一種液氮低溫預(yù)裂煤礦厚硬難垮頂板的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于煤炭開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，尤其是設(shè)及一種液氮低溫預(yù)裂煤礦堅(jiān)硬難跨頂板 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 厚度大、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)致密、整體性良好的煤礦堅(jiān)硬頂板在我國(guó)許多礦區(qū)廣泛賦 存。厚及特厚煤層綜放開(kāi)采時(shí)，采場(chǎng)厚硬頂板不能及時(shí)跨落。隨著工作面的逐漸推進(jìn)，采場(chǎng) 厚硬難跨頂板的懸空面積會(huì)逐漸增大，該勢(shì)必會(huì)加大采場(chǎng)工作面的支護(hù)難度；同時(shí)，采場(chǎng)厚 硬難跨頂板的初次/周期來(lái)壓步距很大，其會(huì)隨工作面的逐漸推進(jìn)積聚大量的能量，當(dāng)采 場(chǎng)厚硬頂板自重及上覆巖層的荷載達(dá)到其極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生瞬間整體跨落，進(jìn)而引發(fā) 劇烈的沖擊動(dòng)力災(zāi)害，破壞巷道圍巖和采場(chǎng)設(shè)備，甚至造成人員傷亡。
[0003] 煤礦厚硬難跨頂板的超前預(yù)裂可W有效減少采空區(qū)的懸頂面積、縮短初次/周期 來(lái)壓步距、降低初次/周期來(lái)壓強(qiáng)度，進(jìn)而保障安全生產(chǎn)。傳統(tǒng)地，煤礦厚硬難跨頂板的預(yù) 裂方法主要包括；注水弱化法、化學(xué)炸藥爆破法、水力壓裂法等。注水弱化法通過(guò)提高含水 率、溶解膠結(jié)礦物、減小黏聚力來(lái)弱化厚硬頂板，其預(yù)裂效果不佳；化學(xué)炸藥爆破法產(chǎn)生的 爆破沖擊波對(duì)煤巖層的動(dòng)力擾動(dòng)較大，其可控性差，時(shí)有啞炮、拒爆等現(xiàn)象發(fā)生，操作過(guò)程 中產(chǎn)生的火花等容易引發(fā)瓦斯爆炸，安全隱患極大；水力壓裂法不僅消耗了大量的水資源， 而且預(yù)裂過(guò)程中高壓壓裂液中的化學(xué)試劑容易引發(fā)污染。因此，亟需尋找一種易操作、成本 低、效果好的煤礦厚硬難跨頂板預(yù)裂方法來(lái)保障安全生產(chǎn)。
[0004] 低溫條件下（-195.8°C)液氮無(wú)色無(wú)味，可W誘導(dǎo)巖石中微裂隙/孔隙的擴(kuò)展，進(jìn) 而產(chǎn)生壓裂效應(yīng)。液氮低溫壓裂技術(shù)被廣泛應(yīng)用于油氣開(kāi)發(fā)的鉆井、完井和增產(chǎn)中。然而， 液氮低溫預(yù)裂技術(shù)在煤炭開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域（尤其在煤礦厚硬難跨頂板的超前預(yù)裂方面）的應(yīng) 用鮮有報(bào)道。
[0005] -種液氮低溫預(yù)裂煤礦厚硬難跨頂板的方法易操作、成本低、效果好，不僅可W避 免前述方法的缺點(diǎn)與劣勢(shì)，而且可W充分利用低溫條件下液氮對(duì)巖石微裂隙/孔隙擴(kuò)展的 誘導(dǎo)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦厚硬難跨頂板的預(yù)裂，進(jìn)而保障安全生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是；提供了一種充分利用低溫條件下液氮對(duì)巖石微裂 隙/孔隙擴(kuò)展的誘導(dǎo)特性，超前預(yù)裂煤礦厚硬難跨頂板的方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是按照W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] -種液氮低溫預(yù)裂煤礦厚硬難跨頂板的方法，具體包括W下步驟：
[0009] (1)提純氮?dú)?，在冷卻機(jī)組的作用下液化封裝于液氮儲(chǔ)罐內(nèi)，并運(yùn)往采煤工作面；
[0010] (2)按照W下順序依次連接液氮低溫預(yù)裂系統(tǒng)：液氮儲(chǔ)罐一一供液管一一預(yù)裂高 壓累一一預(yù)裂管一一預(yù)裂噴嘴一一固定器一一除屑器一一回流管一一凈化器連接于一體， 檢查系統(tǒng)能否正常運(yùn)行；
[0011] 做在運(yùn)輸順槽和軌道順槽中超前工作面一定距離分別向采場(chǎng)厚硬難跨頂板中鉆 取預(yù)裂鉆孔，并開(kāi)設(shè)模形環(huán)槽；
