一种煤矿采空区坚硬顶板低温致裂放顶方法技术

一种煤矿采空区坚硬顶板低温致裂放顶方法，适用于煤层采空区顶板强化致裂技术领域。利用数显式温度仪、温度传感器、注水管、低温流体冻结管、胶囊封孔器、高压注水系统和低温流体槽车，向采空区坚硬顶板依次施工多个致裂钻孔和一个空孔；将螺旋低温流体管、注水管与胶囊封孔器相连接送入多个致裂钻孔中，采用胶囊封孔器进行高压封孔，并冻结致裂钻孔孔口圆柱形扩孔段，形成自封孔结构，再对多个致裂钻孔进行冻结，利用水冰相变致裂煤层顶板。当温度传感器均升高到3℃以上时重复冻结，形成冻胀‑融化‑冻胀的循环致裂。利用低温流体进行水冰相变产生9.1％的膨胀率来致裂煤层坚硬顶板，其方法简单，操作方便，成本低廉，操作简单，致裂效果好。

A method of low temperature cracking and caving of hard roof in Goaf

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿采空区坚硬顶板低温致裂放顶方法
本专利技术涉及一种煤矿采空区坚硬顶板低温致裂放顶方法，尤其适用于致密坚硬、自然垮塌难，必须人为强化致裂的煤层采空区顶板。
技术介绍
随着煤矿井下采煤工作面的不断推进，采空区遗留顶板长度及悬顶面积越来越大，用于支撑采空区顶板煤柱的强度越来越小，容易形成应力集中，长久下去容易发生顶板垮落伤人及冲击矿压事故。对于高瓦斯矿井来说，采空区顶板处还容易形成局部积聚瓦斯，引起瓦斯事故。因此，需要对采空区顶板进行预先致裂，人为的使顶板有目的垮落并堆积在采空区内，以防止瓦斯及顶板冒落事故的发生。一般来说，当采空区顶板强度比较低时，顶板依靠地应力及自身的重力作用进行垮落，当顶板比较坚硬时，通常采用传统的深孔爆破、高压水力压裂的方法进行致裂。然而，传统的致裂方法有一定的缺陷，例如深孔爆破方法需要大量的烈性炸药，爆炸过程中的应力波对原岩产生强烈的应力扰动，改变原岩应力分布，容易诱发冲击地压事故，此外，炸药爆炸时产生大量的烟气，污染井下环境；另外煤矿井下采空区容易积聚瓦斯，采用炸药爆破致裂方式容易诱导瓦斯爆炸。高压水力压裂设备体积庞大、井下狭小空间适应性差，由于水压比较高，钻孔封孔难度大，失败几率高。因此，针对上述问题，煤矿亟需一种新型安全的采空区坚硬顶板致裂放顶装置及方法，在确保安全的前提下，能够节约水资源，高效的致裂顶板。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是要克服传统顶板致裂办法，提供一种操作简单、成本低廉、安全可靠、致裂效果好的煤矿采空区坚硬顶板低温致裂放顶方法。技术方案：本专利技术的一种煤矿采空区坚硬顶板低温致裂放顶方法，包括采用数显式温度仪、温度传感器、注水管、低温流体冻结管、胶囊封孔器、高压注水系统和低温流体槽车，低温致裂放顶方法包括以下步骤：a.施工钻孔：向采空区坚硬顶板依次施工多个致裂钻孔和一个空孔，先利用普通钻头向采空区坚硬顶板内施工致裂钻孔至致裂钻孔最深点位置K4，然后将普通钻头退出，并换成定位压控切割钻头钻进，当定位压控切割钻头钻进到达扩孔段起始点位置K1时，定位压控切割钻头刀刃张开，对钻孔进行扩孔扩孔段终点位置K2时停止，形成圆柱形扩孔段，定位压控切割钻收起扩孔刀刃退出钻杆，施工完成多个致裂钻孔后，在多个致裂钻孔中部施工一个空孔；b.设备布置：在致裂钻孔内设置温度传感器，并通过数据线与致裂钻孔外的数显式温度仪相连接，将胶囊封孔器一和胶囊封孔器二串联穿过注水管一、注水管二、低温流体冻结管一和低温流体冻结管二后一并送入致裂钻孔内，胶囊封孔器一和胶囊封孔器二分别位于致裂钻孔的位置A处和位置B处，通过注水系统对胶囊封孔器一和胶囊封孔器二进行高压封孔，利用单向阀一将低温流体冻结管二与排放管连接，将低温流体冻结管一与排放管直接相连，并在排放管管口处安装单向阀二来控制热量交换后的低温流体的排出，将低温流体槽车和主管路之间连接注射泵，通过分流器和其他多个致裂钻孔内的低温流体管相连接，同时对多个致裂钻孔进行冻结致裂；c.