[發明專利]一種等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法和裝置

有效

• 申請號: 201910512068.0
• 申請日: 2019-06-13
• 公開（公告）號: CN110388206B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 宋誠;毋皓田;白錦文;張純旺;馮國瑞;李化運;李松玉;冉洪宇;康立勛
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: E21C41/18
• 分類號: E21C41/18;E21C37/18;E21C37/12
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

1.一種等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：用高壓電纜將等離子體脈沖控制器、等離子體發生器、電極穩固裝置、液相放電等離子體電極連接；同時用信號傳輸線將等離子體脈沖控制器、數據采集儀、信號放大器、檢波探頭連接；再用兩用水管將儲水罐、高壓泵、冷卻器、等離子體發生器連接形成完整回路，通過等離子體發生器冷卻控制閥控制開關；最后用兩用水管將高壓泵、壓力表、高壓水噴頭連接，通過高壓水噴頭控制閥控制開關；并與井下供電系統相連接；

步驟二：確定下伏煤層工作面與殘采區遺留煤柱的位置關系，在殘采區遺留煤柱斜下方的應力降低區，距工作面端頭一定距離處的運輸順槽和回風順槽的頂板巖層中分別向殘采區遺留煤柱打孔間距d為6～10米的鉆孔，等離子體致裂鉆孔和檢波鉆孔分別到殘采區遺留煤柱的中央位置停止打鉆；

步驟三：將兩用水管、高壓水噴頭，液相放電等離子體電極、電極穩固裝置、高壓電纜穿過鉆孔封隔器，并布置在第二步鉆取的等離子體致裂鉆孔的內部，使鉆孔封隔器膨脹封孔，同時將信號傳輸線、檢波探頭布置在第二步鉆取的檢波鉆孔的頂部；

步驟四：打開高壓水噴頭控制閥，儲水罐內的水經高壓泵、兩用水管、高壓水噴頭射入等離子體致裂鉆孔中，通過壓力表觀察，當水充滿等離子體致裂鉆孔內部時，關閉高壓水噴頭控制閥；

步驟五：交流電經過等離子體發生器、高壓電纜、電極穩固裝置、液相放電等離子體電極放電后，電能迅速轉換為沖擊能，充水等離子體致裂鉆孔中的壓力迅速增加，使殘采區遺留煤柱的原始裂隙開始擴展并產生新的裂隙；同時檢波探頭接收到液相放電等離子體電極發出的信號，通過信號放大器、信號傳輸線傳到數據采集儀，并分析接收到的反射波形延遲時間頻譜情況，對殘采區遺留煤柱的裂隙發育情況進行分析，操作等離子體脈沖控制器從而調整放電頻率，直至等離子體致裂鉆孔周圍的遺留煤柱實現致裂；關閉等離子體發生器；

步驟六：回收高壓電纜、電極穩固裝置、液相放電等離子體電極和兩用水管、高壓水噴頭以及檢波探頭，然后打開等離子體發生器冷卻控制閥，儲水罐的水通過兩用水管經高壓泵、冷卻器、等離子體發生器回到儲水罐，對等離子體發生器進行冷卻降溫后，關閉等離子體發生器冷卻控制閥，最后封堵等離子體致裂鉆孔；

步驟七：將檢波鉆孔作為下一個等離子體致裂鉆孔，并調整鉆孔角度，按照第二步的要求鉆取新的檢波鉆孔，重復步驟三至步驟六，直至殘采區遺留煤柱全部致裂完成；

步驟八：當下伏煤層采煤工作面繼續推進遇到殘采區遺留煤柱時，重復步驟二至步驟七，直至下伏煤層開采結束。

2.根據權利要求1所述的等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法，其特征在于：所述的步驟二，鉆孔位于距工作面端頭L為15米～25米處的運輸順槽和回風順槽的頂板巖層中，鉆孔直徑d_o為120mm～280mm。

3.根據權利要求1所述的等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法，其特征在于：所述的步驟二，等離子體致裂鉆孔和檢波鉆孔與殘采區遺留煤柱的夾角a范圍在25o～75o，確保最終致裂裂縫與工作面呈斜交狀態。

4.根據權利要求1所述的等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法，其特征在于：所述的步驟三，鉆孔封隔器工作壓力為20MPa～40MPa，鉆孔封隔器距鉆孔頂部1m～3m。

5.根據權利要求1所述的等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法，其特征在于：所述的步驟三，鉆孔封隔器為自封式、壓縮式或組合式鉆孔封隔器中的一種。

6.根據權利要求1所述的等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法，其特征在于：所述的步驟四，儲水罐內的水使用過濾后的礦井水。

7.根據權利要求1所述的等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法，其特征在于：所述的步驟四，充水的等離子體致裂鉆孔中加入電解質溶液，所述電解質溶液包括NaOH溶液。

8.根據權利要求1所述的等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法，其特征在于：所述的步驟五，液相放電等離子體電極放電電壓為100kV～220kV，放電頻率為100Hz～600Hz。

9.一種等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的裝置，用于實施權利要求1~8任一項所述的等離子體上行致裂殘采區遺留煤柱的方法，其特征在于：包括等離子體發生器，等離子體脈沖控制器，高壓電纜，電極穩固裝置，液相放電等離子體電極，數據采集儀，信號放大器，信號傳輸線，檢波探頭，儲水罐，高壓泵，冷卻器，壓力表，兩用水管，高壓水噴頭，等離子體發生器冷卻控制閥，高壓水噴頭控制閥；

等離子體脈沖控制器、等離子體發生器、電極穩固裝置、液相放電等離子體電極通過高壓電纜連接；等離子體發生器將電能通過高壓電纜、電極穩固裝置、液相放電等離子體電極進行釋放，其中高壓電纜負責將電能進行傳輸，電極穩固裝置保證液相放電等離子體電極的正常工作；

等離子體脈沖控制器、數據采集儀、信號放大器、檢波探頭依次通過信號傳輸線連接；檢波探頭負責接收穿過煤/巖體的波形信號，并通過信號傳輸線將波形數據傳輸到信號放大器，信號放大器將波形數據進行放大處理后，最終傳輸到數據采集儀，數據采集儀將得到的波形數據進行分析，判斷煤/巖體的致裂效果；

儲水罐、高壓泵、冷卻器、等離子體發生器、通過兩用水管連接形成完整回路，通過等離子體發生器冷卻控制閥T₁控制開關；高壓泵將儲水罐的水通過兩用水管再經冷卻器冷卻后，輸送到等離子體發生器，對等離子體發生器進行降溫，避免等離子體發生器過熱，而無法使用；高壓泵、壓力表、高壓水噴頭通過兩用水管連接，通過高壓水噴頭控制閥T₂控制開關；高壓泵將儲水罐的水通過兩用水管輸送到高壓水噴頭，最后通過高壓水噴頭噴出。