CN106014408A - 一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明可为企业提供一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置与方法，该装置先后向采空区上方岩层钻孔内注入高压高温水和高压低温冷冻液，可安全、快速致裂采空区上覆坚硬岩体。本发明最大的优点是一套工艺同时利用两种原理致裂岩体，一是非均质物体在热胀冷缩条件下，自身内部会产生拉应力，并导致物体破裂，二是充分利用水的反膨胀原理（水在4oC以下，随着温度降低，体积反而膨胀），迫使岩体孔隙扩展，在孔隙尖端产生裂纹，众多孔隙的共同作用也会导致岩体破裂。另外，注水会湿润岩体，岩体破裂垮落时，相互之间的摩擦与撞击不会产生火花。
Description
技术领域
本发明涉及一种致裂岩体的技术，特别是关于一种预先向采空区上方坚硬岩体施工钻孔，并依次向孔内注入高温水和低温冷冻液，充分利用岩石的热胀冷缩和水的反膨胀原理使采空区上覆坚硬岩体致裂的装置与方法。
背景技术
在煤矿井下，随着煤炭的开采，采煤工作面后方必然留下采空区。
当上覆岩体的强度不是很高时，在矿山压力作用下，工作面每向前推进一段距离，岩体就会自行断裂、垮落、并充填采空区；反之，如果岩体坚硬，强度较高，则需等到工作面推进距离比较长时，方能断裂、垮落。
采空区上覆岩体如果不能及时垮落，则会形成比较大的空间（充满瓦斯和空气的混合性气体）；随着工作面的推进，将会在某个时刻出现上覆岩体突然大块断裂、垮落的现象，进而将采空区内积存的气体瞬间挤向工作面，并伴随巨大的动力效应，造成重大人员伤亡和财产损失。
对于采空区上覆岩体的致裂工艺与装备开发方面，最早采取的工艺是向岩体打钻，利用******，崩落岩体，该工艺最大的缺点是容易产生火花，引起采空区瓦斯***；后来相继开发了水力压裂和二氧化碳相变致裂工艺。
水力压裂纯粹利用高压液体压裂岩石，一方面，高压水容易伤人，另一方面，容易造成采空区积水。二氧化碳相变致裂是让干冰瞬间气化，利用高压气体压裂岩石，一方面，气体压力有限，压裂效果不佳，另一方面，被压裂的岩块在垮落过程中容易相互撞击，产生火花，引起采空区瓦斯***。
因此，为了有效防止煤矿井下采空区上方坚硬岩体大范围垮落造成的灾害；急需探索出一种能够有效致裂岩体的工艺与装置，使其随工作面的推进而及时垮落，并且不会因摩擦撞击作用产生火花。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置与方法。
解决上述技术问题的技术方案是：一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，采空区的上方依次为待垮落层和不垮落层，所述待垮落层由其底面向上施工钻孔，岩体致裂装置与钻孔连接；岩体致裂装置包括注液管、回液管、高压胶管、注液泵、加热器、低温冷冻液储罐、三通钢管、阀门、压力表和温度计，所述注液管与回液管平行穿入钻孔内，钻孔底端由封孔材料密封；回液管和注液管的下端分别通过高压胶管连接三通钢管的两个出液口，三通钢管的进液口连接井下水网并设有阀门；所述回液管上连接有压力表和温度计，回液管至三通钢管之间的管路上设置阀门；所述注液管至三通钢管之间的管路上沿进液方向顺序设置加热器和注液泵，加热器至注液泵之间的管体上并联一低温冷冻液储罐，低温冷冻液储罐和加热器分别设置阀门；工作中，通过所述岩体致裂装置向钻孔内注入高温水，高温水进入待垮落层钻孔周围岩体孔隙，岩体湿润、膨胀；然后迅速释放钻孔内的高温水，并充入高压低温冷冻液，一方面，岩体冷却收缩，由于岩体本身的不均匀性，不同位置收缩速度存在差异，从而在岩体内产生拉应力，致裂岩体；另一方面，岩体孔隙内部的高温水冷却成冰后，体积膨胀，将孔隙撑开，众多孔隙同时作用致裂岩体。
所述钻孔为斜孔，贯通待垮落层，倾斜角度为30-60度。
所述回液管管口接近钻孔的底端。
封孔材料为水泥砂浆。
所述加热器与注液泵之间由钢管连接。
所述高压胶管强度高，注入高压液体，不会破裂。
所述注液泵能够将液体注入钻孔，并维持一定压力；所述加热器能够将液体加热，升高至一定温度；所述低温冷冻液储罐的保温效果较好，可有效防止热交换。
