[发明专利]一种煤层坚硬顶板致裂弱化方法

说明书

技术领域

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σ_us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。

发明内容

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。