一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法及密闭装置

专利名称：一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法及密闭装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410219216.0

专利申请（专利权）人：中国石油大学(华东)
权利人地址：山东省青岛市黄岛区长江西路66号

专利发明（设计）人：王超杰,葛超凡,刘宛欣,李晓伟,徐长航,张纪远,李凯

专利摘要：本发明记载了一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法，包括步骤：S1，获取掘进工作面前方煤体瓦斯压力和煤体径向应力；S2，设置密闭装置，使其与前方煤体形成密闭腔室；S3，在密闭装置上分别设置进气口、电子压力表和排气口；进气口用于向密闭腔室内充入惰性保护气体，并使密闭腔室内维持设定的气压值；电子压力表用于实时显示密闭腔室内部的气体压力数值；排气口用于连接负压装置，用于排出密闭腔室内部的气体；S4，在爆破或综掘作业后，通过负压装置抽取密闭腔室内的气体；S5，拆除密闭装置，开始清理落煤作业。本发明记载的方法，能够消除因抽采不达标造成的抽采空白带和突出预测盲区，避免因局部区域突出危险性判定有误而触发的突出事故。

主权利要求：
1.一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，获取井下掘进工作面前方煤体瓦斯压力和煤体径向应力；
所述煤体瓦斯压力为掘进工作面所在煤层区域残余最大瓦斯压力，其计算公式为：式中，
p为煤层瓦斯压力，MPa；
3
Q为煤层瓦斯含量，m/t；
3 1/2
α为煤层瓦斯含量系数，m/(t·MPa )；
所述煤体径向应力的计算公式为：
式中，
σrp为工作面前方塑性区含瓦斯煤体上的径向应力，MPa；
为煤体的内摩擦角，°；
r为煤体距工作面的距离，m；
r0为工作面的等效圆半径，m；
S2，设置密闭装置，所述密闭装置与掘进工作面前方煤体形成密闭腔室；
S3，在所述密闭装置上分别设置进气口、电子压力表和排气口；所述进气口用于连接充气装置，用于向所述密闭腔室内充入惰性保护气体，并使所述密闭腔室内维持设定的气压值；所述电子压力表用于实时显示所述密闭腔室内部的气体压力数值；所述排气口用于连接负压装置，用于排出所述密闭腔室内部的气体；
所述密闭腔室内部设定气压值的计算公式为：式中，
p0为密闭腔室内的气体压力，MPa；
ps为煤体内的瓦斯压力，MPa；
σr为煤体上的径向应力，MPa；
3/2
KIC为煤体断裂韧性，MN/m ；
π为圆周率，取值3.1415；
a为煤体裂纹半径，m；
S4，在爆破或综掘作业后，通过负压装置抽取所述密闭腔室内的气体；
S5，拆除所述密闭装置，开始清理落煤作业。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法，其特征在于，所述密闭装置距离掘进工作面≦10m。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法，其特征在于，在安装密闭装置前，在巷道两侧煤壁和巷道底板处切割出≧10cm深的凹槽，用于使密闭装置边缘嵌入所述凹槽内。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法，其特征在于，步骤S4中，爆破或综掘作业后，通过负压装置抽取密闭腔室内的气体的设置为：a.若煤炭综采继续推进，密闭装置不需要拆除，则所述密闭腔室内的气体压力应≧p0；b.若需拆除密闭装置，则在拆除作业之前，将所述密闭腔室内的气体压力降至环境大气压。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法的煤矿井下掘进工作面突出防治密闭装置，其特征在于，所述密闭装置包括框架、气囊袋和固定机构；
