阅读说明：本技术 一种可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置及方法 (Device and method for weakening hard roof of coal seam through controllable source microwave radiation ) 是由 胡国忠 朱健 何文瑞 杨南 李康 秦伟 贾丽明 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置及方法,所述装置包括微波发生装置、微波传输通道、微波天线和封孔夹持器,微波发生装置产生的微波信号通过微波传输通道传输给微波天线,微波天线布置在钻孔中,通过封孔夹持器固定微波天线并封堵钻孔的孔口。所述方法在待弱化煤层坚硬顶板岩体区域钻孔,在钻孔内布置微波天线,通过微波辐射使得岩体内各矿物质产生热效性差异,形成局部温差,产生热应力,引起岩体的结构损伤与热破裂,降低岩体的强度。本发明适用性强、节能环保、弱化效果好。(The invention discloses a device and a method for weakening a hard roof of a coal seam by using controllable source microwave radiation. According to the method, a hole is drilled in a hard roof rock mass area of a coal seam to be weakened, a microwave antenna is arranged in the hole, and various minerals in the rock mass generate thermal effect difference through microwave radiation, so that local temperature difference is formed, thermal stress is generated, structural damage and thermal fracture of the rock mass are caused, and the strength of the rock mass is reduced. The invention has strong applicability, energy saving, environmental protection and good weakening effect.)

一种可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置及方法，涉及矿业工程领域中的坚硬顶板控制的装置及方法。

背景技术

冲击地压是煤矿生产过程中常见的一种矿井灾害，它是煤岩体中聚积的弹性势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，往往造成工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，已成为煤矿安全领域的世界性难题。

在矿井开采过程中，多数矿井冲击地压是由坚硬顶板的不及时垮落、导致应力集中而引起的。要解决这类问题，需对坚硬顶板岩体进行弱化，降低其强度和冲击倾向性；现多采用水力致裂、深孔***卸压等方法，这些方法耗时耗力、煤炭资源回采率低、适用性差、安全性低，急需探索新的顶板弱化方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置及方法，通过在采煤工作面回采巷道内布置微波辐射钻孔对煤层坚硬顶板进行辐射，利用可控源微波辐射对钻孔围岩中各矿物成分的热效应，使之产生热应力，引起受辐射钻孔围岩的结构损伤与热破裂，达到弱化煤层坚硬顶板的目的，具有高效、环保的特性。

技术方案：基于对煤岩的研究知识，我们发现：

1、由于天然岩体含有多种矿物，这些矿物的电导率、磁导率、介电常数都各不相同，使得微波对岩体内各矿物产生的热效应存在差异，形成明显的局部温差，产生热应力，引起岩体的结构损伤与热破裂，降低了岩体的强度。

2、微波对岩体的结构损伤效应不会随着微波的消失而消失，具有岩体改性的作用，从而使得岩体的结构特性发生变化。

3、微波对岩体的热效应具有整体性，在其影响范围内的岩石均会出现结构损伤与热破裂现象，从而弱化坚硬岩体。

基于上述考虑，我们设计使用微波对煤层坚硬顶板进行弱化的方案，本发明采用的技术方案为：

一种可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置，包括微波发生装置、微波传输通道、微波天线和封孔夹持器，微波发生装置产生的微波信号通过微波传输通道传输给微波天线，微波天线置于钻孔中，通过封孔夹持器固定微波传输通道与微波天线并封堵钻孔的孔口。

具体的，所述微波发生装置包括壳体、微波发生器、散热器、高压转化器和微波功率无极调节器，微波发生器、散热器和高压转化器置于壳体内，散热器用于降低微波发生器的工作温度，高压转化器用于提供微波发生器的工作电压，微波功率无极调节器用于调节微波发生器的微波功率；在壳体上设置有微波传出孔和信号接线孔，微波传输通道通过微波传出孔与微波发生器连接，微波功率无极调节器通过信号接线孔与高压转化器连接。

具体的，所述微波传输通道为高性能波导材质，比如波导管或同轴电缆，当工作场所布置简单时用波导管，当工作场所布置复杂时用同轴电缆。

具体的，所述封孔夹持器为微波屏蔽材质，包括主体和楔子，主体的侧面设置有外螺纹，主体的底端面环绕主体的中心轴线均匀设置有两个盲孔；在主体内设置有同轴的楔形腔和走线通道，走线通道贯穿主体和楔形腔，楔子放置在主体的楔形腔内，主体、楔形腔、楔子、走线通道的中心轴线在同一条直线上，走线通道的内径与微波传输通道的外径相适配；沿主体的中心轴线，楔形腔的长度大于楔子的长度，楔形腔最小横截面直径小于楔子的最小横截面直径，楔形腔最大横截面直径大于楔子的最大横截面直径，楔形腔最小横截面和楔子的最小横截面均朝向主体的底端面一侧。

