一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置與方法
【專利摘要】本發明可為企業提供一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置與方法，該裝置先后向采空區上方巖層鉆孔內注入高壓高溫水和高壓低溫冷凍液，可安全、快速致裂采空區上覆堅硬巖體。本發明最大的優點是一套工藝同時利用兩種原理致裂巖體，一是非均質物體在熱脹冷縮條件下，自身內部會產生拉應力，并導致物體破裂，二是充分利用水的反膨脹原理（水在4oC以下，隨著溫度降低，體積反而膨脹），迫使巖體孔隙擴展，在孔隙尖端產生裂紋，眾多孔隙的共同作用也會導致巖體破裂。另外，注水會濕潤巖體，巖體破裂垮落時，相互之間的摩擦與撞擊不會產生火花。
【專利說明】
一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置與方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種致裂巖體的技術，特別是關于一種預先向采空區上方堅硬巖體施工鉆孔，并依次向孔內注入高溫水和低溫冷凍液，充分利用巖石的熱脹冷縮和水的反膨脹原理使采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置與方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]在煤礦井下，隨著煤炭的開采，采煤工作面后方必然留下采空區。
[0004]當上覆巖體的強度不是很高時，在礦山壓力作用下，工作面每向前推進一段距離，巖體就會自行斷裂、垮落、并充填采空區；反之，如果巖體堅硬，強度較高，則需等到工作面推進距離比較長時，方能斷裂、垮落。
[0005]采空區上覆巖體如果不能及時垮落，則會形成比較大的空間(充滿瓦斯和空氣的混合性氣體)；隨著工作面的推進，將會在某個時刻出現上覆巖體突然大塊斷裂、垮落的現象，進而將采空區內積存的氣體瞬間擠向工作面，并伴隨巨大的動力效應，造成重大人員傷亡和財產損失。
[0006]
[0007]對于采空區上覆巖體的致裂工藝與裝備開發方面，最早采取的工藝是向巖體打鉆，利用炸藥爆炸，崩落巖體，該工藝最大的缺點是容易產生火花，引起采空區瓦斯爆炸;后來相繼開發了水力壓裂和二氧化碳相變致裂工藝。
[0008]水力壓裂純粹利用高壓液體壓裂巖石，一方面，高壓水容易傷人，另一方面，容易造成采空區積水。二氧化碳相變致裂是讓干冰瞬間氣化，利用高壓氣體壓裂巖石，一方面，氣體壓力有限，壓裂效果不佳，另一方面，被壓裂的巖塊在垮落過程中容易相互撞擊，產生火花，引起采空區瓦斯爆炸。
[0009]因此，為了有效防止煤礦井下采空區上方堅硬巖體大范圍垮落造成的災害；急需探索出一種能夠有效致裂巖體的工藝與裝置，使其隨工作面的推進而及時垮落，并且不會因摩擦撞擊作用產生火花。
【發明內容】
[0010]本發明所要解決的主要技術問題是提供一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置與方法。
