[發明專利]一種堅硬煤層頂板致裂裝置及方法

有效

• 申請號: 201610997771.1
• 申請日: 2016-11-11
• 公開（公告）號: CN106285681B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 翟成;徐吉釗;秦雷;于國卿;孫勇;董若蔚;武尚儉
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21C41/18
• 分類號: E21C41/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種堅硬煤層頂板致裂裝置及方法，尤其是一種適用于硬度大、強度高且結構致密的采空區堅硬頂板致裂。

背景技術

隨著工作面不斷向前推進，采空區遺留頂板長度及懸頂面積不斷加大，不僅容易造成瓦斯局部積聚，而且會受到上覆巖層及遠地巖層的沖擊礦壓，很容易誘發頂板垮冒事故，因此需要對采空區頂板進行預先致裂，使其有目的性地垮落下來并堆積在采空區內，減少瓦斯積聚及頂板事故的發生。一般地，直接頂強度較低時依靠巖層自重進行垮落，當頂板巖層強度較大時，通常采用高壓水力壓裂或深孔爆破強制放頂等方式。

然而，傳統放頂方式存在著一定的缺陷性，例如，高壓水力壓裂需要能夠提供大流量高壓水的注水設備，通常這類設備體積龐大，很難在采空區進行開展工作，另外，對鉆孔的密封性要求很高，很難保證鉆孔內部高壓水的連續性，另外單純的高壓水力壓裂方法不能夠控制鉆孔裂隙的擴展方向；深孔爆破則需要填充大量的烈性炸藥，容易在鉆孔內部形成較強的沖擊波，對內部巖層造成較大的應力擾動，存在誘發動力災害的安全隱患，且僅對鉆孔周圍圍巖的破壞程度較大，不易實現定向致裂。此外，若堅硬頂板采高比較大且頂板預致裂范圍內無分層現象時，傳統強制放頂方式致裂方向可控性較差。因此，針對上述存在的問題，亟需一種新型安全的頂板致裂裝置及方法，不僅能夠高效率弱化堅硬頂板巖層強度，而且能夠保證增加巖層破碎度，防治沖擊地壓的出現。

發明內容

技術問題：本發明的目的是克服現有技術所存在的不足之處，提供一種操作簡便、成本低、效果較好的堅硬煤層頂板致裂裝置及方法。

技術方案：本發明的堅硬煤層頂板致裂裝置，包括伸入致裂鉆孔內的注水管，注水管上間隔設有多個定點致裂裝置，注水管的內外兩側分別設有超耐壓封孔器，致裂鉆孔外部設有動態脈動壓裂裝置和溫度監測裝置；

所述的動態脈動壓裂裝置包括電子壓力表、注水軟管、溢流閥、膠管、變頻器、脈動注水泵和貯水箱，電子壓力表安設在注水管相連接的端口位置，注水軟管一端與注水管外露端相連，另一端通過溢流閥將膠管連接起來，膠管分別連通至貯水箱及脈動注水泵，脈動注水泵通過電纜與變頻器連接；

所述的溫度監測裝置包括導線、信號集成器和溫度收集控制臺，導線的一端與致裂鉆孔內熱電偶引出的導線相連，另一端與信號集成器相連，信號集成器與溫度收集控制臺相連。

所述的注水軟管上設有單向閥門。

所述的定點致裂裝置包括帶有縫槽的花管、將花管與注水管連為一體的管箍、花管的中間設裝有靜態破碎劑粉末的紗布袋，紗布袋的外側設有熱電偶的卡盤。

使用上述裝置的堅硬煤層頂板致裂方法，包括如下步驟：

a.利用鉆機分別在堅硬頂板內施工致裂鉆孔和監測鉆孔至設定深度；

b.向致裂鉆孔內輸送定點致裂裝置，先將一端封閉的注水管穿過超耐壓封孔器，然后在注水管上間隔距離連通多個定點致裂裝置一并送入致裂鉆孔內，分別將多個定點致裂裝置上的熱電偶用導線沿注水管引至鉆孔外，在距離致裂鉆孔3m位置處，利用超耐壓封孔器對致裂鉆孔進行密封；

c.在致裂鉆孔的孔口設置動態脈動壓裂裝置和溫度監測裝置，記錄定點致裂裝置中卡盤區域的孔壁溫度為T₀；

d.啟動脈動注水泵，調節變頻器將頻率為6Hz的壓力水經溢流閥→注水軟管→單向閥門→注水管→定點致裂裝置，流動到致裂裝置中裝有靜態破碎劑的紗布袋內，在脈動壓力水的往復沖擊作用下，水與紗布袋內的靜態破碎劑充分混合成漿液，漿液滲流至卡盤與致裂鉆孔孔壁之間的區域；

e.利用溫度收集控制臺記錄漿液反應放熱過程中卡盤區域的放熱孔壁溫度T，若T>T₀并持續上升時，關閉脈動注水泵；

f.當T持續降低并趨近于T₀時，啟動脈動注水泵，持續脈動注水至電子壓力表的壓力值上升后，調節變頻器，注水頻率在6Hz～20Hz之間交替變化；繼續注水至電子壓力表數值出現大幅度降低，關閉變頻器，保持壓力進行注水，當監測鉆孔流出帶有白色晶粒的水時，耦合致裂結束。

所述致裂鉆孔和監測鉆孔相距5-10m。

所述致裂裝置中紗布袋內的靜態破碎劑粉末中添加有不溶水的惰性白色砂粒，粒徑范圍為40～60目，耐壓強度為50～60MPa。

所述的卡盤內選用的熱電偶型號為K型，靈敏度為0.5℃，溫度檢測范圍為10～150℃，可承受最大壓力為5MPa。