基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法，包括高压空气泵、制冷管道、制冷装置、制热管道、制热装置、进气套筒和出气套筒。高压空气泵安装于煤矿巷道内，通过三通管分别连接制冷管道和制热管道，用于向进气套筒泵送经降温或加热后的空气；进气套筒和出气套筒分布在目标层的两侧，高压空气经由制冷管道和/或制热管道，自进气套筒穿过目标层后由出气套筒处排出。该治理系统及方法能够使目标层的岩层在循环冷热冲击以及风化作用下发生碎裂，由大块破碎为小颗粒。破碎后的颗粒状岩层间隙缩小并在重力作用下堆积，形成新的防水层，增加了煤矿上覆岩层中的隔水层厚度，达到有效降低岩层透水性的目的。达到有效降低岩层透水性的目的。达到有效降低岩层透水性的目的。

【技术实现步骤摘要】
基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法


[0001]本专利技术涉及煤矿安全生产领域，并具体涉及一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，在我国的能源结构中，煤炭依然占据着主要地位。随着煤炭行业的不断发展以及浅部煤层的开采枯竭，在对深部煤层进行开采作业的过程中，煤矿采区的水文地质条件更加复杂，煤矿安全作业问题日益突出，其中，顶板突水是矿井突水灾害中较为频发的一种。由于我国中东部和西部部分矿井，其上覆岩层中存在厚度较大的含水层，并且该含水层水量大、水压高、补给性好。而含水层下方，由于煤炭形成的地质条件，其以页岩层和石灰岩层为主，石灰岩层的覆岩裂隙多且大，网络展布特征明显，在煤层开采过程中上部含水层的水穿过覆岩裂隙到达开采工作面，使涌水量增大，极易造成矿井突水事故。
[0003]现阶段治理矿井顶板突水，普遍采用注浆工艺，即通过填充裂隙以达到阻断水流路径的目的，进而降低突水事故发生的概率。但由于地质构造复杂的煤矿内部裂隙发育密集且分布无规律性，依靠现有勘测技术无法实现对裂隙分布情况的全方位探查，造成部分浆液无法进入的例如封闭裂隙因外力形成的贯通裂隙；同时，通过注浆加固围岩，加强断层周围破碎带及煤层顶底板破坏带的力学性能，能够增加抗渗性能，但该方法较佳的应用场景是预防工作面开采时顶板无补给水源的前提，针对含水层补给水源不明且水量大的地质情况，通过注浆填充不能够获得较好的防治顶板突水的效果。
[0004]综上所述，传统防治水装置及方法对于解决地质构造复杂的煤矿防治水问题存在一定的缺陷和不足，所以，提供一种针对含水层水量大且补给水源不明的煤矿防治水方法，对降低工作面涌水量及提高采动效率具有重要的指导及实践意义。而煤矿开采区域中，页岩层和石灰岩层，由于其具备容易破碎或粉碎，以及含有较多的黏土矿物质，抗风化能力弱等特点，因此，本专利技术提供一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法。