[0012] (4)將預(yù)裂管伸入步驟（3)布置的預(yù)裂鉆孔深處，并在步驟（3)開(kāi)設(shè)的預(yù)裂鉆孔開(kāi) 孔端安置注水高壓膨脹封孔器；
[0013] (5)開(kāi)啟供液閥、關(guān)閉回流閥、啟動(dòng)高壓累，使液氮流體依次經(jīng)供液管一一高壓 累一一預(yù)裂管路一一預(yù)裂噴嘴進(jìn)入步驟（3)開(kāi)設(shè)的模形環(huán)槽內(nèi)，產(chǎn)生致裂效應(yīng)；
[0014] 做開(kāi)啟回流閥、關(guān)閉供液閥，使低溫液氮回流依次經(jīng)預(yù)裂管路一-回流閥一-除 屑器一一凈化器，實(shí)現(xiàn)液氮/氮?dú)饣亓鞯某s與提純，并最終液化封裝于液氮儲(chǔ)罐內(nèi)W循環(huán) 利用；
[0015] (7)隨著工作面的逐漸推進(jìn)，依次重復(fù)上述步驟（3)、（4)、（5)和化），實(shí)現(xiàn)對(duì)礦厚 硬難跨頂板超前預(yù)裂。
[0016] 優(yōu)選的，所述的步驟（1)采用高效吸附劑和過(guò)濾器從大氣中提純氮?dú)狻?br>[0017] 優(yōu)選的，所述的步驟（1)中冷卻機(jī)組的測(cè)量控制范圍為；-30(TC~0°C。
[0018] 優(yōu)選的，所述的步驟（2)中供液管路和預(yù)裂管的材質(zhì)需具有絕熱特性的巖棉、耐 高溫玻璃棉、娃酸侶、微孔娃酸巧、復(fù)合娃酸鹽或聚氨醋中的一種或幾種，W避免低溫液氮 流體在管路輸送過(guò)程中的溫度損耗。
[0019] 優(yōu)選的，所述的步驟（3)運(yùn)輸順槽和軌道順槽中預(yù)裂鉆孔的布置位置超前工作面 的距離為5~15m。
[0020] 優(yōu)選的，所述的步驟（3)預(yù)裂鉆孔直徑d。為40~120mm。
[002。 優(yōu)選的，所述的步驟（3)預(yù)裂鉆孔的孔間距1。為3~8m。
[0022] 優(yōu)選的，所述的步驟（3)預(yù)裂鉆孔與厚硬難跨頂板的夾角a為15°~75°。
[0023] 優(yōu)選的，所述的步驟（3)在預(yù)裂鉆孔端部開(kāi)設(shè)的模形環(huán)槽能使低溫液氮對(duì)厚硬頂 板裂縫的形成與擴(kuò)展產(chǎn)生導(dǎo)向作用。
[0024] 優(yōu)選的，所述的步驟（4)注水高壓膨脹封孔器的封孔長(zhǎng)度為2~5m。
[0025] 優(yōu)選的，所述的步驟（4)預(yù)裂管路間相互串聯(lián)。
[0026] 優(yōu)選的，所述的步驟巧）液氮儲(chǔ)罐的供液溫度在-195. 8°CW下。
[0027] 優(yōu)選的，所述的步驟（7)工作面的推進(jìn)距離為方=(^~^)Z±2m，其中L為厚硬頂 板初次來(lái)壓步距Li和周期來(lái)壓步距L2的較小值。
[0028] 采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：
[0029] 本發(fā)明充分利用低溫條件下液氮對(duì)巖石微裂隙/孔隙擴(kuò)展的誘導(dǎo)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤 礦厚硬難跨頂板的預(yù)裂。
[0030] (1)本發(fā)明采用的液氮源于大氣，其來(lái)源廣泛、成本低、操作簡(jiǎn)單且效果良好。
[0031] (2)本發(fā)明充分利用低溫液氮對(duì)巖石中微裂隙/孔隙擴(kuò)展的誘導(dǎo)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤 礦厚硬難跨頂板的超前預(yù)裂，不僅減小了厚硬難跨頂板的懸頂面積，而且降低了其初次/ 周期來(lái)壓步距和來(lái)壓強(qiáng)度，有效地避免了綜放開(kāi)采時(shí)厚硬頂板瞬時(shí)跨落引發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害， 保障安全生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0032] W下附圖旨在對(duì)本發(fā)明作示意性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉幌薅ū景l(fā)明的范圍。其中：
[0033] 圖1為液氮低溫預(yù)裂煤礦厚硬難跨頂板的示意圖；
[0034] 圖2為液氮低溫預(yù)裂煤礦厚硬難跨頂板射流鉆孔平面分布示意圖；
[0035] 圖3為液氮低溫預(yù)裂煤礦厚硬難跨頂板射流鉆孔切面分布示意圖；
[0036] 圖中；1一過(guò)濾器；2-液氮；3-冷卻機(jī)組；4-液氮儲(chǔ)罐；5-供液管；6-高壓累； 7-預(yù)裂管巧一固定器；9-除屑器；10-回流管；11-凈化器；12-運(yùn)輸順槽；13-軌道順 槽；14-采煤工作面；15-厚硬難跨頂板；16-預(yù)裂鉆孔；17-模形環(huán)槽；18-注水高壓膨 脹封孔器；19-采場(chǎng)煤體；Ki-供液閥；K2-回流閥；a-