[0011]解決上述技術問題的技術方案是:一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，采空區的上方依次為待垮落層和不垮落層，所述待垮落層由其底面向上施工鉆孔，巖體致裂裝置與鉆孔連接;巖體致裂裝置包括注液管、回液管、高壓膠管、注液栗、加熱器、低溫冷凍液儲罐、三通鋼管、閥門、壓力表和溫度計，所述注液管與回液管平行穿入鉆孔內，鉆孔底端由封孔材料密封；回液管和注液管的下端分別通過高壓膠管連接三通鋼管的兩個出液口，三通鋼管的進液口連接井下水網并設有閥門；所述回液管上連接有壓力表和溫度計，回液管至三通鋼管之間的管路上設置閥門；所述注液管至三通鋼管之間的管路上沿進液方向順序設置加熱器和注液栗，加熱器至注液栗之間的管體上并聯一低溫冷凍液儲罐，低溫冷凍液儲罐和加熱器分別設置閥門；工作中，通過所述巖體致裂裝置向鉆孔內注入高溫水，高溫水進入待垮落層鉆孔周圍巖體孔隙，巖體濕潤、膨脹;然后迅速釋放鉆孔內的高溫水，并充入高壓低溫冷凍液，一方面，巖體冷卻收縮，由于巖體本身的不均勻性，不同位置收縮速度存在差異，從而在巖體內產生拉應力，致裂巖體;另一方面，巖體孔隙內部的高溫水冷卻成冰后，體積膨脹，將孔隙撐開，眾多孔隙同時作用致裂巖體。
[0012]所述鉆孔為斜孔，貫通待垮落層，傾斜角度為30-60度。
[0013]所述回液管管口接近鉆孔的底端。
[0014]封孔材料為水泥砂漿。
[0015]所述加熱器與注液栗之間由鋼管連接。
[0016]所述高壓膠管強度高，注入高壓液體，不會破裂。
[0017]所述注液栗能夠將液體注入鉆孔，并維持一定壓力;所述加熱器能夠將液體加熱，升高至一定溫度;所述低溫冷凍液儲罐的保溫效果較好，可有效防止熱交換。
[0018]所述各部件之間，主要采用螺紋聯接。
[0019]—種采空區上覆堅硬巖體致裂的方法，具體步驟為:
步驟I)關閉加液管、加熱栗以及低溫冷凍液儲罐的閥門，打開三通鋼管的進液口閥門，向加熱器注水，直至加熱器內注滿水，關閉三通鋼管的進液口閥門；
步驟2)當加熱器里的水溫達到一定溫度，打開加熱器閥門，啟動注液栗，將高溫水注入鉆孔內，使鉆孔內的水維持一定壓力和溫度；
步驟3)如果水量不夠，重復步驟I?2，多次向鉆孔內注入高溫水；
步驟4)穩定一段時間后，如果鉆孔內水的壓力下降，則按照步驟I?2繼續補充高溫水；如果壓力不變，而溫度下降，則打開回液管閥門，讓鉆孔內的水通過回液管進入加熱器，重新加熱并注入鉆孔，讓巖體在帶壓高溫水的浸泡作用下充分膨脹；
步驟5)待垮落巖層出現濕潤與淋水現象后，同時打開回液管閥門和三通鋼管進液口閥門，排放鉆孔水;鉆孔水排放完畢，關閉回液管閥門和加熱栗閥門，打開低溫冷凍液儲罐閥門，迅速通過注液栗向鉆孔內注入低溫冷凍液，降低巖體溫度;一方面，根據熱脹冷縮原理，巖體迅速收縮，同時，基于巖體的非均質特征，巖體內部不同位置的收縮劇烈程度存在差異，導致巖體內部產生裂紋；另一方面，根據水的反膨脹原理，當水變成冰后，體積膨脹，撐開巖體孔隙，眾多微觀孔隙的擴展，有效降低巖體強度，并產生裂紋;在上述兩個方面致裂效果的共同作用下，并輔以通過不垮落巖層所傳遞的礦山應力，實現待垮落巖層的快速斷裂、垮落;而且，巖體已經濕潤，在垮落過程中，不會產生火花。
[0020]步驟2中所述壓力為2MPa，溫度為80-100攝氏度;步驟4中所述穩定時間為2小時。
[0021]本發明的有益效果是:
本發明可為企業提供一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置與方法，該裝置先后向采空區上方巖層鉆孔內注入高壓高溫水和高壓低溫冷凍液，可安全、快速致裂采空區上覆堅硬巖體。本發明最大的優點是一套工藝同時利用兩種原理致裂巖體，一是非均質物體在熱脹冷縮條件下，自身內部會產生拉應力，并導致物體破裂，二是充分利用水的反膨脹原理(水在4°C以下，隨著溫度降低，體積反而膨脹)，迫使巖體孔隙擴展，在孔隙尖端產生裂紋，眾多孔隙的共同作用也會導致巖體破裂。另外，注水會濕潤巖體，巖體破裂垮落時，相互之間的摩擦與撞擊不會產生火花。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的結構示意圖。
