本發(fā)明涉及一種巖石強(qiáng)度控制裝置，特別是關(guān)于一種能夠根據(jù)石門揭煤需要對(duì)其圍巖強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化與弱化處理的石門揭煤前的圍巖強(qiáng)度控制裝置與方法。

背景技術(shù)：

眾所周知，對(duì)于突出煤層開(kāi)采來(lái)說(shuō)，石門揭煤既是一項(xiàng)非常危險(xiǎn)的工藝，同時(shí)，也是一項(xiàng)必不可少的工藝。很多煤礦企業(yè)，在石門揭煤過(guò)程中，發(fā)生過(guò)等級(jí)較高的煤與瓦斯突出事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。石門揭煤發(fā)生煤與瓦斯突出事故的原因有多種，圍巖的強(qiáng)度失去控制就是其中一個(gè)非常重要的原因。

當(dāng)圍巖強(qiáng)度過(guò)低（如圍巖松軟、破碎及存在斷層等）時(shí)，處于高應(yīng)力和高瓦斯壓力狀態(tài)下的煤體，會(huì)沖開(kāi)圍巖，發(fā)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(fā)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(nèi)存在斷層，弱化了巖體的強(qiáng)度。

當(dāng)圍巖強(qiáng)度過(guò)高，如花崗巖等，在炸藥量額定爆破揭煤時(shí)，難以一次性把石門揭開(kāi)，必須重復(fù)多次進(jìn)行揭煤作業(yè)，這也容易誘導(dǎo)突出事故；2009年5月30日重慶市同華煤礦在揭煤作業(yè)過(guò)程中，發(fā)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(gè)石門揭開(kāi)，在第四次爆破揭煤作業(yè)時(shí)，誘導(dǎo)了煤與瓦斯突出。

目前，有關(guān)石門揭煤前的圍巖強(qiáng)度控制方面的工藝和方法，主要是對(duì)破碎圍巖進(jìn)行注漿加固和在圍巖內(nèi)插入鋼管提高其整體強(qiáng)度。上述措施主要考慮的是增強(qiáng)圍巖抵御突出的能力，而未考慮到在爆破揭煤作業(yè)之前，如何降低該圍巖強(qiáng)度，以免發(fā)生石門不能一次性揭開(kāi)的現(xiàn)象。

既能在巖巷掘進(jìn)中增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度，有效提高圍巖的防突能力，又能在爆破揭煤作業(yè)之前對(duì)該圍巖進(jìn)行弱化處理，確保石門能一次性被揭開(kāi)的裝置與方法，在公開(kāi)的文獻(xiàn)資料上，尚未看見(jiàn)。

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

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種石門揭煤前的圍巖強(qiáng)度控制裝置與方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種石門揭煤前的圍巖強(qiáng)度控制裝置，包括注水系統(tǒng)、冷凍系統(tǒng)和融冰系統(tǒng)；所述注水系統(tǒng)包括輸水管、注水泵和注水管束，注水泵的進(jìn)水端通過(guò)聯(lián)接膠管連接輸水管，出水端通過(guò)高壓膠管連接各注水管束；注水泵的進(jìn)水端和出水端均設(shè)置閥門；所述冷凍系統(tǒng)包括冷凍液櫥柜、注液泵和注液管束，注液泵的進(jìn)液端通過(guò)聯(lián)接膠管連接冷凍液櫥柜，出液端通過(guò)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(shè)置在掘進(jìn)工作面前方圍巖上的鉆孔通過(guò)封孔器連接；所述融冰系統(tǒng)包括輸水管、加熱器、氣體壓縮機(jī)和注液管束，所述加熱器的一端連接輸水管，另一端通過(guò)聯(lián)接膠管連接氣體壓縮機(jī)，氣體壓縮機(jī)的出氣端通過(guò)高壓膠管連接注氣管束，氣體壓縮機(jī)的兩端均設(shè)置閥門，所述注氣管束與遠(yuǎn)距離震動(dòng)爆破揭煤位置處的鉆孔通過(guò)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(gè)總端口，與高壓膠管螺紋連接，另一端分別設(shè)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(gè)鉆孔；注水管束和注液管束上、下間隔設(shè)置，以兩行注水管束一行注液管束的頻率布設(shè)。

