一种煤层坚硬顶板致裂弱化方法与流程

本发明涉及一种煤层坚硬顶板致裂弱化方法，主要适用于富含粘土基质、致密坚硬的难垮顶板岩层的有效放顶工作中，能够结合脉动疲劳弱化特性、液氮低温冷冲击作用、气体致裂效应三方面的优势，实现顶板岩层高效率垮落。

背景技术：

在中国，高强度、大厚度、较好整体性的坚硬顶板广泛分布于各个矿区中。随着煤炭资源的开采及工作面的逐步推进，采场内部形成的顶板悬顶面积逐渐增大，如果得不到有效垮落，势必会加大采场区域的支护强度和难度。在工作面的推进过程中，坚硬顶板岩层的周期来压或初次来压步距不断增大，且不断积聚大量的能量，当上覆岩层的载荷及顶板岩层自重之和，即σ上覆+g自重，超过顶板岩层的极限强度σus时，就会发生整体断裂垮落，在有限采场空间内易诱发飓风事故，破坏巷道设施和造成人员伤亡，影响矿井正常生产进度。

目前，针对坚硬致密顶板岩层的垮落问题，传统意义上经常采用一系列预致裂方式进行强制放顶，使致密整体性顶板岩层内部产生裂隙，使其块状垮落，避免飓风事故的发生。常见的预致裂方式有深孔爆破、高压水力压裂、注水弱化等。这些技术均存在着一定的局限性，例如，深孔爆破产生的冲击波容易引发煤岩体应力扰动，常伴有拒爆或哑炮等现象出现；高压水力压裂和注水弱化均消耗大量的水资源，添加了化学试剂的水资源更容易造成污染，另外，当顶板岩层内部含有大量的粘土时，容易造成粘土吸水膨胀，达不到致裂垮落的效果。因此，针对富含粘土基质的顶板岩层的有效垮落，亟需一种成本较低、操作方便、效果好的致裂方法来避免坚硬顶板大面积垮落所引发的飓风事故的发生。

技术实现要素：

发明目的：本发明是针对富含粘土基质的坚硬顶板岩层的有效垮落难题，所提出的煤层坚硬顶板致裂弱化方法，该方法能够充分利用液氮在低温条件下，采用脉动式注入方法，对顶板岩层进行弱化致裂。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种煤层坚硬顶板致裂弱化方法，包括以下步骤：

a、钻孔：当回采工作面向前推移一段距离后，利用钻机向采场区域的难垮坚硬顶板岩层内部钻取多个致裂孔和导向孔，致裂孔和导向孔相互间隔，在致裂孔顶端利用水力割缝装置割出楔形缝槽；

b、液氮制备：将空气压缩机通过抽气管路与冷却机组相连，抽气管路上安装负压风机，通过空气压缩机将空气进行压缩，把压缩空气经由冷却机组冷却液化，进而形成液氮，再将液氮储存于液氮储罐内；

c、封孔：先将绝热套管套入致裂孔内，再将注气高压膨胀封孔器伸入到绝热套管内，伸入深度小于绝热套管的长度，绝热套管外壁与致裂孔内壁之间、绝热套管内壁与注气高压膨胀封孔器外壁之间均通过乙二醇防冻液进行黏结封堵，最后将致裂管和回气管穿过注气高压膨胀封孔器并伸入到致裂孔内，回气管上安装回气截止阀；

d、脉动注入液氮：将液氮储罐与注液管相连，注液管上安装注液泵、等量分流器和压力表，将注液管通过单向阀门与致裂管连接，关闭回气截止阀，开启液氮储罐上的供液阀，将液氮储罐内的液氮通过注液管和致裂管注入到致裂孔内，当压力表数值p>2.5mpa时，通过调频器将注液泵的电机频率调至4hz，并向致裂孔中注入液氮十分钟，然后通过调频器逐次调高注液泵的电机频率，每调高一次注液泵的电机频率便向致裂孔中注入液氮十分钟，直至压力表数值p<0.5mpa时，关闭注液泵和供液阀；

e、氮气回收：将回气管连接至抽气管路，当脉动注入液氮过程结束后，开启回气截止阀，将氮气通过负压风机抽采至抽采管路，执行液氮制备过程。

f、随着回采工作面的不断向前推移，依次按照上述步骤a至e，使顶板岩层进行有效跨落。

进一步的，所述致裂孔和导向孔之间的间距为4～5m。

进一步的，所述致裂孔和导向孔角度沿采空区方向向上倾斜30～60°，孔深为8-10m，孔径为30-35cm。

进一步的，所述致裂管、注液管、回气管均采用防冻裂无缝钢管，在防冻裂无缝钢管内部套有含绝热特性的岩棉、石棉或玻璃纤维。

进一步的，所述冷却机组的温度控制范围为-250～-10℃。

进一步的，所述乙二醇防冻液中添加有防锈剂。

进一步的，所述负压风机的风压控制范围为-0.8mpa～-1.2mpa，在负压风机入风口布置一个空气过滤器，防止岩层碎渣进入负压风机内发生故障。

进一步的，步骤d中，所述注液泵的电机频率每次调高4hz。

有益效果：所采用上述技术方案，在于能够将脉动疲劳弱化特性、液氮低温冷冲击作用、气体致裂效应三方面进行有机耦合，进而解决富含粘土基质的坚硬整体性顶板岩层。该方法所用致裂介质来源广泛，在大气中占78％，利用空气压缩机和冷冻机组将气态氮气相变成液态氮，作用过后的氮气还可以进行回收利用，不会造成环境污染。在作用机制方面，一方面依靠不同注入频率，使液氮对顶板岩层造成不同程度的冷冲击，造成岩层内部温度骤降，作用区域形成一定的温度梯度，在疲劳累积和温度应力耦合机制下弱化岩层自身强度；另一方面液氮气化不断产生氮气，在钻孔有限空间内形成体积不断增大的气液两相混合压力团，最终超过岩层的抗拉强度形成裂隙。此外，随着裂隙的不断延伸，脉动式注入方法使得气液两相流迅速流动到裂隙中，加快裂隙扩展速率，最终实现顶板岩层的有效垮落。该方法施工简单方便，成本较低，适用范围广。

