[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

说明书

本发明提供一种基于液氮‑冰粒复合压裂的装置及破碎煤岩体的方法，涉及煤矿安全开采技术领域。该装置包括液氮储罐、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；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，液氮储罐与液氮管路相连，液氮管路上设置有止回阀、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也设置有止回阀，储水罐通过注水管路与止回阀、闸阀、高压水泵相连；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端部，压裂管和混砂管相连。该装置可以在巷道切顶区域施工，向钻孔注入高压液氮‑冰粒磨料的混合液体，利用冲击力使岩石产生主裂隙。

技术领域

本发明涉及煤矿安全开采技术领域，尤其是一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，以及利用该装置破碎煤岩体的方法。

背景技术

在采矿工程中，人工造缝破碎切顶技术是重造巷道围岩应力、改善上覆岩层结构的首选方法。人工造缝破碎切顶技术也是保障煤矿安全生产、提高煤炭采取率的重要措施，其中在坚硬顶板造成悬顶时实施人工破碎切顶，可以避免其突然断裂，造成瞬间能量释放，产生冲击地压，造成巷道失稳、设备损毁甚至影响工作人员安全。在沿空留巷无煤柱开采时实施人工造缝破碎切顶，不仅能提高煤炭资源的回收率，还可以缓解生产采掘接替紧张、减少巷道掘进工作量改善高瓦斯矿井工作面的通风问题。

现有技术中，最常用的人工造缝破碎切顶技术包括爆破切顶和压裂切顶。其中，爆破切顶方法存在钻孔工作量大、爆破工艺复杂、炸药审批困难、安全隐患高、不能平行作业耽误生产等缺点，相比之下，压裂破碎切顶的方法发展日趋成熟。压裂切顶是在封孔器中注入高压介质形成高压，驱动人工裂缝扩展延伸；根据切顶位置，不同注入孔形成的人工裂缝形成密集缝网带，切落因工作面推进后形成的悬顶，减小悬臂梁的长度，维护巷道围岩稳定。当前主要采用的压裂介质是清水或含化学添加剂的水，其缺点在于：(1)与石油行业压裂不同，巷道顶板压裂破碎切顶会造成工作面污染，对工作人员和设备环境造成影响；(2)巷道顶板内注入了大量的压裂液，造成巷道局部长期处于软岩状态，不利于巷道围岩稳定；(3)大型的水力压裂活动还会诱发微震活动，容易诱发地压，威胁着井下工作人员的安全；(4)如果采取水力压裂方式在煤矿中进行人工切顶，需要多个点注入高压水，使其贯通，在水资源方面造成大量浪费。

发明内容

为了在压裂切顶过程中减少注液压裂对工作面的影响，减小压裂对巷道围岩的影响，保证切顶施工安全，改善压裂效果，本发明提供了一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置及破碎煤岩体的方法，具体技术方案如下。

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。

优选的是，液氮管路与复合装置的液氮注入口相连，注水管路和复合装置的注水口相连。

优选的是，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。

优选的是，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°。

还优选的是，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℃。

还优选的是，液氮和冰粒的混合流体压力P大于顶板垂直地应力δ₃。