所述框架包括两个相对设置的立柱，以及安装在所述立柱上端的拱形架，所述框架贴合巷道侧壁和顶板设置；
所述气囊袋用于充气膨胀后对巷道进行密闭封堵，其表面沿对角线均布设置有固定环；
所述固定机构与所述框架固定连接，用于固定所述气囊袋；
所述固定机构包括固定网、固定柱、螺栓和双头螺纹连杆；
所述固定网安装于所述框架内部，其表面设置有挂钩，用于安装和固定所述气囊袋；
所述固定柱设置在所述立柱上，其端面设置有内螺纹螺栓；
所述双头螺纹连杆的两端分别安装在相对的所述内螺纹螺栓内；
所述气囊袋在其表面沿对角线均布设置有所述固定环。
6.根据权利要求5所述的一种煤矿井下掘进工作面突出防治密闭装置，其特征在于，所述密闭装置的使用方法包括以下步骤：a.将框架安装在巷道内部，并使固定柱背离采掘工作面；检查确认立柱和拱形架分别嵌入巷道内壁和顶板，使用锚杆进行固定；
b.将固定网固定安装在框架内侧面；
c.取出气囊袋展开，通过气囊袋上设置的固定环可以快速的将其安装在固定网上；
d.将双头螺纹连杆的两端分别插入螺栓内，紧固后完成安装，从而将气囊袋固定在固定机构内部。 说明书 : 一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法及密闭装置技术领域[0001] 本发明涉及煤矿安全中突出防治技术领域，尤其涉及一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法及密闭装置。背景技术[0002] 煤与瓦斯突出灾害以长期性、复杂性和反复性多态势制约煤矿安全开采，近年突出事故的不间断发生，亦表明突出灾害防治已进入瓶颈期。现公开的众多突出事故报告已表明，因煤层局部构造发育，构造附近煤体由于力学强度低、瓦斯运移通道连通性差，易造成瓦斯抽采效率低、抽采不达标，抑或形成抽采空白带，进而演变成为煤与瓦斯突出预测盲区。而目前针对煤层这种发育特点，除补充瓦斯抽放措施，还未有较好的防治方法，突出危险性预测不出或预测不准已成为煤与瓦斯突出防治的技术瓶颈。[0003] 目前煤与瓦斯突出机理的研究表明，突出是由地应力、瓦斯压力及煤体力学强度综合作用的结果，而瓦斯压力与掘进工作面煤体残余应力间的量化关系对于煤体破坏，诱发突出至关重要。因此，针对突出孕育过程中不同阶段所满足的力学条件，人为介入施加措施以阻碍突出孕育过程的关键阶段发展，是突出防治工作的关键技术核心。[0004] 现有研究已指出，突出孕育过程中当掘进工作面煤体瓦斯压力与地应力间满足一定的量化关系时，煤体即会大面积破坏，进而推动突出的发生。基于此，在掘进工作面后方通过设置一定的密闭空间，提高密闭空间气体压力，进而平衡工作面煤体瓦斯压力与地应力间的量化关系，则可阻碍煤体的进一步破坏，相应起到遏制突出的作用。此外，关于掘进巷道密闭装置，虽已有类似发明，但以往装置仅是为了抽采上隅角等局部瓦斯，或者起到井下空间的临时密闭，防止人员误入。对于使得密闭空间快速提升气体压力的要求均难以满足，且不具备较高的抗压力冲击能力。为此，亟需研发一种掘进工作面突出防治方法填补现有技术的空白。发明内容[0005] 为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法及密闭装置。[0006] 本发明的技术方案为：[0007] 一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法，包括以下步骤：[0008] S1，测量获取井下掘进工作面前方煤体瓦斯压力和煤体径向应力；[0009] S2，设置密闭装置，该密闭装置与掘进工作面前方煤体形成密闭腔室；[0010] S3，在密闭装置上分别设置进气口、电子压力表和排气口；所述进气口用于连接充气装置，用于向所述密闭腔室内充入惰性保护气体，并使所述密闭腔室内维持设定的气压值；所述电子压力表用于实时显示所述密闭腔室内部的气体压力数值；所述排气口用于连接负压装置，用于排出所述密闭腔室内部的气体；[0011] S4，在爆破或综掘作业后，通过负压装置抽取密闭腔室内的气体；[0012] S5，拆除密闭装置，开始清理落煤作业。