[0023]圖中標記如下:不垮落巖層1、待垮落巖層2、工作面煤壁3、巖體孔隙4、采空區冒落矸石5、封孔材料6、回液管7、注液管8、高壓膠管9、高壓膠管10、閥門11、低溫冷凍液儲罐12、注液栗13、聯接鋼管14、高壓膠管15、閥門16、閥門17、加熱器18、高壓膠管19、三通鋼管20、閥門21、溫度計22、壓力表23、聯接鋼管24和聯接鋼管25。
【具體實施方式】
[0024]—種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，包括注液管8、回液管7、高壓膠管9、10、19、注液栗13、聯接鋼管14、24、25加熱器18、低溫冷凍液儲罐12、三通鋼管20、閥門11、16、17、21、壓力表23和溫度計22。
[0025]按自然規律，工作面煤壁3位于最下端，待垮落巖層2居中，不垮落巖層I在最上端，巖體孔隙4分布于待垮落巖層2中，且數量眾多；采空區冒落矸石5堆砌于不垮落巖層I和待跨落巖層2的下方。
[0026]封孔材料6放置于待垮落巖層2的鉆孔入口位置，回液管7和注液管8穿透封孔材料6，且回液管7的穿透深度較淺。
[0027]通過高壓膠管9，將回液管7和三通鋼管20聯接起來，聯接方式均為螺紋聯接，并在高壓膠管9上配置閥門11。
[0028]通過高壓膠管10，將注液管8和注液栗13聯接起來，聯接方式均為螺紋聯接;聯接鋼管14的一端與注液栗13相聯接，另一端與加熱器18相聯接，中間通過高壓膠管15連接溫冷凍液儲罐12，聯接方式為螺紋聯接，并在聯接鋼管14上配置閥門17，用于控制加熱器18的出水，
高壓膠管15上配置閥門16，用于控制連接溫冷凍液儲罐12的出液。
[0029]通過高壓膠管19，將加熱器18和三通鋼管20聯接起來，聯接方式均為螺紋聯接，并在三通鋼管20上配置閥門21用于控制整個裝置的進水和排水。
[0030]三通鋼管20與煤礦井下供水管網相通，低溫冷凍液儲罐12內提前儲存低溫冷凍液。
[0031 ]通過聯接鋼管24，將溫度計22和回液管7聯接起來，聯接方式均為螺紋聯接;通過聯接鋼管25，將壓力表23和回液管7聯接起來，聯接方式均為螺紋聯接。
[0032]本發明的一個實施例如下:
不垮落巖層I為花崗巖，厚10m;待垮落巖層2為砂巖，厚5m;工作面煤壁3為無煙煤，厚Sm;采空區冒落矸石5塊度大小不一，雜亂堆砌;巖體孔隙4大致呈橢圓形，長半軸長1mm，短半軸長0.5mm。
[0033]封孔材料6為水泥砂漿，長0.Sm，直徑與鉆孔直徑一致，為75mm;回液管7為不銹鋼鋼管，內徑20mm，壁厚2mm，長2m;注液管8為不銹鋼鋼管，內徑30mm，壁厚2mm，長3m。
[0034]高壓膠管9、10、15和19為R13型多層鋼絲纏繞苛刻條件下的高溫高壓膠管；閥門11、16、17和21的型號為RQZ系列安全切斷閥。
[0035]低溫冷凍液儲罐12為LNG低溫儲罐，低溫冷凍液為酒精;注液栗13為3ZBQS1210型煤礦用雙液氣動注漿栗;聯接鋼管14為不銹鋼鋼管，內徑20mm，壁厚2mm，長Im;加熱器18為CREx020-100W型防爆加熱器;三通鋼管20為不銹鋼鋼管，一進兩出，內徑20mm，壁厚2mm。
