[發(fā)明專利]一種基于液氮-冰粒復(fù)合壓裂的裝置及破碎煤巖體的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110588447.5
• 申請(qǐng)日: 2021-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN113338927B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 種照輝;張舒胤;姚強(qiáng)嶺;李學(xué)華;薛熠;夏澤;徐強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): E21C37/14
• 分類號(hào): E21C37/14;E21F17/00
• 代理公司: 青島智地領(lǐng)創(chuàng)專利代理有限公司 37252
• 代理人: 陳海濱

本發(fā)明提供一種基于液氮?冰粒復(fù)合壓裂的裝置及破碎煤巖體的方法，涉及煤礦安全開采技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括液氮儲(chǔ)罐、液氮增壓泵、復(fù)合裝置、高壓水泵和儲(chǔ)水罐，以及多個(gè)止回閥和多個(gè)閘閥；復(fù)合裝置包括液氮注入口、注水口、霧化噴嘴、混砂管、液氮噴嘴、封孔器和壓裂管，液氮儲(chǔ)罐與液氮管路相連，液氮管路上設(shè)置有止回閥、閘閥和液氮增壓泵，液氮增壓泵和復(fù)合裝置之間的液氮管路上也設(shè)置有止回閥，儲(chǔ)水罐通過注水管路與止回閥、閘閥、高壓水泵相連；封孔器設(shè)置在壓裂管上，霧化噴嘴和液氮噴嘴均設(shè)置在混砂管的端部，壓裂管和混砂管相連。該裝置可以在巷道切頂區(qū)域施工，向鉆孔注入高壓液氮?冰粒磨料的混合液體，利用沖擊力使巖石產(chǎn)生主裂隙。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及煤礦安全開采技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于液氮-冰粒復(fù)合壓裂的裝置，以及利用該裝置破碎煤巖體的方法。

背景技術(shù)

在采礦工程中，人工造縫破碎切頂技術(shù)是重造巷道圍巖應(yīng)力、改善上覆巖層結(jié)構(gòu)的首選方法。人工造縫破碎切頂技術(shù)也是保障煤礦安全生產(chǎn)、提高煤炭采取率的重要措施，其中在堅(jiān)硬頂板造成懸頂時(shí)實(shí)施人工破碎切頂，可以避免其突然斷裂，造成瞬間能量釋放，產(chǎn)生沖擊地壓，造成巷道失穩(wěn)、設(shè)備損毀甚至影響工作人員安全。在沿空留巷無煤柱開采時(shí)實(shí)施人工造縫破碎切頂，不僅能提高煤炭資源的回收率，還可以緩解生產(chǎn)采掘接替緊張、減少巷道掘進(jìn)工作量改善高瓦斯礦井工作面的通風(fēng)問題。

現(xiàn)有技術(shù)中，最常用的人工造縫破碎切頂技術(shù)包括爆破切頂和壓裂切頂。其中，爆破切頂方法存在鉆孔工作量大、爆破工藝復(fù)雜、炸藥審批困難、安全隱患高、不能平行作業(yè)耽誤生產(chǎn)等缺點(diǎn)，相比之下，壓裂破碎切頂?shù)姆椒òl(fā)展日趨成熟。壓裂切頂是在封孔器中注入高壓介質(zhì)形成高壓，驅(qū)動(dòng)人工裂縫擴(kuò)展延伸；根據(jù)切頂位置，不同注入孔形成的人工裂縫形成密集縫網(wǎng)帶，切落因工作面推進(jìn)后形成的懸頂，減小懸臂梁的長度，維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定。當(dāng)前主要采用的壓裂介質(zhì)是清水或含化學(xué)添加劑的水，其缺點(diǎn)在于：(1)與石油行業(yè)壓裂不同，巷道頂板壓裂破碎切頂會(huì)造成工作面污染，對(duì)工作人員和設(shè)備環(huán)境造成影響；(2)巷道頂板內(nèi)注入了大量的壓裂液，造成巷道局部長期處于軟巖狀態(tài)，不利于巷道圍巖穩(wěn)定；(3)大型的水力壓裂活動(dòng)還會(huì)誘發(fā)微震活動(dòng)，容易誘發(fā)地壓，威脅著井下工作人員的安全；(4)如果采取水力壓裂方式在煤礦中進(jìn)行人工切頂，需要多個(gè)點(diǎn)注入高壓水，使其貫通，在水資源方面造成大量浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容

為了在壓裂切頂過程中減少注液壓裂對(duì)工作面的影響，減小壓裂對(duì)巷道圍巖的影響，保證切頂施工安全，改善壓裂效果，本發(fā)明提供了一種基于液氮-冰粒復(fù)合壓裂的裝置及破碎煤巖體的方法，具體技術(shù)方案如下。

一種基于液氮-冰粒復(fù)合壓裂的裝置，包括液氮儲(chǔ)罐、液氮增壓泵、復(fù)合裝置、高壓水泵和儲(chǔ)水罐，以及多個(gè)止回閥和多個(gè)閘閥；所述液氮儲(chǔ)罐與液氮管路相連，液氮管路上設(shè)置有第一止回閥、第一閘閥和液氮增壓泵，液氮增壓泵和復(fù)合裝置之間的液氮管路上設(shè)置有第二止回閥；所述儲(chǔ)水罐通過注水管路依次與第三止回閥、第二閘閥、高壓水泵、第四止回閥相連；所述復(fù)合裝置包括液氮注入口、注水口、霧化噴嘴、混砂管、液氮噴嘴、封孔器和壓裂管，所述封孔器設(shè)置在壓裂管上，霧化噴嘴和液氮噴嘴均設(shè)置在混砂管的同一端，壓裂管和混砂管相連，壓裂管伸入鉆孔中，通過壓裂管向鉆孔注入高壓液氮-冰粒磨料的混合液體。

優(yōu)選的是，液氮管路與復(fù)合裝置的液氮注入口相連，注水管路和復(fù)合裝置的注水口相連。

優(yōu)選的是，液氮注入口和液氮噴嘴同軸布置，液氮噴嘴由混砂管端部同軸入射；所述注水口和霧化噴嘴同軸布置，霧化噴嘴由混砂管的側(cè)面傾斜入射。

優(yōu)選的是，封孔器固定在鉆孔的孔口處，所述鉆孔深度為10-15m，鉆孔與豎直方向的夾角為0-30°。

還優(yōu)選的是，液氮儲(chǔ)罐中液氮的溫度為-196℃；所述儲(chǔ)水罐中水的溫度為10-20℃。

還優(yōu)選的是，液氮和冰粒的混合流體壓力P大于頂板垂直地應(yīng)力δ₃。