一种采用可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的方法，在待弱化煤层坚硬顶板岩体区域钻孔，在钻孔内布置微波天线，通过微波辐射使得岩体内各矿物质产生热效性差异，形成局部温差，产生热应力，引起岩体的结构损伤与热破裂，降低岩体的强度。

一种采用可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置弱化煤层坚硬顶板的方法，包括如下步骤：

(a)根据井下钻孔取样检测，获取组成煤层坚硬顶板岩石的矿物成分及物理力学信息，掌握回采工作面开采技术条件；

(b)根据步骤(a)的检测结果，设计微波辐射钻孔施工方案，包括钻孔的垂直深度H、钻孔方向β、孔径R、预裂线距工作面距离D和微波参量；

(c)根据步骤(b)的设计方案，采用巷道双向钻孔法，在机巷和风巷内分别布置钻场，向煤层坚硬顶板岩石施工钻孔；

(d)将微波天线布置到钻孔中，使用封孔夹持器进行封孔；固定完毕后，在机巷和风巷钻场周围的设定范围内的巷道围岩上铺设金属屏蔽网；

(e)根据步骤(b)的设计方案，在集中控制平台进行微波参量设定，检查无误后开机工作，根据现场实际情况，在集中控制平台进行实时操控与监测。

具体的，所述步骤(b)中，钻孔的垂直深度H根据坚硬顶板的厚度确定；钻孔方向β为20～80°；孔径R根据微波天线的参数确定，常用75mm和90mm；预裂线距工作面距离D为工作面来压步距或其整数倍；微波参量包括微波功率和时间，其中微波时间为工作面推进到预裂线区域所需的时间，微波功率为在微波时间内到达弱化坚硬顶板所需的功率大小；设计钻孔的终孔位置落在预裂线上，钻孔的数量和孔间距根据采煤工作面宽度、顶板岩性和微波参量设定。

具体的，所述步骤(b)中，设计在基本顶的钻孔内布置微波天线，且微波天线的长度布满基本顶内的钻孔，在直接顶的钻孔内不布置微波天线。

具体的，所述步骤(d)中，使用扳手固定封孔夹持器，扳手包括带缺口的圆环，固定在圆环径向两侧分别固定连接有一个握把，每个握把上固定一个卡销；微波天线穿过封孔夹持器的走线通道后，将封孔夹持器的顶部推进钻孔孔口处；同时，利用圆环上的缺口将微波传输通道卡入圆环内，将两个卡销对应***封孔夹持器外端面的两个盲孔中；当微波传输通道在外力F作用下推入钻孔指定位置的同时，通过握把旋转扳手带动封孔夹持器转动，封孔夹持器在外螺纹的作用下，攻入钻孔，封孔夹持器与钻孔相互紧密配合；封孔夹持器攻入钻孔的时间与微波天线伸入到钻孔指定位置的时间相一致，解除外力F作用后，微波传输通道、微波天线和楔子在G作用下发生位移并形成过盈配合，从而达到固定与封孔的目的。

具体的，所述步骤(d)中，金属屏蔽网为柔性金属网，采用锚杆将金属屏蔽网固定于巷道围岩上，金属屏蔽网的孔径小于微波发生装置产生的微波波长的1/4。

有益效果：本发明提供的可控源微波辐射弱化煤层硬顶板的装置及方法，创新地使用微波辐射的方法弱化煤层坚硬顶板，具有如下优势：1、本发明的微波辐射对岩层的热效应具有整体性，在其影响范围内的岩石均会出现区域性弱化，影响范围大；2、本发明在顶板弱化时无震动、不产生有害气体、无需向岩层注入其他流体介质；3、本发明中使用的微波天线，对钻孔质量要求低，能在钻孔一定变形范围内正常使用，微波天线和封孔夹持器均可回收重复使用。

附图说明

图1为可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板装置结构示意图；

图2为可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板方法的钻孔布置剖面图；

图3为可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板方法的钻孔布置平面图；

图4为孔内微波馈入天线布置示意图；

图5(a)为封孔夹持器锁紧前结构示意图；

图5(b)为封孔夹持器锁紧后结构示意图；

图6为配合封孔夹持器使用的扳手的结构示意图；

图中包括：1-微波发生装置；101-微波发生器；102-散热器；103-高压转化器；104-微波功率无极调节器；105-集中控制平台；106-壳体；107-微波传出孔；108-信号接线孔；2-钻孔；3-微波天线；4-封孔夹持器；401-主体；402-楔子；403-外螺纹；404-盲孔；405-楔形腔；406-走线通道；5-金属屏蔽网；6-微波传输通道；7-锚杆；8-扳手；801-卡销；802-握把；803-圆环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种可控源微波辐射弱化煤层坚硬顶板的装置，包括微波发生装置1、微波传输通道2、微波天线3和封孔夹持器4，微波发生装置1产生的微波信号通过微波传输通道6传输给微波天线3，微波天线3置于钻孔中，通过封孔夹持器4固定微波传输通道6与微波天线3并封堵钻孔的孔口。在待弱化煤层坚硬顶板岩体区域钻孔，在钻孔2内布置微波天线3，通过微波辐射使得岩体内各矿物质产生热效性差异，形成局部温差，产生热应力，引起岩体的结构损伤与热破裂，降低岩体的强度。