所述一束注氣管束中的每?jī)筛z管之間間隔一個(gè)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(qiáng)度控制方法，具體步驟為：

步驟1）在掘進(jìn)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(gòu)建注水系統(tǒng)，具體方法如下：通過(guò)聯(lián)接膠管，將輸水管與注水泵相聯(lián)接，并在聯(lián)接膠管上安設(shè)閥門；將各注水管束分別與鉆孔內(nèi)的封孔器相聯(lián)接；采用高壓膠管分別將各注水管束與注水泵相聯(lián)接，并在高壓膠管上安設(shè)閥門；

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

步驟3）先啟動(dòng)注水系統(tǒng)，再啟動(dòng)冷凍系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)冰冷凍，具體步驟如下：打開(kāi)注水系統(tǒng)的閥門，開(kāi)啟注水泵向鉆孔內(nèi)注水；待巖體濕潤(rùn)后關(guān)閉閥門和注水泵，然后開(kāi)啟冷凍液櫥柜和其閥門，啟動(dòng)注液泵向鉆孔內(nèi)注入冷凍液，直至水體結(jié)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(tǒng)和冷凍系統(tǒng)，實(shí)施爆破，向前掘進(jìn)；

步驟4）當(dāng)工作面掘進(jìn)至遠(yuǎn)距離震動(dòng)爆破的揭煤位置，安裝融冰系統(tǒng)，具體方法如下：將輸水管與加熱器相聯(lián)接；通過(guò)聯(lián)接膠管將加熱器和氣體壓縮機(jī)相聯(lián)接，并且在聯(lián)接膠管上安設(shè)閥門；將各注氣管束分別與鉆孔內(nèi)的封孔器相聯(lián)接；采用高壓膠管分別將各注氣管束與氣體壓縮機(jī)相聯(lián)接，并在高壓膠管上安設(shè)閥門；

步驟5）在遠(yuǎn)距離震動(dòng)爆破的揭煤位置設(shè)置爆破孔，并裝好炸藥，完成爆破前的準(zhǔn)備工作；啟動(dòng)加熱器產(chǎn)生高溫水蒸氣，打開(kāi)聯(lián)接膠管上的閥門，高溫氣體通過(guò)聯(lián)接膠管進(jìn)入氣體壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后，打開(kāi)高壓膠管上的閥門，使其通過(guò)高壓膠管及各注氣管束進(jìn)入鉆孔，在高溫水蒸氣作用下，掘進(jìn)工作面前方巖體內(nèi)的冰融化成水，而飽含水的巖體，強(qiáng)度要低于原始巖體；此時(shí)實(shí)施遠(yuǎn)距離爆破，確保一次性揭開(kāi)巖層。