技术实现思路

[0005]为解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法。
[0006]本专利技术提供的技术方案如下：
[0007]一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，包括高压空气泵、制冷管道、制冷装置、制热管道、制热装置、进气套筒和出气套筒，其中，所述高压空气泵安装于煤矿巷道内，用于泵送空气，所述高压空气泵的出气管通过三通管分别连接所述制冷管道和所述制热管道；所述制冷管道的两端分别连接所述高压空气泵和所述进气套筒，所述制冷管道的两端分别设有第一阀门和第二阀门；所述制冷装置用于对所述制冷管道内的空气进行制冷降温；所述制热管道的两端分别连接所述高压空气泵和所述进气套筒，所述制热管道的两端分别设有第三阀门和第四阀门；所述制热装置用于对所述制热管
道内的空气进行加热升温；所述进气套筒和所述出气套筒为中空且两端密封的筒状结构，筒壁均开设有气孔；所述进气套筒一端面开设进气口，出气套筒一端面开设出气口；所述进气套筒位于运输巷道，所述出气套筒位于回风巷道，进气套筒和出气套筒对称安装于煤矿采区作业目标层的两侧；所述高压空气泵泵出的空气能够经由所述制冷管道和/或所述制热管道，自所述进气套筒穿过目标层后由所述出气套筒处喷出。
[0008]进一步的，所述进气套筒和所述出气套筒内部均设有气体控制装置，所述气体控制装置能够控制所述进气套筒和所述出气套筒的气孔开闭。
[0009]进一步的，所述气体控制装置包括限位板、弹簧、气筒和电动推杆，所述限位板设有气体通道，安装于所述气筒下方，所述弹簧安装在所述限位板上，并与所述气筒连接；所述气筒顶端密闭，底端开设第二进气口，四周开设与所述气孔对应的调节孔；所述电动推杆设置在所述进气套筒和/或所述出气套筒的内部顶端面，其前端与所述气筒固定连接；所述气筒在所述电动推杆牵拉下伸长或回缩一定行程时，所述气孔能够闭合或开启。
[0010]进一步的，该系统还设有控制系统，所述控制系统包括计算机、PLC控制柜、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器，其中，所述第一温度传感器安装于所述制冷管道上，所述第二温度传感器安装于制热管道上，所述第三温度传感器安装于出气套筒处，所述压力传感器设置于进气套筒处；所述制冷管道的两端分别设有第一阀门和第二阀门，所述制热管道的两端分别设有第三阀门和第四阀门；所述制冷管道靠近所述进气套管处设有第一温度传感器，所述制热管道靠近所述进气管道处设有第二温度传感器，所述出气套管处设有第三温度传感器，所述进气套管处设有压力传感器；所述所述高压空气泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、压力传感器和所述电动推杆通过信号传输线与PLC控制柜连接，用于向PLC控制柜传输信息，并执行PLC控制柜的作业指令；所述PLC控制柜通过信号传输线与所述计算机连接，用于接收和传输所述计算机的作业指令。
[0011]进一步的，所述制冷装置包括液氮储存罐、液氮泵、制冷套筒和液氮回收罐，其中，所述制冷套筒为环状管，制冷管道沿轴线穿过制冷套筒；所述制冷套筒的两端分别设有进液孔和出液孔，所述进液孔通过所述液氮泵连接所述液氮储存罐；所述出液孔通过软管连接所述液氮回收罐；所述液氮泵启动后，将液氮从所述液氮储存罐泵出，液氮充满所述制冷套筒后自出所述液孔流向所述液氮回收罐。
[0012]进一步的，所述制热装置为电磁感应加热器，所述电磁感应加热器设有多组感应线圈，能够逐级对所述制热管道进行局部加热。
[0013]进一步的，所述制冷管道和制热管道采用铸铁材质制作，所述制冷管道和制热管道设有隔热包裹层。
[0014]进一步的，该系统还设有余气水槽，所述出气套筒的出气口通过软管连接至所述余气水槽的底部。
[0015]一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理方法，包括以下步骤：
[0016]S1，根据空气扩散半径R，确定超前治理区域的面积N，
[0017]通过下述公式(1),计算空气在采掘作业区域的目标层内的扩散系数D，
[0018][0019]式中，
[0020]D—在介质A、B条件下的扩散系数，m2/s，
[0021]α—修正系数，
[0022]v
A
—介质A的流速，m/s，
[0023]T
A
—泵送空气温度，K，T
B
—目标层空气温度，K，
[0024]M
A
、M
B
—气体A、B的摩尔质量，kg/kmol，
[0025]ρ
A
、ρ
B
—气体A、B的密度，kg/m3，
[0026]P
A
—泵送空气压强，Pa，P
B
—目标层内气体压强，Pa；
[0027]通过下述公式(2)，计算由进气套管处喷出空气的有效扩散半径R：
