[发明专利]基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法及应用

权利要求书

1.一种基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：分析煤柱底板应力分布规律，确定煤柱应力对下煤层开采的影响区域；

步骤2：依据煤柱应力对下煤层开采的影响区域，在煤柱影响区域和非煤柱影响区域的巷道每隔5m布置一个电磁辐射监测点，采用电磁辐射监测仪对巷道围岩电磁辐射能量变化进行实时监测，煤岩体所受的应力越高，煤岩体的电磁辐射信号越强；

步骤3：从地表打孔，在煤柱及其顶板岩层进行可控冲击波预裂；

步骤4：撤出冲击波发生设备，在钻孔内煤柱上方安装连接有注液胶管的自动封孔器，注液胶管与地面的注液系统相连接；封孔后在注液管路内注入丙酮溶液，使丙酮溶液与煤体的矿物晶体、胶结物产生物理化学作用，从而对预裂范围的煤岩层的强度进行弱化；直至通过电磁辐射监测到煤柱影响区域巷道围岩应力等于或低于非煤柱影响区域的围岩应力。

2.根据权利要求1所述的基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法，其特征在于，所述步骤1的过程如下：

步骤1.1：以煤柱下边界为x轴，垂直煤柱向下方向为y轴，煤柱下边界的中心位置或左侧边界点为坐标原点，建立直角坐标系；

步骤1.2：采用现场实测或理论分析的方法，得到煤柱载荷分布函数q(x)；

步骤1.3：取距坐标原点距离为ξ，宽度为dξ的微小区段研究，其中M(x,y)为煤柱底板周围煤岩体中任意一点，x、y分别为该点在直角坐标系中的横、纵坐标；根据半平面体理论，结合公式(1)求得在载荷分布函数q(x)作用下任意一点M处的垂直应力σ_y：

其中，a、b分别为煤柱两侧边界点在x方向上的坐标值；

步骤1.4：建立煤柱底板应力传递的力学模型，将垂直应力公式(1)、载荷分布函数q(x)以及煤柱底板的计算范围输入模型中，通过力学分析软件模拟得到煤柱底板的垂直应力分布云图，从而确定上部煤柱底板对下煤层的应力影响范围；

步骤1.5：若煤柱底板的应力未传递至下部待开采煤层，则煤柱不进行弱化；若煤柱底板的应力影响至下部待开采煤层时，则执行步骤2。

3.根据权利要求1所述的基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法，其特征在于，所述步骤3的过程如下：

步骤3.1：用钻杆将冲击波设备送至孔底第1个冲击波作业点，即煤柱位置，向孔内注入清水，并对孔口进行密封，然后开启电源，对冲击波作业点进行4-8次的冲击波作业；

步骤3.2：利用定向钻机将冲击波设备回退至孔内第2个冲击波作业点位，即煤柱上方3-6m处，重复步骤3.1，完成第2个冲击波作业点的增透作业。

4.根据权利要求1所述的基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法，其特征在于，所述步骤4的过程如下：

步骤4.1：撤出冲击波发生设备，在钻孔内煤柱上方安装连接有注液胶管的自动封孔器，注液胶管与地面的注液系统相连接；封孔后在注液管路内注入丙酮溶液，使丙酮溶液与煤体的矿物晶体、胶结物产生物理化学作用，使煤层内部形成若干缺陷，从而对预裂范围的煤岩层的强度产生弱化作用；

步骤4.2：采用电磁辐射监测方法，通过电磁辐射强度值反演得到煤柱下方的应力变化情况；

步骤4.3：监测丙酮溶液弱化后煤柱下方区域的应力变化情况，直至煤柱下方巷道围岩应力等于或低于非煤柱区域的围岩应力。

5.根据权利要求1所述的基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法，其特征在于，所述丙酮溶液质量浓度为2％-5％。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法在采空区瓦斯抽采中的应用，其特征在于：通过基于可控冲击波的上部采空区遗留煤柱卸压方法处理之后，在可控冲击波和丙酮溶液作用下，煤柱及顶底板岩层孔隙、裂隙发育；采用水力压裂的方法，促使裂隙进一步发育，直至裂隙与采空区联通，为瓦斯抽空创造条件；水力压裂结束后，在地面抽采负压的作用下，利用钻孔进行瓦斯抽采。

7.根据权利要求1所述的基于可控冲击波上部遗留煤柱卸压的采空区瓦斯抽采方法，其特征在于，所述在地面抽采负压的作用下，利用钻孔进行瓦斯抽采的过程如下：

S1：水力压裂结束后，将孔内液体排干，安装瓦斯抽放管路，在地面抽采负压的作用下，瓦斯沿煤柱及顶板岩层的裂隙向钻孔区域聚集，通过瓦斯抽采管道对采空区瓦斯进行抽采；

S2：若发现瓦斯抽放效果不佳，则继续采用水力压裂或注入丙酮溶液进一步改善煤柱及顶板岩层的透气性。