所述微波发生装置1包括壳体106、微波发生器101、散热器102、高压转化器103、微波功率无极调节器104和集中控制平台105，微波发生器101、散热器102和高压转化器103置于壳体106内，散热器102用于降低微波发生器101的工作温度，高压转化器103用于提供微波发生器101的工作电压，微波功率无极调节器104用于调节微波发生器101的微波功率；在壳体106上设置有微波传出孔107和信号接线孔108，微波传输通道通6过微波传出孔107与微波发生器101连接，微波功率无极调节器104通过信号接线孔108与高压转化器103连接。

所述微波传输通道6为高性能波导材质，比如波导管或同轴电缆6，当工作场所布置简单时用波导管，当工作场所布置复杂时用同轴电缆6。

所述封孔夹持器4为微波屏蔽材质，包括主体401和楔子402，主体401的侧面设置有外螺纹403，主体401的底端面环绕主体的中心轴线均匀设置有两个盲孔404；在主体401内设置有同轴的楔形腔405和走线通道406，走线通道406贯穿主体401和楔形腔405，楔子402放置在主体401的楔形腔405内，主体401、楔形腔405、楔子402、走线通道406的中心轴线在同一条直线上，走线通道406的内径与微波传输通道6的外径相适配；沿主体401的中心轴线，楔形腔405的长度大于楔子402的长度，楔形腔405最小横截面直径小于楔子402的最小横截面直径，楔形腔405最大横截面直径大于楔子402的最大横截面直径，楔形腔405最小横截面和楔子402的最小横截面均朝向主体401的底端面一侧。

下面结合一个具体的试验例的实施过程对本发明做出进一步说明。

(a)根据井下钻孔取样检测和实际生产情况，确定本实施例中煤层为近水平煤层，坚硬顶板的高度位置H＝22.5m，顶板以坚硬砂岩为主(f＝7～9)。

(b)根据步骤(a)的检测结果，确定采用巷道双向钻孔法布置微波辐射钻孔，在机巷和风巷内布置钻场，向坚硬顶板施工钻孔，钻孔布置如图2和图3；对钻孔依次编号分别为孔1、孔2、孔3、孔4、孔5、孔6；钻孔的垂直深度H＝22.5m、钻孔方向β₁＝58°、β₂＝40°、β₃＝27°、β₄＝20°、β₅＝33°、β₆＝59°；使用孔径R＝75mm的钻机打眼，预裂线距工作面距离根据顶板的周期来压步距确定D＝30m，其中钻孔终孔应落在预裂线附近，通过结合坚硬顶板的岩性、钻孔布置情况及工作面情况确定微波时间为56h，微波功率为2000w。

(c)按要求安装好图1中的微波发生装置1，微波发生器101、高压转化器103、微波功率无极调节器104、集中控制平台105依次连接后，将散热器102装于微波发生器101外表面为其降温，然后将安装好的微波发生装置1置于两巷钻场附近，同轴电缆6的一端与微波天线3连接，另一端与微波发生器101连接；其中微波天线3的长度应布满基本顶内的钻孔，直接顶的钻孔内不布置微波天线(如图4)。

(d)使用可屏蔽微波的封孔夹持器4进行封孔；使用扳手8固定封孔夹持器4，扳手8包括带缺口的圆环803，固定在圆环803径向两侧分别固定连接有一个握把802，每个握把802上固定一个卡销801；微波天线3穿过封孔夹持器4的走线通道406后，将封孔夹持器4的顶部推进钻孔2孔口处；同时，利用圆环803上的缺口将微波传输通道6卡入圆环803内，将两个卡销801对应***封孔夹持器4外端面的两个盲孔404中；当微波传输通道6在外力F作用下推入钻孔2指定位置的同时，通过握把802旋转扳手8带动封孔夹持器4转动，封孔夹持器4在外螺纹403的作用下，攻入钻孔2，封孔夹持器4与钻孔2相互紧密配合；封孔夹持器4攻入钻孔2的时间与微波天线3伸入到钻孔指定位置的时间相一致，解除外力F作用下后，微波传输通道6、微波天线3和楔子402在重力G作用下发生位移并形成过盈配合，从而达到固定与封孔的目的，锁紧过程如图5(a)与5(b)。固定完毕后，在机巷和风巷钻场周围30m内的巷道围岩铺满60mm×60mm的金属屏蔽网5，并用锚杆7固定。

(e)根据步骤(b)的设计方案，在集中控制平台105进行微波参量设定，检查无误后开机工作，根据现场实际情况，在集中控制平台105进行实时操控与监测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。