[0028][0029]式中，...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，包括高压空气泵、制冷管道、制冷装置、制热管道、制热装置、进气套筒和出气套筒，其中，所述高压空气泵安装于煤矿巷道内，用于泵送空气，所述高压空气泵的出气管通过三通管分别连接所述制冷管道和所述制热管道；所述制冷管道的两端分别连接所述高压空气泵和所述进气套筒，所述制冷管道的两端分别设有第一阀门和第二阀门；所述制冷装置用于对所述制冷管道内的空气进行制冷降温；所述制热管道的两端分别连接所述高压空气泵和所述进气套筒，所述制热管道的两端分别设有第三阀门和第四阀门；所述制热装置用于对所述制热管道内的空气进行加热升温；所述进气套筒和所述出气套筒为中空且两端密封的筒状结构，筒壁均开设有气孔；所述进气套筒一端面开设进气口，出气套筒一端面开设出气口；所述进气套筒位于运输巷道，所述出气套筒位于回风巷道，进气套筒和出气套筒相应安装于煤矿采区作业目标层的两侧；所述高压空气泵泵出的空气能够经由所述制冷管道和/或所述制热管道，自所述进气套筒穿过目标层后由所述出气套筒处喷出。2.根据权利要求1所述的一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，所述进气套筒和所述出气套筒内部均设有气体控制装置，所述气体控制装置能够控制所述进气套筒和所述出气套筒的气孔开闭。3.根据权利要求2所述的一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，所述气体控制装置包括限位板、弹簧、气筒和电动推杆，所述限位板设有气体通道，安装于所述气筒下方，所述弹簧安装在所述限位板上并与所述气筒连接；所述气筒顶端密闭，底端开设第二进气口，四周开设与所述气孔对应的调节孔；所述电动推杆设置在所述进气套筒和/或所述出气套筒的内部顶端面，其前端与所述气筒固定连接；所述气筒在所述电动推杆牵拉下伸长或回缩一定行程时，所述气孔能够闭合或开启。4.根据权利要求3所述的一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，该系统还设有控制系统，所述控制系统包括计算机、PLC控制柜、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器，其中，所述第一温度传感器安装于所述制冷管道上，所述第二温度传感器安装于制热管道上，所述第三温度传感器安装于出气套筒处，所述压力传感器设置于进气套筒处；所述制冷管道的两端分别设有第一阀门和第二阀门，所述制热管道的两端分别设有第三阀门和第四阀门；所述制冷管道靠近所述进气套管处设有第一温度传感器，所述制热管道靠近所述进气管道处设有第二温度传感器，所述出气套管处设有第三温度传感器，所述进气套管处设有压力传感器；
所述所述高压空气泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、压力传感器和所述电动推杆通过信号传输线与PLC控制柜连接，用于向PLC控制柜传输信息，并执行PLC控制柜的作业指令；所述PLC控制柜通过信号传输线与所述计算机连接，用于接收和传输所述计算机的作业指令。5.根据权利要求1所述的一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，所述制冷装置包括液氮储存罐、液氮泵、制冷套筒和液氮回收罐，其中，所述制冷套筒为环状管，制冷管道沿轴线穿过制冷套筒；所述制冷套筒的两端分别设有进液孔和出液孔，所述进液孔通过所述液氮泵连接所述液氮储存罐；所述出液孔通过软管连接所述液氮回收罐；所述液氮泵启动后，将液氮从所述液氮储存罐泵出，液氮充满所述制冷套筒后自出所述液孔流向所述液氮回收罐。6.根据权利要求1所述的一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，所述制热装置为电磁感应加热器，所述电磁感应加热器设有多组感应线圈，能够逐级对所述制热管道进行局部加热。7.根据权利要求1所述的一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，所述制冷管道和制热管道采用铸铁材质制作，所述制冷管道和制热管道设有隔热包裹层。8.根据权利要求1所述的一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，该系统还设有余气水槽，所述出气套筒的出气口通过软管连接至所述余气水槽的底部。9.一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理方法，包括以下步骤：S1，根据空气扩散半径R，确定超前治理区域的面积N，通过下述公式(1),计算空气在采掘作业区域的目标层内的扩散系数D，式中，D—在介质A、B条件下的扩散系数，m2/s，α—修正系数，v
A
—介质A的流速，m/s，T
A
—泵送空气温度，K，T
B

【专利技术属性】
技术研发人员：李杨杨，侯嘉琦，张士川，张浩争，党金铭，任邓君，蔺成森，王一同，汪義茗，郑嘉明，寇爱博，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：