[发明专利]一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置及破碎煤岩体的方法

权利要求书

1.一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，利用一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，包括液氮储罐、液氮增压泵、复合装置、高压水泵和储水罐，以及多个止回阀和多个闸阀；所述液氮储罐与液氮管路相连，液氮管路上设置有第一止回阀、第一闸阀和液氮增压泵，液氮增压泵和复合装置之间的液氮管路上设置有第二止回阀；所述储水罐通过注水管路依次与第三止回阀、第二闸阀、高压水泵、第四止回阀相连；所述复合装置包括液氮注入口、注水口、雾化喷嘴、混砂管、液氮喷嘴、封孔器和压裂管，所述封孔器设置在压裂管上，雾化喷嘴和液氮喷嘴均设置在混砂管的同一端，压裂管和混砂管相连，压裂管伸入钻孔中，通过压裂管向钻孔注入高压液氮-冰粒磨料的混合液体；其特征在于，步骤包括：

S1.在巷道内向顶板施工钻孔，钻孔完成后将压裂管插入钻孔内，并利用封孔器封堵钻孔，固定压裂管；

S2.连接液氮管路和液氮储罐，连接注水管路和储水罐；

S3.打开第一止回阀、第一闸阀、液氮增压泵和第二止回阀，液氮增压泵将液氮管路中的液氮增压值60-70MPa，增压后的液氮注入复合装置；

S4.打开第四止回阀、第二闸阀、高压水泵和第三止回阀，高压水泵将注水管路中的水加压至60-70MPa，增压后的水注入复合装置；

S5.雾化喷嘴的雾化水滴和液氮喷嘴的液氮相遇后凝结为冰粒，液氮和冰粒在混砂管内混合均匀后，流经压裂管，进入钻孔内的通道压裂岩体；

S6.液氮和冰粒混合液体进入钻孔后冲击顶板岩体产生主裂隙，沿主裂隙扩散的微裂隙在液氮汽化过程中扩展联通，形成裂隙网络；

S7.钻孔压裂结束24小时后，进行下一钻孔的液氮-冰粒复合压裂施工。

2.根据权利要求1所述的一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，其特征在于，所述液氮管路与复合装置的液氮注入口相连，所述注水管路和复合装置的注水口相连。

3.根据权利要求1所述的一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，其特征在于，所述液氮注入口和液氮喷嘴同轴布置，液氮喷嘴由混砂管端部同轴入射；所述注水口和雾化喷嘴同轴布置，雾化喷嘴由混砂管的侧面倾斜入射。

4.根据权利要求1所述的一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，其特征在于，所述封孔器固定在钻孔的孔口处，所述钻孔深度为10-15m，钻孔与竖直方向的夹角为0-30°。

5.根据权利要求1所述的一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，其特征在于，所述液氮储罐中液氮的温度为-196℃；所述储水罐中水的温度为10-20℃。

6.根据权利要求1所述的一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，其特征在于，所述液氮和冰粒的混合流体压力P大于顶板垂直地应力δ₃。

7.根据权利要求1所述的一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，其特征在于，在切顶施工过程中，所述钻孔穿过直接顶，达到基本顶，钻孔向采空区一侧倾斜。

8.根据权利要求1所述的一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，其特征在于，所述止回阀和闸阀相互配合，分别控制液氮管路和注水管路中的流量。