一种基于定向钻进技术的采煤工作面断层岩体破碎方法
阅读说明：本技术 一种基于定向钻进技术的采煤工作面断层岩体破碎方法 (Coal face fault rock mass crushing method based on directional drilling technology ) 是由 王毅 段会军 宋昱播 彭旭 秦可 王林杰 白刚 肖骞 祁晨君 彭冬 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于定向钻进技术的采煤工作面断层岩体破碎方法,该方法包括采煤工作面过断层路线确定步骤、定向钻孔路线确定步骤、定向钻场掘进步骤、定向钻孔步骤和爆破步骤。本发明采用定向钻进技术实现了矿井采煤工作面断层下盘底板硬岩体远距离破碎,通过人为控制钻孔轨迹,有目的的使其沿断层下盘底板硬岩体走向延伸,从而实现对断层硬岩体破碎效果最大化,选择不影响采煤工作面正常回采位置进行定向钻孔钻进及远距离爆破破碎工作,可以保证采煤工作面正常生产及设备安全,利用定向钻孔对采煤工作面断层下盘底板硬岩体进行远距离精准破碎,减少了施工工作量,缩短了施工周期,降低了施工成本,更加经济适用。(The invention discloses a coal face fault rock mass crushing method based on a directional drilling technology. The invention adopts the directional drilling technology to realize the remote crushing of the hard rock mass of the lower bottom plate of the fault of the mine coal face, purposefully extends the hard rock mass along the trend of the lower bottom plate of the fault by artificially controlling the drilling track, thereby realizing the maximization of the crushing effect of the hard rock mass of the fault, selecting the position which does not influence the normal recovery of the coal face to carry out the directional drilling and the remote blasting crushing, ensuring the normal production and the equipment safety of the coal face, and utilizing the directional drilling hole to carry out the remote accurate crushing on the hard rock mass of the lower bottom plate of the fault of the coal face, thereby reducing the construction workload, shortening the construction period, reducing the construction cost and being more economical and applicable.)
技术领域
本发明涉及煤矿井下采煤技术领域，具体涉及一种基于定向钻进技术的采煤工作面断层岩体破碎方法。
背景技术