[0036]聯接鋼管24和聯接鋼管25均為不銹鋼鋼管，內徑20mm，壁厚2mm，長度分別是0.4m和0.3m;壓力表23為的型號為YTXC-150-Z，溫度計22為指針式溫度計。各部分之間主要采用螺紋聯接。
[0037]本發明的工作過程如下:
預先向待垮落巖層2施工鉆孔，然后密封鉆孔并布置好回液管7和注液管8，利用高壓膠管9聯接回液管7和三通鋼管20，利用高壓膠管10聯接注液管8和注液栗13，利用高壓膠管15聯接低溫冷凍液儲罐12和聯接鋼管14，利用聯接鋼管14聯接注液栗13和加熱器18，利用高壓膠管19聯接加熱器18和三通鋼管20;關閉閥門11、16、17，打開閥門21向加熱器18注水，加滿后，關閉閥門21。
[0038]當加熱器18里的水溫達到80-100攝氏度時，打開閥門17，啟動注液栗13，將高溫水注入鉆孔內；如果水量不夠，可按上述方法多次向鉆孔內注入高溫水，并維持壓力2MPa左右，(通過壓力表23觀測)和溫度(通過溫度計22觀測)，現場觀察待垮落巖層2的濕潤與淋水情況。
[0039]穩定2小時后，如果鉆孔水的壓力下降，則繼續補充高溫水，如果壓力不變，而溫度下降，則打開閥門11，讓鉆孔內的水通過回液管進入加熱器18，重新加熱并注入鉆孔;讓巖體在帶壓高溫水的浸泡作用下充分膨脹。
[0040]當觀察了待垮落巖層2出現濕潤與淋水現象后，打開閥門11、21，排放鉆孔水，然后，關閉閥門11、17，打開閥門16，迅速通過注液栗13向鉆孔內注入低溫冷凍液，降低巖體溫度。一方面，根據熱脹冷縮原理，巖體會迅速收縮，同時，基于巖體的非均質特征，巖體內部不同位置的收縮劇烈程度存在差異，導致巖體內部產生裂紋;另一方面，根據水的反膨脹原理，當水變成冰后，體積反而膨脹，可撐開巖體孔隙，眾多微觀孔隙的擴展，可有效降低巖體強度，并在宏觀上表現為裂紋的產生。
[0041]在上述兩個方面致裂效果的共同作用下，并輔以通過不垮落巖層I所傳遞的礦山應力，基本可以實現待垮落巖層2的快速斷裂、垮落;而且，巖體已經濕潤，在垮落過程中，不會產生火花。
【主權項】
1.一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，采空區的上方依次為待垮落層和不垮落層，所述待垮落層由其底面向上施工鉆孔，巖體致裂裝置與鉆孔連接;其特征在于，巖體致裂裝置包括注液管、回液管、高壓膠管、注液栗、加熱器、低溫冷凍液儲罐、三通鋼管、閥門、壓力表和溫度計，所述注液管與回液管平行穿入鉆孔內，鉆孔底端由封孔材料密封；回液管和注液管的下端分別通過高壓膠管連接三通鋼管的兩個出液口，三通鋼管的進液口連接井下水網并設有閥門；所述回液管上連接有壓力表和溫度計，回液管至三通鋼管之間的管路上設置閥門；所述注液管至三通鋼管之間的管路上沿進液方向順序設置加熱器和注液栗，加熱器至注液栗之間的管體上并聯一低溫冷凍液儲罐，低溫冷凍液儲罐和加熱器分別設置閥門；工作中，通過所述巖體致裂裝置向鉆孔內注入高溫水，高溫水進入待垮落層鉆孔周圍巖體孔隙，巖體濕潤、膨脹;然后迅速釋放鉆孔內的高溫水，并充入高壓低溫冷凍液，一方面，巖體冷卻收縮，由于巖體本身的不均勻性，不同位置收縮速度存在差異，從而在巖體內產生拉應力，致裂巖體;另一方面，巖體孔隙內部的高溫水冷卻成冰后，體積膨脹，將孔隙撐開，眾多孔隙同時作用致裂巖體。2.根據權利要求1所述的一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，其特征在于，所述鉆孔為斜孔，貫通待垮落層，傾斜角度為30-60度。