冻结圆柱形扩孔段：打开注水管一上的阀门，将注水管一的快速接头一与注水系统上的注水阀门相连接，向圆柱形扩孔段中注入高压水，监测注水管一上的压力表，待圆柱形扩孔段内水压达到1.2MPa并能保持30分钟后，关闭阀门停止注水，拆掉快速接头一；将低温流体冻结管一上的阀门打开，用快速接头四与低温流体槽车的低温流体阀门连接，向低温流体冻结管一中注入低温流体，并从单向阀排出；通过数显式温度仪监测扩孔段起始点位置K1的温度，直到扩孔段起始点位置K1处的温度降到-2℃以下时，关闭阀门；d.冻结致裂钻孔：打开注水管二上的阀门，然后将注水管二上的快速接头二与注水系统上的注水阀门相连接，然后向致裂钻孔中间点位置K3处注入高压水，监测注水管二上的压力表，待压力表显示的压力达到1.2MPa并能保持30分钟后，关闭阀门停止注水，拆掉快速接头二；将低温流体冻结管二上的阀门打开，将快速接头三与低温流体槽车的低温流体阀门连接，向低温流体冻结管二中注入低温流体，对致裂钻孔内的水进行冻结，在冻结的同时，低温流体会通过单向阀一流入低温流体冻结管一内，低温流体在低温流体冻结管一中与冻结状态的冰柱继续进行热交换，维持圆柱形扩孔段处于冻结状态，热交换后的低温流体通过单向阀二排出；监测数显式温度仪上致裂钻孔最深点位置K4、致裂钻孔中间点位置K3和扩孔段起始点位置K1的温度，当3个位置处的温度值均降低到-2℃时，冻结致裂结束，关闭阀门；e.循环冻胀致裂钻孔：致裂钻孔中的冻冰随着煤矿采空区坚硬顶板的岩体温度逐渐融化，当监测数显式温度仪监测到致裂钻孔中的整体温度均升高到3℃以上时，完成一次水冰相变冻胀致裂循环；f.重复步骤c-e，对致裂钻孔再次进行冻胀-融化-冻胀的循环致裂，直到空孔中有水流出时为止。所述的温度传感器包括布置在致裂钻孔最深点位置K4处的温度传感器一、致裂钻孔中间点位置K3处的温度传感器二和扩孔段起始点位置K1处的温度传感器三。所述的注水管一的出水口布置在圆柱形扩孔段内，所述注水管二的出水口布置在致裂钻孔中间点位置K3处，低温流体冻结管一与排放管的连接口位于单向阀一和单向阀二之间，低温流体冻结管二与排放管连接的单向阀一位于圆柱形扩孔段内。在形成圆柱形扩孔段时，对圆柱形扩孔段内注水进行冻结，冻结后形成的冰柱在圆柱形扩孔段内形成自封孔结构。所述的低温流体冻结管一和低温流体冻结管二的结构为热交换性能良好的螺旋形结构，两者通过排放管相连接，并利用单向阀一控制低温流体的单向流动，使低温流体冻结管二中的低温流体流入低温流体冻结管一中，而低温流体冻结管一中的低温流体却无法流入低温流体冻结管二中，低温流体冻结管的材质为承压能力大于1.2MPa、耐温范围为-200℃-100℃的钢管。所述的低温流体冻结管一和低温流体冻结管二中的温度≤-10℃，低温流体冻结管中的介质为液氮、液态二氧化碳或低温蓄能流体。所述的多个致裂钻孔为3-6个。所述的多个致裂钻孔的孔径为80mm，相邻致裂钻孔之间的距离为1-2m。所述一个空孔的孔径为致裂钻孔孔径的2-3倍。有益效果：由于采用了上述技术方案，本专利技术采用在进行冻胀致裂时，对致裂钻孔进行分段冻结，将水冰相变现象及低温流体的优势结合起来应用于煤矿采空区坚硬顶板的致裂放顶中，设计带有圆柱形扩孔段的致裂钻孔，使用双胶囊串联封孔，设计高效热传递的螺旋式结构低温流体冻结管，先注水冻结圆柱形扩孔段实现一个自封孔结构，然后冻结致裂钻孔段，根据致裂情况可以进行循环冻结致裂，使坚硬顶板在地应力和自重的情况下自然垮塌。水冰相变是自然界一种常见的物理现象，由水结成冰的过程体积会增大9.1％，由于体积膨胀产生的作用力最大可达到200MPa，在高寒高海拔地区经常出现由于冻胀造成岩石破碎的现象；各种低温流体制备方便，原料来源广泛，能够快速冻结液体，作为高效的制冷流体，在煤矿煤层致裂增透方面开始应用。