随着采煤技术的提高以及现代化采煤设备的运用，综采逐渐成为我国煤炭开采过程中的主要方式。开采深度的不断增加，使得采煤工作面的地质条件更加复杂，可开采的煤层中经常会遇到断层地质构造，严重影响采煤工作的有序推进，并且留下了安全的隐患。为了解决上述问题，目前有多种综采工作面穿过断层的方法，如调整割煤高度、“挑顶起底”、“搬家跳采”等。当断层落差较小，采煤机往往直接破煤强行通过断层，但这有可能对刀具造成很大程度的破坏。当断层构造复杂时，采煤机不能直接通过时，往往采取“搬家”的办法，频繁地改变采煤工作面，会大幅增加巷道的开拓及维护成本。
当断层断距较大且顶底板岩层为硬岩时，如不想放弃开采另开切眼，则需要对断层面岩体进行爆破。
传统断层面岩体爆破的方式为：待割煤机回采揭露断层面岩体后，在采煤工作面采煤机前施工常规钻孔进行装药，以对断层面岩体进行爆破，该方式需延采煤工作面施工多个钻孔，施工工作量大，钻孔施工需在采煤机前液压支架下进行，严重影响回采设备安全以及采煤工作进度。
另外，中国发明专利CN110186340A公开了综采工作面遇断层时顺利推进的方法，该专利采用先掘进预裂爆破工作巷，再在巷道中对硬岩进行分区域预裂爆破的方法，其虽然克服了传统断层面岩体爆破存在的影响回采设备安全以及采煤工作进度的问题，但是其施工工作量大，施工的周期长，施工成本高，经济适用性比较差。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于定向钻进技术的采煤工作面断层岩体破碎方法。
本发明提供了一种基于定向钻进技术的采煤工作面断层岩体破碎方法，包括如下步骤：
采煤工作面过断层路线确定步骤，根据定断层构造位置和采煤工作面回采技术方案确定采煤工作面通过断层下盘底板硬岩体的路线；
定向钻孔路线确定步骤，根据断层的走向以及采煤工作面过断层下盘底板硬岩体的路线，确定从采煤工作面回风巷穿入煤层、再延断层走向穿过采煤工作面路线上的断层下盘底板硬岩体的钻孔路线；
定向钻场掘进步骤，选择采煤工作面回风巷的一处不影响采煤工作面正常回采的位置作为定向钻孔路线的起始位置，并在该起始位置处掘进定向钻场；
定向钻孔步骤，定向钻机以定向钻场为施工场地，沿设计的定向钻孔路线钻进，形成依次穿过煤层和断层下盘底板硬岩体的钻孔；
爆破步骤，将爆破装置装入断层下盘底板硬岩体的钻孔内，再填装炮泥封孔，然后引爆爆破装置，完成采煤工作面路线上的断层下盘底板硬岩体的爆破。
进一步地，在所述定向钻孔步骤之前还包括开孔步骤，根据定向钻孔路线设计，在定向钻场煤层中开孔，开孔的方向指向断层走向，开孔的倾角与采煤工作面倾向相同。
进一步地，在开孔步骤中，先采用φ98mmPDC钻头、保直扶正器和满眼钻头进行保直钻进，进尺不小于15m，随后更换φ98/153mmPDC钻头进行扩孔钻进至进尺不小于15m。
进一步地，开孔完成后，下入带闸阀的地质封孔管，然后在地质封孔管与孔壁之间注入封孔材料封孔。
进一步地，在所述定向钻孔步骤中，开始定向钻进后，严格遵循设计定向钻孔路线，每3m对孔底进行一次参数测量，利用各测点以弦代弧的计算方法得出完整钻孔轨迹，利用定向钻机的螺杆马达调整钻进方向，使钻孔按照设计定向钻孔路线延伸，即使定向钻孔轨迹调整至延断层走向延伸，并钻穿断层下盘底板硬岩体。
进一步地，所述爆破装置和炮泥通过定向钻机的钻杆送入钻孔。
进一步地，所述爆破装置包括外套管以及填充于所述外套管内的炸药，外套管的两端分别通过塞子封堵，装入爆破装置和炮泥时，先将爆破装置穿入钻孔内，待爆破装置全部穿入钻孔后，在定向钻机的钻杆上安装一连接套，再将该连接套与爆破装置的外套管套接，并通过剪切销将连接套和外套管的管壁固定在一起，然后通过定向钻机的钻杆将爆破装置送入断层下盘底板硬岩体的钻孔底，爆破装置到位后，将钻杆伸出钻孔的一端连接炮泥机，炮泥机通过钻杆向钻孔内压入炮泥，炮泥压入的过程中，剪切销被剪断，使得连接套与外套管脱离，连接套与外套管脱离后，一边通过定向钻机向外拖动钻杆，一边通过炮泥机向钻孔内压入炮泥，进而将炮泥填装在钻孔内。
本发明的有益效果体现在：
