[发明专利]一种煤层坚硬顶板致裂弱化方法

摘要

本发明公开了一种煤层坚硬顶板致裂弱化方法，包括以下步骤首先向顶板钻取致裂孔，然后利用绝热套管将液氮以脉动式注入顶板岩层，脉动疲劳损伤和液氮低温冷冲击的耦合作用能够大幅弱化顶板岩层自身强度，当气化压力超过岩层抗拉强度时致裂孔周围形成裂隙，最后将氮气进行回收循环使用。该方法综合疲劳弱化、冷冲击及气化膨胀三者优势，一方面依靠钻孔有限空间内形成的体积不断增大的气液两相流压力团，使岩层内部温度骤降诱发热应力产生；另一方面，脉动式注入方法使得氮气气液两相流迅速流动到裂隙中，加快裂隙扩展速率，最终实现顶板岩层的有效垮落。该方法施工简单方便，成本较低，适用范围广。

主权项

一种煤层坚硬顶板致裂弱化方法，其特征在于，包括以下步骤：a、钻孔：当回采工作面(22)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(1)内部钻取多个致裂孔(2)和导向孔(3)，致裂孔(2)和导向孔(3)相互间隔，在致裂孔(2)顶端利用水力割缝装置割出楔形缝槽(2‑1)；b、液氮制备：将空气压缩机(21)通过抽气管路(18)与冷却机组(20)相连，抽气管路(18)上安装负压风机(19)，通过空气压缩机(21)将空气进行压缩，把压缩空气经由冷却机组(20)冷却液化，进而形成液氮(16)，再将液氮(16)储存于液氮储罐(15)内；c、封孔：先将绝热套管(5)套入致裂孔(2)内，再将注气高压膨胀封孔器(6)伸入到绝热套管(5)内，伸入深度小于绝热套管(5)的长度，绝热套管(5)外壁与致裂孔(2)内壁之间、绝热套管(5)内壁与注气高压膨胀封孔器(6)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(4)和回气管(17)穿过注气高压膨胀封孔器(6)并伸入到致裂孔(2)内，回气管(17)上安装回气截止阀(14)；d、脉动注入液氮：将液氮储罐(15)与注液管(9)相连，注液管(9)上安装注液泵(11)、等量分流器(10)和压力表(7)，将注液管(9)通过单向阀门(8)与致裂管(4)连接，关闭回气截止阀(14)，开启液氮储罐(15)上的供液阀(13)，将液氮储罐(15)内的液氮(16)通过注液管(9)和致裂管(4)注入到致裂孔(2)内，当压力表(7)数值P>2.5MPa时，通过调频器(12)将注液泵(11)的电机频率调至4Hz，并向致裂孔(2)中注入液氮(16)十分钟，然后通过调频器(12)逐次调高注液泵(11)的电机频率，每调高一次注液泵(11)的电机频率便向致裂孔(2)中注入液氮(16)十分钟，直至压力表(7)数值P<0.5MPa时，关闭注液泵(11)和供液阀(13)；e、氮气回收：将回气管(17)连接至抽气管路(18)，当脉动注入液氮过程结束后，开启回气截止阀(14)，将氮气通过负压风机(19)抽采至抽采管路(18)，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。