本专利技术与现有技术相比，充分利用了各种低温流体的特点，致使水冰相变体积膨胀产生200MPa以上的巨大压力，设计圆柱形自封孔腔体，解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤矿采空区坚硬顶板低温致裂放顶方法，包括采用数显式温度仪(1)、温度传感器(3)、注水管、低温流体冻结管、胶囊封孔器、高压注水系统(13)和低温流体槽车(14)，其特征在于，低温致裂放顶方法包括以下步骤：/na.施工钻孔：向采空区坚硬顶板依次施工多个致裂钻孔(9)和一个空孔(16)，先利用普通钻头向采空区坚硬顶板(10)内施工致裂钻孔(9)至致裂钻孔最深点位置K4，然后将普通钻头退出，并换成定位压控切割钻头钻进，当定位压控切割钻头钻进到达扩孔段起始点位置K1时，定位压控切割钻头刀刃张开，对钻孔(9)进行扩孔至扩孔段终点位置K2时停止，形成圆柱形扩孔段(8)，定位压控切割钻收起扩孔刀刃退出钻杆，施工完成多个致裂钻孔(9)后，在多个致裂钻孔(9)中部施工一个空孔(16)；/nb.设备布置：在致裂钻孔(9)内设置温度传感器(3)，并通过数据线(2)与致裂钻孔外的数显式温度仪(1)相连接，将胶囊封孔器一(11)和胶囊封孔器二(12)串联穿过注水管一(4)、注水管二(5)、低温流体冻结管一(7)和低温流体冻结管二(6)后一并送入致裂钻孔(9)内，胶囊封孔器一(11)和胶囊封孔器二(12)分别位于致裂钻孔(9)的位置A处和位置B处，通过注水系统(13)对胶囊封孔器一(11)和胶囊封孔器二(12)进行高压封孔，利用单向阀一(6-3)将低温流体冻结管二(6)与排放管(15)连接，将低温流体冻结管一(7)与排放管(15)直接相连，并在排放管(15)管口处安装单向阀二(7-3)来控制热量交换后的低温流体的排出，将低温流体槽车(14)和主管路之间连接注射泵(14-3)，通过分流器(14-2)和其他多个致裂钻孔(9)内的低温流体管相连接，同时对多个致裂钻孔进行冻结致裂；/nc.冻结圆柱形扩孔段：打开注水管一(4)上的阀门(4-2)，将注水管一(4)的快速接头一(4-1)与注水系统(13)上的注水阀门(13-1)相连接，向圆柱形扩孔段(8)中注入高压水，监测注水管一(4)上的压力表(4-3)，待圆柱形扩孔段内水压达到1.2MPa并能保持30分钟后，关闭阀门(4-2)停止注水，拆掉快速接头一(4-1)；将低温流体冻结管一(7)上的阀门(7-2)打开，用快速接头四(7-1)与低温流体槽车(14)的低温流体阀门(14-1)连接，向低温流体冻结管一(7)中注入低温流体，并从单向阀(7-3)排出；通过数显式温度仪(1)监测扩孔段起始点位置K1的温度，直到扩孔段起始点位置K1处的温度降到-2℃以下时，关闭阀门(7-2)；/nd.冻结致裂钻孔：打开注水管二(5)上的阀门(5-2)，然后将注水管二(5)上的快速接头二(5-1)与注水系统(13)上的注水阀门(13-1)相连接，然后向致裂钻孔(9)中间点位置K3处注入高压水，监测注水管二(5)上的压力表(5-3)，待压力表(5-3)显示的压力达到1.2MPa并能保持30分钟后，关闭阀门(5-2)停止注水，拆掉快速接头二(5-1)；将低温流体冻结管二(6)上的阀门(6-2)打开，将快速接头三(6-1)与低温流体槽车(14)的低温流体阀门(14-1)连接，向低温流体冻结管二(6)中注入低温流体，对致裂钻孔(9)内的水进行冻结，在冻结的同时，低温流体会通过单向阀一(6-3)流入低温流体冻结管一(7)内，低温流体在低温流体冻结管一(7)中与冻结状态的冰柱继续进行热交换，维持圆柱形扩孔段(8)处于冻结状态，热交换后的低温流体通过单向阀二(7-3)排出；监测数显式温度仪(1)上致裂钻孔最深点位置K4、致裂钻孔中间点位置K3和扩孔段起始点位置K1的温度，当3个位置处的温度值均降低到-2℃时，冻结致裂结束，关闭阀门(6-2)；/ne.循环冻胀致裂钻孔：致裂钻孔(9)中的冻冰随着煤矿采空区坚硬顶板(10)的岩体温度逐渐融化，当监测数显式温度仪(1)监测到致裂钻孔(9)中的整体温度均升高到3℃以上时，完成一次水冰相变冻胀致裂循环；/nf.重复步骤c-e，对致裂钻孔(9)再次进行冻胀-融化-冻胀的循环致裂，直到空孔(16)中有水流出时为止。/n...

