 103278055 B公开了一种坚硬顶板深孔预裂爆破切顶卸压方法)。爆破预裂的方式管理复杂，涉及到炸药、雷管的管理运输，放炮要严格执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”；爆破瞬时产生的大量CO等有害气体给矿井通风安全管理造成巨大影响，形成安全隐患；而且爆破经济成本较高。受现有技术及设备的限制，高压注水条件下设备要求条件高且存在一定的安全隐患，故坚硬顶板条件下的水压致裂弱化技术控制效果并不显著。此外，上述两类方法均在本煤层的开采过工程中实施，对于煤层的开采效率有极大的影响，并且处理顶板的过程极易出现顶板不可控的局面，对于工作面的安全有极大威胁。若能通过一定方法，在开采具有坚硬顶板的煤层之前就将坚硬顶板予以预裂和软化，提前将坚硬顶板存在的潜在威胁排除，这样就能实现工作面的安全高效生产。而事实上，石炭二叠系3-5号特厚煤层上方30m范围内距存在两层主要可采煤层，分别为山4号煤层和2号煤层，而这两层煤的开采条件相对简单，并且距离下部火成岩坚硬顶板距离较近，这样就为提前预裂和软化下部火成岩坚硬顶板提供很好的实施条件。

发明内容

本发明旨在提供一种预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，针对工程实际中在工作面直接实施顶板预裂存在影响工作面安全高效生产的问题，在开采上部近距离煤层的同时在其底板岩层(即下部煤层的顶板岩层)钻孔，并注入高压酸溶液，实现提前破裂和软化下部煤层坚硬顶板的目的，在避免坚硬顶板事故，充分保证工作面人员和设备安全的前提下，最大限度的提高工作面的生产效率。