一种坚硬煤层顶板致裂装置及方法与流程

本发明涉及一种坚硬煤层顶板致裂装置及方法，尤其是一种适用于硬度大、强度高且结构致密的采空区坚硬顶板致裂。

背景技术：

随着工作面不断向前推进，采空区遗留顶板长度及悬顶面积不断加大，不仅容易造成瓦斯局部积聚，而且会受到上覆岩层及远地岩层的冲击矿压，很容易诱发顶板垮冒事故，因此需要对采空区顶板进行预先致裂，使其有目的性地垮落下来并堆积在采空区内，减少瓦斯积聚及顶板事故的发生。一般地，直接顶强度较低时依靠岩层自重进行垮落，当顶板岩层强度较大时，通常采用高压水力压裂或深孔爆破强制放顶等方式。

然而，传统放顶方式存在着一定的缺陷性，例如，高压水力压裂需要能够提供大流量高压水的注水设备，通常这类设备体积庞大，很难在采空区进行开展工作，另外，对钻孔的密封性要求很高，很难保证钻孔内部高压水的连续性，另外单纯的高压水力压裂方法不能够控制钻孔裂隙的扩展方向；深孔爆破则需要填充大量的烈性炸药，容易在钻孔内部形成较强的冲击波，对内部岩层造成较大的应力扰动，存在诱发动力灾害的安全隐患，且仅对钻孔周围围岩的破坏程度较大，不易实现定向致裂。此外，若坚硬顶板采高比较大且顶板预致裂范围内无分层现象时，传统强制放顶方式致裂方向可控性较差。因此，针对上述存在的问题，亟需一种新型安全的顶板致裂装置及方法，不仅能够高效率弱化坚硬顶板岩层强度，而且能够保证增加岩层破碎度，防治冲击地压的出现。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是克服现有技术所存在的不足之处，提供一种操作简便、成本低、效果较好的坚硬煤层顶板致裂装置及方法。

技术方案：本发明的坚硬煤层顶板致裂装置，包括伸入致裂钻孔内的注水管，注水管上间隔设有多个定点致裂装置，注水管的内外两侧分别设有超耐压封孔器，致裂钻孔外部设有动态脉动压裂装置和温度监测装置；

所述的动态脉动压裂装置包括电子压力表、注水软管、溢流阀、胶管、变频器、脉动注水泵和贮水箱，电子压力表安设在注水管相连接的端口位置，注水软管一端与注水管外露端相连，另一端通过溢流阀将胶管连接起来，胶管分别连通至贮水箱及脉动注水泵，脉动注水泵通过电缆与变频器连接；

所述的温度监测装置包括导线、信号集成器和温度收集控制台，导线的一端与致裂钻孔内热电偶引出的导线相连，另一端与信号集成器相连，信号集成器与温度收集控制台相连。

所述的注水软管上设有单向阀门。

所述的定点致裂装置包括带有缝槽的花管、将花管与注水管连为一体的管箍、花管的中间设装有静态破碎剂粉末的纱布袋，纱布袋的外侧设有热电偶的卡盘。

使用上述装置的坚硬煤层顶板致裂方法，包括如下步骤：

a.利用钻机分别在坚硬顶板内施工致裂钻孔和监测钻孔至设定深度；

b.向致裂钻孔内输送定点致裂装置，先将一端封闭的注水管穿过超耐压封孔器，然后在注水管上间隔距离连通多个定点致裂装置一并送入致裂钻孔内，分别将多个定点致裂装置上的热电偶用导线沿注水管引至钻孔外，在距离致裂钻孔3m位置处，利用超耐压封孔器对致裂钻孔进行密封；

c.在致裂钻孔的孔口设置动态脉动压裂装置和温度监测装置，记录定点致裂装置中卡盘区域的孔壁温度为T₀；

d.启动脉动注水泵，调节变频器将频率为6Hz的压力水经溢流阀→注水软管→单向阀门→注水管→定点致裂装置，流动到致裂装置中装有静态破碎剂的纱布袋内，在脉动压力水的往复冲击作用下，水与纱布袋内的静态破碎剂充分混合成浆液，浆液渗流至卡盘与致裂钻孔孔壁之间的区域；

e.利用温度收集控制台记录浆液反应放热过程中卡盘区域的放热孔壁温度T，若T>T₀并持续上升时，关闭脉动注水泵；

f.当T持续降低并趋近于T₀时，启动脉动注水泵，持续脉动注水至电子压力表的压力值上升后，调节变频器，注水频率在6Hz～20Hz之间交替变化；继续注水至电子压力表数值出现大幅度降低，关闭变频器，保持压力进行注水，当监测钻孔流出带有白色晶粒的水时，耦合致裂结束。

所述致裂钻孔和监测钻孔相距5-10m。

所述致裂装置中纱布袋内的静态破碎剂粉末中添加有不溶水的惰性白色砂粒，粒径范围为40～60目，耐压强度为50～60MPa。

所述的卡盘内选用的热电偶型号为K型，灵敏度为0.5℃，温度检测范围为10～150℃，可承受最大压力为5MPa。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明通过将稳态致裂的裂隙高密度和脉动水力压裂的疲劳致裂等优势结合起来，进而解决传统强制放顶方式存在的系列难题。第一步依靠静态破碎剂反应，将传统裂隙炸药瞬间的爆裂时间拉长，使得岩层产生疲劳损伤，最大程度地减小异常应力扰动。同时依靠静态破碎剂的强膨胀力挤压作用，使钻孔附近岩层有效地形成定点破碎区，大大减小了对周围岩层的冲击波影响。第二步将脉动压力水充满定点破碎区的裂缝，按照一定频率对岩层进行交变疲劳加载，使顶板岩层内部产生累积的疲劳性损伤，最终使裂隙进一步扩展形成断裂面，有效解决了顶板岩层的定点分段弱化，增大顶板岩层断裂可控性及破碎度。实现了稳态致裂技术与脉动水力压裂技术的耦合致裂，从而提高顶板破碎度，避免顶板大面积跨落引发飓风事故。其结构简单，方法简便，使用效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的坚硬煤层顶板致裂装置及方法的实施例示意图；