【技术特征摘要】
1.一种煤矿采空区坚硬顶板低温致裂放顶方法，包括采用数显式温度仪(1)、温度传感器(3)、注水管、低温流体冻结管、胶囊封孔器、高压注水系统(13)和低温流体槽车(14)，其特征在于，低温致裂放顶方法包括以下步骤：
a.施工钻孔：向采空区坚硬顶板依次施工多个致裂钻孔(9)和一个空孔(16)，先利用普通钻头向采空区坚硬顶板(10)内施工致裂钻孔(9)至致裂钻孔最深点位置K4，然后将普通钻头退出，并换成定位压控切割钻头钻进，当定位压控切割钻头钻进到达扩孔段起始点位置K1时，定位压控切割钻头刀刃张开，对钻孔(9)进行扩孔至扩孔段终点位置K2时停止，形成圆柱形扩孔段(8)，定位压控切割钻收起扩孔刀刃退出钻杆，施工完成多个致裂钻孔(9)后，在多个致裂钻孔(9)中部施工一个空孔(16)；
b.设备布置：在致裂钻孔(9)内设置温度传感器(3)，并通过数据线(2)与致裂钻孔外的数显式温度仪(1)相连接，将胶囊封孔器一(11)和胶囊封孔器二(12)串联穿过注水管一(4)、注水管二(5)、低温流体冻结管一(7)和低温流体冻结管二(6)后一并送入致裂钻孔(9)内，胶囊封孔器一(11)和胶囊封孔器二(12)分别位于致裂钻孔(9)的位置A处和位置B处，通过注水系统(13)对胶囊封孔器一(11)和胶囊封孔器二(12)进行高压封孔，利用单向阀一(6-3)将低温流体冻结管二(6)与排放管(15)连接，将低温流体冻结管一(7)与排放管(15)直接相连，并在排放管(15)管口处安装单向阀二(7-3)来控制热量交换后的低温流体的排出，将低温流体槽车(14)和主管路之间连接注射泵(14-3)，通过分流器(14-2)和其他多个致裂钻孔(9)内的低温流体管相连接，同时对多个致裂钻孔进行冻结致裂；
c.冻结圆柱形扩孔段：打开注水管一(4)上的阀门(4-2)，将注水管一(4)的快速接头一(4-1)与注水系统(13)上的注水阀门(13-1)相连接，向圆柱形扩孔段(8)中注入高压水，监测注水管一(4)上的压力表(4-3)，待圆柱形扩孔段内水压达到1.2MPa并能保持30分钟后，关闭阀门(4-2)停止注水，拆掉快速接头一(4-1)；将低温流体冻结管一(7)上的阀门(7-2)打开，用快速接头四(7-1)与低温流体槽车(14)的低温流体阀门(14-1)连接，向低温流体冻结管一(7)中注入低温流体，并从单向阀(7-3)排出；通过数显式温度仪(1)监测扩孔段起始点位置K1的温度，直到扩孔段起始点位置K1处的温度降到-2℃以下时，关闭阀门(7-2)；
d.冻结致裂钻孔：打开注水管二(5)上的阀门(5-2)，然后将注水管二(5)上的快速接头二(5-1)与注水系统(13)上的注水阀门(13-1)相连接，然后向致裂钻孔(9)中间点位置K3处注入高压水，监测注水管二(5)上的压力表(5-3)，待压力表(5-3)显示的压力达到1.2MPa并能保持30分钟后，关闭阀门(5-2)停止注水，拆掉快速接头二(5-1)；将低温流体冻结管二(6)上的阀门(6-2)打开，将快速接头三(6-1)与低温流体槽车(14)的低温流体阀门(14-1)连接，向低温流体冻结管二(6)中注入低温流体，对致裂钻孔(9)内的水进行冻结，在冻结的同时，低温流体会通过单向阀一(6-3)流入低温...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟成，郑仰峰，徐吉钊，丛钰州，孙勇，姚艳斌，唐伟，李宇杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：江苏;32