本申请在采煤工作面推进到断层之前，提前在采煤工作面回风巷开辟定向钻场，采用定向钻机向断层下盘底板硬岩体定向钻孔，通过人为控制钻孔轨迹，在不影响采煤工作面回采的开孔区域远距离完成延断层下盘底板硬岩体的中靶，并使定向钻孔轨迹在断层下盘底板硬岩体走向延伸，然后向钻孔中下入雷管及炸药并装填炮泥，最后利用导线引爆，完成断层下盘底板硬岩体破碎。
通过在断层下盘底板硬岩体的中的定向钻孔段，实施远距离定向爆破，破碎岩体，后续采煤机顺利通过该段大断距硬岩体断层，未发生刀具损坏现象，未发生生产滞后现象，从而保障了矿井的安全生产。
与现有技术相比，本申请相对于现有技术至少具有如下优点：
(1)采用了定向钻进技术实现了矿井采煤工作面断层下盘底板硬岩体远距离破碎；
(2)利用定向钻孔，通过人为控制钻孔轨迹，有目的的使其沿断层下盘底板硬岩体走向延伸，从而实现对断层硬岩体破碎效果最大化；
(3)利用定向钻孔，选择不影响采煤工作面正常回采位置进行定向钻孔钻进及远距离爆破破碎工作，可以保证采煤工作面正常生产及设备安全。
(4)利用定向钻孔，对采煤工作面断层下盘底板硬岩体进行远距离精准破碎，减少了施工工作量，缩短了施工周期，降低了施工成本，更加经济适用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例中矿井采煤工作面断层岩体破碎定向钻孔平面示意图；
图2为本发明一实施例中矿井采煤工作面断层岩体破碎定向钻孔垂直剖面示意图；
图3为本发明一实施例中矿井采煤工作面断层构造、采煤工作面拟过断层路线及爆破破碎岩体示意图；
图4为本发明另一实施例中爆破装置装入钻孔时的示意图；
图5为本发明另一实施例中装填炮泥时的示意图。
附图中，100-采煤工作面；200-断层下盘底板硬岩体；210-采煤工作面过断层路线；300-采煤工作面回风巷；400-定向钻场；500-煤层；600-钻孔；610-地质封孔管；700-爆破装置；710-外套管；720-炸药；730-塞子；740-连接套；750-剪切销；800-炮泥；900-钻杆。
具体实施方式
下面将结合附图对本实施例技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实施例的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实施例的保护范围。
实施例1
如图1-图3所示，本发明一实施例提供了一种基于定向钻进技术的采煤工作面断层岩体破碎方法，包括如下步骤：
采煤工作面过断层路线210确定步骤，根据定断层构造位置和采煤工作面回采技术方案确定采煤工作面100通过断层下盘底板硬岩体200的路线。
定向钻孔路线确定步骤，根据断层的走向以及采煤工作面100过断层下盘底板硬岩体200的路线，确定从采煤工作面回风巷300穿入煤层500、再延断层走向穿过采煤工作面100路线上的断层下盘底板硬岩体200的钻孔600路线。
定向钻场400掘进步骤，选择采煤工作面回风巷300的一处不影响采煤工作面100正常回采的位置作为定向钻孔600路线的起始位置，并在该起始位置处掘进定向钻场400。
开孔步骤，根据定向钻孔600路线设计，在定向钻场400煤层500中开孔，开孔的方向指向断层走向，开孔的倾角与采煤工作面100倾向相同，以便后续以最短距离定向钻孔600轨迹方位调整至延断层走向延伸。
具体来说，在上述开孔步骤中，先采用φ98mmPDC钻头、保直扶正器和满眼钻头进行保直钻进，进尺不小于15m，随后更换φ98/153mmPDC钻头进行扩孔钻进至进尺不小于15m。
开孔完成后，下入带闸阀的地质封孔管610，然后在地质封孔管610与孔壁之间注入封孔材料封孔，待其凝固后开始定向钻进。
定向钻孔600步骤，定向钻机以定向钻场400为施工场地，沿设计的定向钻孔600路线钻进，形成依次穿过煤层500和断层下盘底板硬岩体200的钻孔600。