[0013] 进一步的，步骤S1中，所述煤体瓦斯压力为掘进工作面所在煤层区域残余最大瓦斯压力，其计算公式为：[0014][0015] 式中，[0016] p为煤层瓦斯压力，MPa；[0017] Q为煤层瓦斯含量，m3/t；[0018] α为煤层瓦斯含量系数，m3/(t·MPa1/2)。[0019] 进一步的，步骤S1中，所述煤体径向应力的计算公式为：[0020][0021] 式中，[0022] σrp为工作面前方塑性区含瓦斯煤体上的径向应力，MPa；[0023] 为煤体的内摩擦角，°；[0024] r为煤体距工作面的距离，m；[0025] r0为工作面的等效圆半径，m。[0026] 进一步的，所述密闭装置距离掘进工作面≦10m。[0027] 进一步的，在安装密闭装置前，在巷道两侧煤壁和巷道底板处切割出≧10cm深的凹槽，用于使密闭装置边缘嵌入所述凹槽内。[0028] 进一步的，所述密闭腔室内部设定气压值的计算公式为：[0029][0030] 式中，[0031] p0为密闭腔室内的气体压力，MPa；[0032] ps为煤体内的瓦斯压力，MPa；[0033] σr为煤体上的径向应力，MPa；[0034] KIC为煤体断裂韧性，MN/m3/2；[0035] π为圆周率，取值3.1415；[0036] a为煤体裂纹半径，m。[0037] 进一步的，步骤S4中，爆破或综掘作业后，通过负压装置抽取密闭腔室内的气体的设置为：a.若煤炭综采继续推进，密闭装置不需要拆除，则所述密闭腔室内的气体压力应≧p0；b.若需拆除密闭装置，则在拆除作业之前，将所述密闭腔室内的气体压力降至环境大气压。[0038] 一种煤矿井下掘进工作面突出防治密闭装置，所述密闭装置包括框架、气囊袋和固定机构；所述框架包括两个相对设置的立柱，以及安装在所述立柱上端的拱形架，所述框架贴合巷道侧壁和顶板设置；所述气囊袋用于充气膨胀后对巷道进行密闭封堵，其表面沿对角线均布设置有固定环；所述固定机构与所述框架固定连接，用于固定所述气囊袋。[0039] 进一步的，所述固定机构包括固定网、固定柱、螺栓和双头螺纹连杆；所述固定网安装于所述框架内部，其表面设置有挂钩，用于安装和固定所述气囊袋；所述固定柱设置在所述立柱上，其端面设置有内螺纹螺栓；所述双头螺纹连杆的两端分别安装在相对的所述内螺纹螺栓螺栓内。[0040] 进一步的，所述气囊袋在其表面沿对角线均布设置有所述固定环。[0041] 进一步的，所述密闭装置的使用方法包括以下步骤：[0042] a.将框架安装在巷道内部，并使固定柱背离采掘工作面；检查确认立柱和拱形架分别嵌入巷道内壁和顶板，使用锚杆进行固定；[0043] b.将固定网固定安装在框架内侧面；[0044] c.取出气囊袋展开，通过气囊袋上设置的固定环可以快速的将其安装在固定网上；[0045] d.将双头螺纹连杆的两端分别插入螺栓内，紧固后完成安装，从而将气囊袋固定在固定机构内部。[0046] 本发明的有益效果为：[0047] 1.本发明记载的方法，通过人为介入施加措施，能够阻碍突出孕育过程的关键阶段发展，能够消除因局部瓦斯异常带存在的突出危险性区域，同时也能够作为未来无人工作面开采，毋需预抽煤层瓦斯，而可正常安全掘进的瓦斯治理关键技术。尤其是可消除因抽采不达标，抑或形成抽采空白带，进而演变成的突出预测盲区，进而能够避免因局部区域突出危险性判定有误而触发的突出事故。[0048] 2.本发明记载的方法，操作简便，可极大地缩短掘进工作面瓦斯治理等突出防治作业时间和作业量，具有显著的经济效益和社会效益。