3.根據權利要求1所述的一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，其特征在于，所述回液管管口接近鉆孔的底端。4.根據權利要求1所述的一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，其特征在于，封孔材料為水泥砂漿。5.根據權利要求1所述的一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，其特征在于，所述加熱器與注液栗之間由鋼管連接。6.根據權利要求1所述的一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，其特征在于，所述回液管為不銹鋼鋼管，內徑20mm，壁厚2mm;所述注液管為不銹鋼鋼管，內徑30mm，壁厚2mm;所述聯接鋼管為不銹鋼鋼管，內徑20mm，壁厚2mm;所述三通鋼管為不銹鋼鋼管，一進兩出，內徑20mm，壁厚 2mm。7.根據權利要求1所述的一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，其特征在于，高壓膠管為R13型多層鋼絲纏繞苛刻條件下的高溫高壓膠管。8.根據權利要求1所述的一種采空區上覆堅硬巖體致裂的裝置，其特征在于，低溫冷凍液儲罐為LNG低溫儲罐，低溫冷凍液為酒精;注液栗為3ZBQS1210型煤礦用雙液氣動注漿栗；加熱器為CREx020-100W型防爆加熱器。9.一種采空區上覆堅硬巖體致裂的方法，其特征在于，具體步驟為: 步驟I)關閉加液管、加熱栗以及低溫冷凍液儲罐的閥門，打開三通鋼管的進液口閥門，向加熱器注水，直至加熱器內注滿水，關閉三通鋼管的進液口閥門； 步驟2)當加熱器里的水溫達到一定溫度，打開加熱器閥門，啟動注液栗，將高溫水注入鉆孔內，使鉆孔內的水維持一定壓力和溫度； 步驟3)如果水量不夠，重復步驟I?2，多次向鉆孔內注入高溫水； 步驟4)穩定一段時間后，如果鉆孔內水的壓力下降，則按照步驟I?2繼續補充高溫水；如果壓力不變，而溫度下降，則打開回液管閥門，讓鉆孔內的水通過回液管進入加熱器，重新加熱并注入鉆孔，讓巖體在帶壓高溫水的浸泡作用下充分膨脹； 步驟5)待垮落巖層出現濕潤與淋水現象后，同時打開回液管閥門和三通鋼管進液口閥門，排放鉆孔水;鉆孔水排放完畢，關閉回液管閥門和加熱栗閥門，打開低溫冷凍液儲罐閥門，迅速通過注液栗向鉆孔內注入低溫冷凍液，降低巖體溫度;一方面，根據熱脹冷縮原理，巖體迅速收縮，同時，基于巖體的非均質特征，巖體內部不同位置的收縮劇烈程度存在差異，導致巖體內部產生裂紋；另一方面，根據水的反膨脹原理，當水變成冰后，體積膨脹，撐開巖體孔隙，眾多微觀孔隙的擴展，有效降低巖體強度，并產生裂紋;在上述兩個方面致裂效果的共同作用下，并輔以通過不垮落巖層所傳遞的礦山應力，實現待垮落巖層的快速斷裂、垮落;而且，巖體已經濕潤，在垮落過程中，不會產生火花。10.根據權利要求9所述的一種采空區上覆堅硬巖體致裂的方法，其特征在于，步驟2中所述壓力為2MPa，溫度為80-100攝氏度;步驟4中所述穩定時間為2小時。
【文檔編號】E21C37/16GK106014408SQ201610531136
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】齊黎明, 趙嶸, 張旭錕, 李勇軍
【申請人】華北科技學院