[發明專利]一種煤礦采空區堅硬頂板低溫致裂放頂方法

有效

• 申請號: 202010179858.4
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111173513B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 翟成;鄭仰峰;徐吉釗;叢鈺州;孫勇;姚艷斌;唐偉;李宇杰
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學;中國地質大學（北京）
• 主分類號: E21C41/18
• 分類號: E21C41/18;E21C37/14;E21B43/26
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張聯群

1.一種煤礦采空區堅硬頂板低溫致裂放頂方法，包括采用數顯式溫度儀（1）、溫度傳感器（3）、注水管、低溫流體凍結管、膠囊封孔器、高壓注水系統（13）和低溫流體槽車（14），其特征在于，低溫致裂放頂方法包括以下步驟：

a.施工鉆孔：向采空區堅硬頂板依次施工多個致裂鉆孔（9）和一個空孔（16），先利用普通鉆頭向采空區堅硬頂板（10）內施工致裂鉆孔（9）至致裂鉆孔最深點位置K4，然后將普通鉆頭退出，并換成定位壓控切割鉆頭鉆進，當定位壓控切割鉆頭鉆進到達擴孔段起始點位置K1時，定位壓控切割鉆頭刀刃張開，對致裂鉆孔（9）進行擴孔至擴孔段終點位置K2時停止，形成圓柱形擴孔段（8），定位壓控切割鉆頭收起擴孔刀刃退出鉆桿，施工完成多個致裂鉆孔（9）后，在多個致裂鉆孔（9）中部施工一個空孔（16）；

b.設備布置：在致裂鉆孔（9）內設置溫度傳感器（3），并通過數據線（2）與致裂鉆孔外的數顯式溫度儀（1）相連接，將膠囊封孔器一（11）和膠囊封孔器二（12）串聯穿過注水管一（4）、注水管二（5）、低溫流體凍結管一（7）和低溫流體凍結管二（6）后一并送入致裂鉆孔（9）內，膠囊封孔器一（11）和膠囊封孔器二（12）分別位于致裂鉆孔（9）的A點處和B點處，通過注水系統（13）對膠囊封孔器一（11）和膠囊封孔器二（12）進行高壓封孔，利用單向閥一（6-3）將低溫流體凍結管二（6）與排放管（15）連接，將低溫流體凍結管一（7）與排放管（15）直接相連，并在排放管（15）管口處安裝單向閥二（7-3）來控制熱量交換后的低溫流體的排出，將低溫流體槽車（14）和主管路之間連接注射泵（14-3），通過分流器（14-2）和其他多個致裂鉆孔（9）內的低溫流體凍結管相連接，同時對多個致裂鉆孔進行凍結致裂；

c.凍結圓柱形擴孔段：打開注水管一（4）上的閥門（4-2），將注水管一（4）的快速接頭一（4-1）與注水系統（13）上的注水閥門（13-1）相連接，向圓柱形擴孔段（8）中注入高壓水，監測注水管一（4）上的壓力表（4-3），待圓柱形擴孔段內水壓達到1.2MPa并能保持30分鐘后，關閉閥門（4-2）停止注水，拆掉快速接頭一（4-1）；將低溫流體凍結管一（7）上的閥門（7-2）打開，用快速接頭四（7-1）與低溫流體槽車（14）的低溫流體閥門（14-1）連接，向低溫流體凍結管一（7）中注入低溫流體，熱交換后的低溫流體從單向閥二（7-3）排出；通過數顯式溫度儀（1）監測擴孔段起始點位置K1的溫度，直到擴孔段起始點位置K1處的溫度降到-2℃以下時，關閉閥門（7-2）；

d.凍結致裂鉆孔：打開注水管二（5）上的閥門（5-2），然后將注水管二（5）上的快速接頭二（5-1）與注水系統（13）上的注水閥門（13-1）相連接，然后向致裂鉆孔（9）中間點位置K3處注入高壓水，監測注水管二（5）上的壓力表（5-3），待壓力表（5-3）顯示的壓力達到1.2MPa并能保持30分鐘后，關閉閥門（5-2）停止注水，拆掉快速接頭二（5-1）；將低溫流體凍結管二（6）上的閥門（6-2）打開，將快速接頭三（6-1）與低溫流體槽車（14）的低溫流體閥門（14-1）連接，向低溫流體凍結管二（6）中注入低溫流體，對致裂鉆孔（9）內的水進行凍結，在凍結的同時，低溫流體會通過單向閥一（6-3）流入低溫流體凍結管一（7）內，低溫流體在低溫流體凍結管一（7）中與凍結狀態的冰柱繼續進行熱交換，維持圓柱形擴孔段（8）處于凍結狀態，熱交換后的低溫流體通過單向閥二（7-3）排出；監測數顯式溫度儀（1）上致裂鉆孔最深點位置K4、致裂鉆孔中間點位置K3和擴孔段起始點位置K1的溫度，當3個位置處的溫度值均降低到-2℃時，凍結致裂結束，關閉閥門（6-2）；

e．循環凍脹致裂鉆孔：致裂鉆孔（9）中的凍冰隨著煤礦采空區堅硬頂板（10）的巖體溫度逐漸融化，當監測數顯式溫度儀（1）監測到致裂鉆孔（9）中的整體溫度均升高到3℃以上時，完成一次水冰相變凍脹致裂循環；

f.重復步驟c-e，對致裂鉆孔（9）再次進行凍脹-融化-凍脹的循環致裂，直到空孔（16）中有水流出時為止。

2.根據權利要求1所述的一種煤礦采空區堅硬頂板低溫致裂放頂方法，其特征在于：所述的溫度傳感器（3）包括布置在致裂鉆孔最深點位置K4處的溫度傳感器一（3-1）、致裂鉆孔中間點位置K3處的溫度傳感器二（3-2）和擴孔段起始點位置K1處的溫度傳感器三（3-3）。