[0049] 3.本发明记载的密闭装置，气囊袋充气膨胀后能够稳固的夹持固定在固定机构内部，避免因采掘冲击等造成的气囊袋摇晃摆动，进而避免导致密闭封堵效果不佳或失效，从而完成密封巷道的作业目的。固定网设置在密闭腔室内部，面对采掘工作面设置，爆破或综掘作业过程中能够起到有效的抗冲击作用，并能够避免气囊袋因煤屑、碎石能冲击造成的破损，延长气囊袋使用寿命。在完成爆破或综掘作业后需要拆除密闭装置时，双头螺纹连杆、以及气囊袋的挂钩设置，均能够起到快速拆除密闭装置的作业效果，提高巷道内作业效率。附图说明[0050] 图1：本发明示例性实施例中防治方法结构示意图；[0051] 图2：本发明示例性实施例中密闭装置结构示意图(1)；[0052] 图3：本发明示例性实施例中密闭装置结构示意图(2)；[0053] 图4：本发明示例性实施例中密闭装置框架结构示意图。[0054] 符号说明[0055] 1‑煤体，2‑掘进工作面，3‑密闭装置，4‑气体抽放孔，5‑电子压力表，6‑气体注入口，7‑巷道；[0056] 31‑立柱,32‑拱形架,33‑锚杆,34‑固定网,35‑固定柱,36‑螺栓,37‑挂钩。具体实施方式[0057] 以下结合附图，以实施例的方式详细描述本发明。[0058] 本发明记载了一种煤矿井下掘进工作面突出防治方法，具体包括以下步骤。[0059] S1，获取井下掘进工作面前方煤体瓦斯压力和煤体径向应力。[0060] 作为优选的方式：[0061] 1.煤体瓦斯压力设置为掘进工作面所在煤层区域原始瓦斯压力，或设置为残余最大瓦斯压力。[0062] 其计算方法为：[0063] a.通过直接测定法现场测定，测定方法参见标准AQ/T1047‑2007；[0064] b.通过下述公式间接计算获得：[0065][0066] 式中，[0067] p为煤层瓦斯压力，MPa；[0068] Q为煤层瓦斯含量，m3/t；[0069] α为煤层瓦斯含量系数，m3/(t·MPa1/2)。[0070] 2.煤体径向应力为沿掘进方向卸载后地应力，其计算公式为：[0071][0072] 式中，[0073] σrp为工作面前方塑性区含瓦斯煤体上的径向应力，MPa；[0074] 为煤体的内摩擦角，°；[0075] r为煤体距工作面的距离，m；[0076] r0为工作面的等效圆半径，m。[0077] S2，在巷道内设置密闭装置，该密闭装置与掘进工作面前方煤体形成密闭腔室。[0078] 作为优选的：[0079] 1.密闭装置与掘进工作面的相对距离≦10m。[0080] 2.为获得较好的密闭效果和支撑效果，在安装密闭装置前，通过下述步骤进行预安装设置：[0081] a.在巷道两侧煤壁和巷道底板处切割出≧10cm深的凹槽；[0082] b.密闭装置边缘嵌入该凹槽内；[0083] c.采用锚杆固定，将密闭装置与煤壁以及巷道顶板贴合固定；[0084] d.使用膨胀剂，例如聚氨酯，将密闭装置与煤岩体接缝处作进一步密封。[0085] S3，在密闭装置上分别设置进气口、电子压力表和排气口。[0086] 进气口用于连接充气装置，用于向密闭腔室内充入惰性保护气体，例如N2，并使腔室内获得设定的气压值；[0087] 电子压力表用于实时显示密闭腔室内部的气体压力数值，便于控制和调整充气作业；[0088] 排气口用于连接负压装置，用于煤体爆破、综掘等作业后排出密闭腔室内部的气体。[0089] 为获得较好的可操作性，进气口设置在密闭装置上端，靠近巷道顶板设置；排气口设置在密闭装置下端，靠近巷道底板设置。[0090] 本步骤中，密闭腔室内部设定气压值的计算公式为：[0091][0092] 式中，[0093] p0为密闭腔室内的气体压力，MPa；[0094] ps为煤体内的瓦斯压力，MPa；[0095] σr为煤体上的径向应力，MPa；[0096] KIC为煤体断裂韧性，MN/m3/2；[0097] π为圆周率，取值3.1415；[0098] a为煤体裂纹半径，m。