图2是图1中定点致裂装置示意图；

图3是图1中动态脉动压裂装置和温度监测装置示意图。

图中：1-致裂钻孔，2-监测钻孔，3-超耐压封孔器，4-定点致裂装置，4-1－管箍，4-2－卡盘，4-3－纱布袋，4-4－缝槽，4-5－花管，5-注水管，6-单向阀门，7-电子压力表，8-注水软管，9-溢流阀，10-胶管，11-变频器，12-脉动注水泵，13-贮水箱，14-导线，15-信号集成器，16-温度收集控制台，17-坚硬顶板，A-动态脉动压裂装置，B-温度监测装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的坚硬煤层顶板致裂装置，包括伸入致裂钻孔1内的注水管5，注水管5上间隔设有多个定点致裂装置4，注水管5的内外两侧分别设有超耐压封孔器3，致裂钻孔1外部设有动态脉动压裂装置A和温度监测装置B；所述的定点致裂装置4包括带有缝槽4-4的花管4-5、将花管4-5与注水管5连为一体的管箍4-1、花管4-5的中间设装有静态破碎剂粉末的纱布袋4-3，纱布袋4-3的外侧设有热电偶的卡盘4-2。所述的动态脉动压裂装置A包括电子压力表7、注水软管8、溢流阀9、胶管10、变频器11、脉动注水泵12和贮水箱13，电子压力表7安设在注水管5相连接的端口位置，所述的注水软管8上设有单向阀门6；注水软管8一端与注水管5外露端相连，另一端通过溢流阀9将胶管10连接起来，胶管10分别连通至贮水箱13及脉动注水泵12，脉动注水泵12通过电缆与变频器11连接；所述的温度监测装置B包括导线14、信号集成器15和温度收集控制台16，导线14的一端与致裂钻孔1内热电偶引出的导线相连，另一端与信号集成器15相连，信号集成器15与温度收集控制台16相连。

本发明的坚硬煤层顶板致裂方法，具体步骤如下：

a.利用钻机分别在坚硬顶板17内施工致裂钻孔1和监测钻孔2至设定深度；所述致裂钻孔1和监测钻孔2相距5-10m；

b.向致裂钻孔1内输送定点致裂装置4，先将一端封闭的注水管5穿过超耐压封孔器3，通过管箍4-1将特定节长的注水管连接起来，每隔一定距离固定定点致裂装置4和附有热电偶的卡盘4-2，使注水管5上间隔距离连通多个定点致裂装置4一并送入致裂钻孔1内，分别将多个定点致裂装置4上的热电偶用导线14沿注水管5引至钻孔外，在距离致裂钻孔1的3m位置处，利用超耐压封孔器3对致裂钻孔1进行密封；

c.之后，在致裂钻孔1的孔口分别连接动态脉动压裂装置A和温度监测装置B，动态脉动压裂装置A连接主要表现为：电子压力表7安设在注水管5相连接的端口位置，注水软管8一端与注水管5外露端相连，另一端通过溢流阀9将胶管10连接起来，胶管10分别连通至贮水箱13及脉动注水泵12，脉动注水泵12通过电缆与变频器11连接；温度监测装置B连接主要表现为：导线的一端与致裂钻孔内热电偶引出的导线14相连，另一端与信号集成器15相连，信号集成器15与温度收集控制台16相连，记录定点致裂装置4中卡盘4-2区域的孔壁温度为T₀；

d.启动脉动注水泵12，调节变频器11将频率为6Hz的压力水经溢流阀9→注水软管8→单向阀门6→注水管5→定点致裂装置4，流动到致裂装置4中装有静态破碎剂的纱布袋4-3内，在脉动压力水的往复冲击作用下，水与纱布袋4-3内的静态破碎剂充分混合成浆液，浆液渗流至卡盘4-2与致裂钻孔孔壁之间的区域；所述致裂装置4中纱布袋4-3内的静态破碎剂粉末中添加有不溶水的惰性白色砂粒，粒径范围为40～60目，耐压强度为50～60MPa；所述的卡盘4-2内选用的热电偶型号为K型，灵敏度为0.5℃，温度检测范围为10～150℃，可承受最大压力为5MPa；

e.利用温度收集控制台16记录浆液反应放热过程中卡盘4-2区域的放热孔壁温度T，若T>T₀并持续上升时，关闭脉动注水泵12；

f.当T持续降低并趋近于T₀时，启动脉动注水泵12，持续脉动注水至电子压力表7的压力值上升后，调节变频器11，注水频率在6Hz～20Hz之间交替变化；持续注水至电子压力表7数值出现大幅度降低，关闭变频器11，保持压力进行注水，当监测钻孔2流出带有白色晶粒的水时，耦合致裂结束。