本發(fā)明的有益效果是：一種石門揭煤前的圍巖強(qiáng)度控制裝置與方法，通過(guò)注水冷凍加強(qiáng)掘進(jìn)工作面前方的圍巖強(qiáng)度，提高該圍巖抵御突出的能力，確保掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，不會(huì)發(fā)生圍巖被沖開(kāi)而引起的突出事故；通過(guò)注高溫水蒸氣將圍巖內(nèi)的冰融化成水，降低圍巖強(qiáng)度，可確保最終的爆破能夠一次性揭開(kāi)巷道前方的圍巖，有效避免因多次爆破作業(yè)而誘導(dǎo)突出事故。因此，該方法可根據(jù)石門揭煤作業(yè)需要，改變巷道前方的圍巖強(qiáng)度，解決了長(zhǎng)期以來(lái)石門揭煤作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高的技術(shù)難題。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)構(gòu)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(biāo)記如下：1.輸水管,2.聯(lián)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(lián)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(lián)接膠管，18.閥門，19.氣體壓縮機(jī)，20.閥門，21.高壓膠管，22.注氣管束，23.鉆孔，24.掘進(jìn)工作面前方圍巖，25.遠(yuǎn)距離震動(dòng)爆破揭煤位置。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖1、2、3可以看出，一種石門揭煤前的圍巖強(qiáng)度控制裝置，包括注水系統(tǒng)、冷凍系統(tǒng)和融冰系統(tǒng)；所述注水系統(tǒng)包括輸水管1、注水泵4和注水管束7，注水泵4的進(jìn)水端通過(guò)聯(lián)接膠管2連接輸水管1，出水端通過(guò)高壓膠管6連接各注水管束7；注水泵4的進(jìn)水端和出水端均設(shè)置閥門3、5；所述冷凍系統(tǒng)包括冷凍液櫥柜8、注液泵11和注液管束14，注液泵11的進(jìn)液端通過(guò)聯(lián)接膠管9連接冷凍液櫥柜8，出液端通過(guò)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(shè)置在掘進(jìn)工作面前方圍巖24上的鉆孔23通過(guò)封孔器連接；所述融冰系統(tǒng)包括輸水管15、加熱器16、氣體壓縮機(jī)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(guò)聯(lián)接膠管17連接氣體壓縮機(jī)19，氣體壓縮機(jī)19的出氣端通過(guò)高壓膠管21連接注氣管束22，氣體壓縮機(jī)19的兩端均設(shè)置閥門，所述注氣管束22與遠(yuǎn)距離震動(dòng)爆破揭煤位置25處的鉆孔23通過(guò)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(gè)總端口，與高壓膠管6、13、21螺紋連接，另一端分別設(shè)置連接頭與封孔器螺紋連接。

如圖2所示，在掘進(jìn)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(gè)鉆孔23；注水管束7和注液管束14上、下間隔設(shè)置，可以以兩行注水管束7一行注液管束14的頻率布設(shè)。

所述輸水管1通過(guò)聯(lián)接膠管2與注水泵4相聯(lián)，接聯(lián)接方式為螺紋聯(lián)接；閥門3安設(shè)在聯(lián)接膠管2上；高壓膠管6分別通過(guò)螺紋與注水泵4以及各束注水管束7相聯(lián)接；閥門5安設(shè)在高壓膠管6上，每一束注水管束7再分別與相應(yīng)鉆孔23內(nèi)的封孔器相聯(lián)接，聯(lián)接方式為螺紋聯(lián)接；構(gòu)成注水系統(tǒng)。

所述冷凍液櫥柜8和注液泵11通過(guò)聯(lián)接膠管9相聯(lián)接，聯(lián)接方式為螺紋聯(lián)接；閥門10安設(shè)在聯(lián)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(lián)接，聯(lián)接方式為螺紋聯(lián)接；閥門12安設(shè)在高壓膠管13上，每一束注液管束14再分別與相應(yīng)鉆孔23內(nèi)的封孔器相聯(lián)接，聯(lián)接方式為螺紋聯(lián)接；構(gòu)成冷凍系統(tǒng)。

先啟動(dòng)注水系統(tǒng)，待巖體濕潤(rùn)后，再啟動(dòng)冷凍系統(tǒng)，直至水體結(jié)冰，巖體加固；拆除注水系統(tǒng)和冷凍系統(tǒng)，實(shí)施爆破，向前掘進(jìn)。

如圖3所示，在距離震動(dòng)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(nèi)的封孔器聯(lián)接，一束注氣管束22中的每?jī)筛z管之間間隔一個(gè)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(lián)接，聯(lián)接方式為螺紋聯(lián)接；加熱器16和氣體壓縮機(jī)19通過(guò)聯(lián)接膠管17相聯(lián)接，聯(lián)接方式為螺紋聯(lián)接；閥門18安設(shè)在聯(lián)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(jī)19相聯(lián)接，聯(lián)接方式為螺紋聯(lián)接；閥門20安設(shè)在高壓膠管21上，構(gòu)成融冰系統(tǒng)。所述注液管束14和注氣管束22可共用一套。

本發(fā)明的工作過(guò)程如下：

步驟1）在掘進(jìn)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(gòu)建注水系統(tǒng)，具體方法如下：通過(guò)聯(lián)接膠管2，將輸水管1與注水泵4相聯(lián)接，并在聯(lián)接膠管2上安設(shè)閥門3；將各注水管束7分別與鉆孔23內(nèi)的封孔器相聯(lián)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(lián)接，并在高壓膠管6上安設(shè)閥門5。