[0099] S4，在爆破或综掘作业后，通过负压装置抽取密闭腔室内的气体，并将气体排入瓦斯抽放管道。[0100] 综掘作业过程如需人员进入密闭腔室内进行作业，则应携带氧气瓶等氧气供应装备。[0101] 通过负压装置抽取密闭腔室内气体，作为优选的实施方式：[0102] a.若煤炭综采继续推进，密闭装置不需要拆除，则密闭腔室内的气体压力应≧p0，p0为步骤S3中密闭腔室内的设定气压值；[0103] b.若需拆除密闭装置，则在拆除作业之前，将密闭腔室内的气体压力降至不低于环境大气压即可。[0104] S5，拆除密闭装置，开始清理落煤作业。[0105] 在本实施例中，[0106] 为获得较好的密闭效果和支撑效果，以及能够便捷的完成拆装作业，本发明还记载了一种密闭装置，该密闭装置包括框架、气囊袋和固定机构。[0107] 框架[0108] 框架包括两个相对设置的立柱，以及安装在立柱上端的拱形架。立柱贴合巷道侧壁设置，并部分嵌入预设的侧壁凹槽内；拱形架贴合巷道顶板设置，并部分嵌入预设的巷道顶板凹槽内。[0109] 立柱和拱形架的尺寸匹配巷道内部尺寸设置，并优选使用槽钢制作，以获得较好的机械强度。[0110] 进一步的，立柱和拱形架通过锚杆与巷道侧壁以及顶板固定连接。[0111] 气囊袋[0112] 气囊袋采用弹性材料制作，例如橡胶，用于充气后膨胀从而对巷道进行密闭封堵。气囊袋的形状尺寸匹配框架设置，并在其表面沿对角线均布设置≧10个的固定环。[0113] 气囊袋设有多个进气孔，例如≧4个，通过连接充气设备，能够快速的完成充气膨胀。[0114] 固定机构包括固定网、固定柱、螺栓和双头螺纹连杆。[0115] 固定网采用钢丝网制作，安装于框架内部，用于安装和固定气囊袋。[0116] 固定网优选设置为3cm*3cm规格的网孔，并沿对角线设置有配合气囊袋固定环的挂钩，用于安装和固定气囊袋。[0117] 固定柱垂直设置在框架的立柱上，优选间隔10‑15厘米设置。固定柱的高度可根据使用的气囊袋膨胀后的厚度尺寸进行设置。[0118] 螺栓安装在固定柱的端面，并设置有内螺纹。[0119] 双头螺纹连杆的两端分别安装在相对的螺栓内。[0120] 密闭装置上还设置有进气口、电子压力表和排气口，其中，进气口和排气口可通过本技术领域普遍使用的方法进行设置，例如在框架的立柱或者拱形架上开孔并焊接进气管或出气管进行设置。[0121] 以下对密闭装置的使用方法作出详细描述，包括以下步骤：[0122] a.将框架安装在巷道内部，并使固定柱背离采掘工作面；检查确认立柱和拱形架分别嵌入巷道内壁和顶板，使用锚杆进行固定；[0123] b.将固定网固定安装在框架内侧面；[0124] c.取出气囊袋展开，通过气囊袋上设置的固定环可以快速的将其安装在固定网上；[0125] d.将双头螺纹连杆的两端分别插入螺栓内，紧固后完成安装，从而将气囊袋固定在固定机构内部。[0126] 通过上述密闭装置，气囊袋充气膨胀后能够稳固的夹持固定在固定机构内部，避免因采掘冲击等造成的气囊袋摇晃摆动，进而避免导致密闭封堵效果不佳或失效，从而完成密封巷道的作业目的。[0127] 固定网设置在密闭腔室内部，面对采掘工作面设置，爆破或综掘作业过程中能够起到有效的抗冲击作用，并能够避免气囊袋因煤屑、碎石能冲击造成的破损，延长气囊袋使用寿命。[0128] 在完成爆破或综掘作业后需要拆除密闭装置时，双头螺纹连杆、以及气囊袋的挂钩设置，均能够起到快速拆除密闭装置的作业效果，提高巷道内作业效率。[0129] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

专利地区：山东

专利申请日期：2024-02-28

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN117868984B