附图说明

图1为本发明煤层坚硬顶板致裂弱化方法的示意图；

图2为煤层坚硬顶板致钻孔示意图；

图3为绝热套管剖面示意图；

图1中：1―难垮坚硬顶板岩层；2―致裂孔；2-1楔形缝槽；3―导向孔；4―致裂管；5―绝热套管；6―注气高压膨胀封孔器；7―压力表；8―单向阀门；9―注液管；10―等量分流器；11―注液泵；12―调频器；13―供液阀；14―回气截止阀；15―液氮储罐；16―液氮；17―回气管；18―抽气管路；19―负压风机；20―冷却机组；21―空气压缩机；

图2中：1―难垮坚硬顶板岩层；2―致裂孔；3―导向孔；22-回采工作面；ⅰ―采空区；ⅱ―煤层；ⅲ―巷道；ⅳ-采场区域；

图3中：5-1―管壁；5-2―管腔。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1和2所示，本发明的一种煤层坚硬顶板致裂弱化方法，包括以下步骤：

a、钻孔：当回采工作面22向前推移一段距离后，利用钻机向采场区域的难垮坚硬顶板岩层1内部钻取多个致裂孔2和导向孔3，致裂孔2和导向孔3相互间隔，在致裂孔2顶端利用水力割缝装置割出楔形缝槽2-1；

b、液氮制备：将空气压缩机21通过抽气管路18与冷却机组20相连，抽气管路18上安装负压风机19，通过空气压缩机21将空气进行压缩，把压缩空气经由冷却机组20冷却液化，进而形成液氮16，再将液氮16储存于液氮储罐15内；

c、封孔：先将绝热套管5套入致裂孔2内，如图3所示，绝热套管5的管壁5-1呈波纹状，再将注气高压膨胀封孔器6伸入到绝热套管5的管腔5-2内，伸入深度小于绝热套管5的长度，绝热套管5外壁与致裂孔2内壁之间、绝热套管5内壁与注气高压膨胀封孔器6外壁之间均通过乙二醇防冻液进行黏结封堵，该乙二醇防冻液中添加有防锈剂，乙二醇防冻液可渗透至致裂孔2内壁以封堵钻孔壁面裂隙，从而保证气密性，最后将致裂管4和回气管17穿过注气高压膨胀封孔器6并伸入到致裂孔2内，回气管17上安装回气截止阀14；

d、脉动注入液氮：将液氮储罐15与注液管9相连，注液管9上安装注液泵11、等量分流器10和压力表7，将注液管9通过单向阀门8与致裂管4连接，关闭回气截止阀14，开启液氮储罐15上的供液阀13，将液氮储罐15内的液氮16通过注液管9和致裂管4注入到致裂孔2内，当压力表7数值p>2.5mpa时，通过调频器12将注液泵11的电机频率调至4hz，并向致裂孔2中注入液氮16十分钟，然后通过调频器12逐次调高注液泵11的电机频率，优选的，所述注液泵11的电机频率每次调高4hz，即逐步调高注液泵11的电机频率至8hz、12hz、16hz、20hz……，每调高一次注液泵11的电机频率便向致裂孔2中注入液氮16十分钟，在此过程中，一方面依靠不同注入频率，使液氮对岩层造成不同程度的冷冲击，造成岩层内部温度骤降，岩层受冲击区域形成一定的温度梯度，在疲劳累积和温度应力耦合机制下弱化岩层自身强度，另一方面液氮气化不断产生氮气，在钻孔有限空间内形成体积不断增大的气液两相混合压力团，最终超过岩层的抗拉强度形成裂隙，随着裂隙的不断延伸，脉动式注入方法使得气液两相流迅速流动到裂隙中，加快裂隙扩展速率，最终实现岩层的有效垮落，压力表7数值随岩层垮落而下降，直至压力表7数值p<0.5mpa时，关闭注液泵11和供液阀13；

e、氮气回收：将回气管17连接至抽气管路18，当脉动注入液氮过程结束后，开启回气截止阀14，将氮气通过负压风机19抽采至抽采管路18，执行液氮制备过程。

f、如图2所示，回采工作面22沿着巷道不断向前推移，回采工作面22每向前推移一段距离后，便形成一块采场区域，采场区域后方为采空区，随着回采工作面向的不断向前推移，依次按照上述步骤a至e，使顶板岩层进行有效跨落。

本实施例中，所述致裂孔2和导向孔3之间的间距为4～5m，并且致裂孔2和导向孔3的倾角为30～60°，孔深为8～10m，孔径为30～35cm；所述致裂管4、注液管9、回气管18均采用防冻裂无缝钢管，并在防冻裂无缝钢管内部套有含绝热特性的岩棉、石棉或玻璃纤维；所述冷却机组20的温度控制范围为-250～-10℃；所述负压风机19的风压控制范围为-0.8mpa～-1.2mpa，风机相关参数具体为：风量为3000m³/h，转速为500转/min，风叶直径为800mm，在负压风机19入风口布置一个空气过滤器，防止岩层碎渣进入负压风机19内发生故障。

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。