步驟2）在與注水系統(tǒng)同一工作面，再利用部分瓦斯排放鉆孔23構(gòu)建冷凍系統(tǒng)，具體方法如下：通過(guò)聯(lián)接膠管9，將冷凍液櫥柜8和注液泵11相聯(lián)接，并在聯(lián)接膠管9上安設(shè)閥門10；將各注液管束14分別與鉆孔23內(nèi)的封孔器相聯(lián)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(lián)接，并在高壓膠管13上安設(shè)閥門12；

步驟3）先啟動(dòng)注水系統(tǒng)，再啟動(dòng)冷凍系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)冰冷凍，具體步驟如下：打開(kāi)閥門3、5，開(kāi)啟注水泵4向鉆孔內(nèi)注水；待巖體濕潤(rùn)后關(guān)閉閥門5、注水泵4和閥門3，然后開(kāi)啟冷凍液櫥柜14，閥門10，啟動(dòng)注液泵11向鉆孔23內(nèi)注入冷凍液，直至水體結(jié)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(tǒng)和冷凍系統(tǒng)，實(shí)施爆破，向前掘進(jìn)；由于結(jié)冰冷凍后的巖體強(qiáng)度較高，因此，不會(huì)發(fā)生含瓦斯煤體沖開(kāi)巖層而導(dǎo)致突出事故的現(xiàn)象；

步驟4）當(dāng)工作面掘進(jìn)至遠(yuǎn)距離震動(dòng)爆破的揭煤位置25，安裝融冰系統(tǒng)，具體如下：將輸水管15與加熱器16相聯(lián)接；通過(guò)聯(lián)接膠管17，將加熱器16和氣體壓縮機(jī)19相聯(lián)接，并且在聯(lián)接膠管17上安設(shè)閥門18；將各注氣管束22分別與鉆孔23內(nèi)的封孔器相聯(lián)接；并采用高壓膠管21分別將各注氣管束22與氣體壓縮機(jī)19相聯(lián)接，并在高壓膠管21上安設(shè)閥門20；

步驟5）在遠(yuǎn)距離震動(dòng)爆破的揭煤位置25設(shè)置爆破孔，并裝好炸藥，完成爆破前的準(zhǔn)備工作；啟動(dòng)加熱器16產(chǎn)生高溫水蒸氣，打開(kāi)閥門18，高溫氣體通過(guò)聯(lián)接膠管17進(jìn)入氣體壓縮機(jī)19，經(jīng)壓縮后，打開(kāi)閥門20，使其通過(guò)高壓膠管21及各注氣管束22進(jìn)入鉆孔23，在高溫水蒸氣作用下，掘進(jìn)工作面前方巖體內(nèi)的冰將融化成水，而飽含水的巖體，強(qiáng)度要低于原始巖體；此時(shí)實(shí)施遠(yuǎn)距離爆破，可確保一次性揭開(kāi)巖層，不會(huì)出現(xiàn)因多次揭煤而誘導(dǎo)突出事故的現(xiàn)象。

實(shí)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(yuǎn)距離震動(dòng)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(gè)。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(zhǎng)10m；聯(lián)接膠管2、9、17的制作材料為橡膠，長(zhǎng)1m，外徑10mm，壁厚1mm；閥門3、5、10、12、18、20的型號(hào)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(dòng)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(zhǎng)10m，由于高壓膠管21用于輸送高溫水蒸氣時(shí)的遠(yuǎn)距離作業(yè)需要，長(zhǎng)度可達(dá)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(zhǎng)2m，外徑20mm，壁厚2mm。

冷凍液櫥柜8為L(zhǎng)NG低溫儲(chǔ)罐，低溫冷凍液為酒精；加熱器16為RGZ系列優(yōu)質(zhì)循環(huán)加熱器；氣體壓縮機(jī)19為GGPD系列氣體增壓泵。

上述各部件之間主要采用螺紋聯(lián)接。