具体来说，在上述定向钻孔步骤中，开始定向钻进后，严格遵循设计定向钻孔600路线，每3m对孔底进行一次参数测量，利用各测点以弦代弧的计算方法得出完整钻孔600轨迹，利用定向钻机的螺杆马达调整钻进方向，使钻孔600按照设计定向钻孔600路线延伸，即使定向钻孔600轨迹调整至延断层走向延伸，并钻穿断层下盘底板硬岩体200。
爆破步骤，将爆破装置700装入断层下盘底板硬岩体200的钻孔600内，再填装炮泥800封孔，然后引爆爆破装置700，完成采煤工作面100路线上的断层下盘底板硬岩体200的爆破，本实施例中，爆破装置700和炮泥800具体可通过定向钻机的钻杆900送入钻孔600。
本申请在采煤工作面100推进到断层之前，提前在采煤工作面回风巷300开辟定向钻场400，采用定向钻机向断层下盘底板硬岩体200定向钻孔600，通过人为控制钻孔600轨迹，在不影响采煤工作面100回采的开孔区域远距离完成延断层下盘底板硬岩体200的中靶，并使定向钻孔600轨迹在断层下盘底板硬岩体200走向延伸，然后向钻孔600中下入雷管及炸药720并装填炮泥800，最后利用导线引爆，完成断层下盘底板硬岩体200破碎。
通过在断层下盘底板硬岩体200的中的定向钻孔600段，实施远距离定向爆破，破碎岩体，后续采煤机顺利通过该段大断距硬岩体断层，未发生刀具损坏现象，未发生生产滞后现象，从而保障了矿井的安全生产。
与现有技术相比，本申请相对于现有技术至少具有如下优点：
(1)采用了定向钻进技术实现了矿井采煤工作面100断层下盘底板硬岩体200远距离破碎；
(2)利用定向钻孔600，通过人为控制钻孔600轨迹，有目的的使其沿断层下盘底板硬岩体200走向延伸，从而实现对断层硬岩体破碎效果最大化；
(3)利用定向钻孔600，选择不影响采煤工作面100正常回采位置进行定向钻孔600钻进及远距离爆破破碎工作，可以保证采煤工作面100正常生产及设备安全。
(4)利用定向钻孔600，对采煤工作面100断层下盘底板硬岩体200进行远距离精准破碎，减少了施工工作量，缩短了施工周期，降低了施工成本，更加经济适用。
实施例2
本发明另一实施例提供了一种基于定向钻进技术的采煤工作面断层岩体破碎方法，该实施例是对实施例1的进一步优化。
如图4和图5所示，在实施例2中，爆破装置700包括外套管710以及填充于外套管710内的炸药720，外套管710的两端分别通过塞子730封堵，这样能够防止炸药720受潮，装入爆破装置700和炮泥800时，如图4所示，先将爆破装置700穿入钻孔600内，待爆破装置700全部穿入钻孔600后，在定向钻机的钻杆900上安装一连接套740，再将该连接套740与爆破装置700的外套管710套接，并通过剪切销750将连接套740和外套管710的管壁固定在一起，然后通过定向钻机的钻杆900将爆破装置700送入断层下盘底板硬岩体200的钻孔600底，如图5所示，爆破装置700到位后，将钻杆900伸出钻孔600的一端连接炮泥机(图中未示出)，炮泥机通过钻杆900向钻孔600内压入炮泥800，炮泥800压入的过程中，剪切销750被剪断，使得连接套740与外套管710脱离，连接套740与外套管710脱离后，一边通过定向钻机向外拖动钻杆900，一边通过炮泥机向钻孔600内压入炮泥800，进而将炮泥800填装在钻孔600内。
通过上述方式填装爆破装置700和炮泥800，钻杆900将爆破装置700的外套管710顶到位后，直接通过炮泥机向钻杆900内压入炮泥800，钻杆900内的压力增大，使得剪切销750被剪断，钻杆900与爆破装置700的外套管710自动脱离，然后继续压入炮泥800，并缓慢向外拖动钻杆900，进而使得炮泥800填装在钻孔600内，整个爆破装置700和炮泥800的填装过程一气呵成，无需中途退出钻杆900，大大提高了作业效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实施例各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实施例的权利要求和说明书的范围当中。