所述各部件之间，主要采用螺纹联接。
一种采空区上覆坚硬岩体致裂的方法，具体步骤为：
步骤1）关闭加液管、加热泵以及低温冷冻液储罐的阀门，打开三通钢管的进液口阀门，向加热器注水，直至加热器内注满水，关闭三通钢管的进液口阀门；
步骤2）当加热器里的水温达到一定温度，打开加热器阀门，启动注液泵，将高温水注入钻孔内，使钻孔内的水维持一定压力和温度；
步骤3）如果水量不够，重复步骤1～2，多次向钻孔内注入高温水；
步骤4）稳定一段时间后，如果钻孔内水的压力下降，则按照步骤1～2继续补充高温水；如果压力不变，而温度下降，则打开回液管阀门，让钻孔内的水通过回液管进入加热器，重新加热并注入钻孔，让岩体在带压高温水的浸泡作用下充分膨胀；
步骤5）待垮落岩层出现湿润与淋水现象后，同时打开回液管阀门和三通钢管进液口阀门，排放钻孔水；钻孔水排放完毕，关闭回液管阀门和加热泵阀门，打开低温冷冻液储罐阀门，迅速通过注液泵向钻孔内注入低温冷冻液，降低岩体温度；一方面，根据热胀冷缩原理，岩体迅速收缩，同时，基于岩体的非均质特征，岩体内部不同位置的收缩剧烈程度存在差异，导致岩体内部产生裂纹；另一方面，根据水的反膨胀原理，当水变成冰后，体积膨胀，撑开岩体孔隙，众多微观孔隙的扩展，有效降低岩体强度，并产生裂纹；在上述两个方面致裂效果的共同作用下，并辅以通过不垮落岩层所传递的矿山应力，实现待垮落岩层的快速断裂、垮落；而且，岩体已经湿润，在垮落过程中，不会产生火花。
步骤2中所述压力为2MPa，温度为80-100摄氏度；步骤4中所述稳定时间为2小时。
本发明的有益效果是：
本发明可为企业提供一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置与方法，该装置先后向采空区上方岩层钻孔内注入高压高温水和高压低温冷冻液，可安全、快速致裂采空区上覆坚硬岩体。本发明最大的优点是一套工艺同时利用两种原理致裂岩体，一是非均质物体在热胀冷缩条件下，自身内部会产生拉应力，并导致物体破裂，二是充分利用水的反膨胀原理（水在4oC以下，随着温度降低，体积反而膨胀），迫使岩体孔隙扩展，在孔隙尖端产生裂纹，众多孔隙的共同作用也会导致岩体破裂。另外，注水会湿润岩体，岩体破裂垮落时，相互之间的摩擦与撞击不会产生火花。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中标记如下：不垮落岩层1、待垮落岩层2、工作面煤壁3、岩体孔隙4、采空区冒落矸石5、封孔材料6、回液管7、注液管8、高压胶管9、高压胶管10、阀门11、低温冷冻液储罐12、注液泵13、联接钢管14、高压胶管15、阀门16、阀门17、加热器18、高压胶管19、三通钢管20、阀门21、温度计22、压力表23、联接钢管24和联接钢管25。
具体实施方式
一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，包括注液管8、回液管7、高压胶管9、10、19、注液泵13、联接钢管14、24、25加热器18、低温冷冻液储罐12、三通钢管20、阀门11、16、17、21、压力表23和温度计22。
按自然规律，工作面煤壁3位于最下端，待垮落岩层2居中，不垮落岩层1在最上端，岩体孔隙4分布于待垮落岩层2中，且数量众多；采空区冒落矸石5堆砌于不垮落岩层1和待垮落岩层2的下方。
封孔材料6放置于待垮落岩层2的钻孔入口位置，回液管7和注液管8穿透封孔材料6，且回液管7的穿透深度较浅。
通过高压胶管9，将回液管7和三通钢管20联接起来，联接方式均为螺纹联接，并在高压胶管9上配置阀门11。
通过高压胶管10，将注液管8和注液泵13联接起来，联接方式均为螺纹联接；联接钢管14的一端与注液泵13相联接，另一端与加热器18相联接，中间通过高压胶管15连接温冷冻液储罐12，联接方式为螺纹联接，并在联接钢管14上配置阀门17，用于控制加热器18的出水，
高压胶管15上配置阀门16，用于控制连接温冷冻液储罐12的出液。
通过高压胶管19，将加热器18和三通钢管20联接起来，联接方式均为螺纹联接，并在三通钢管20上配置阀门21用于控制整个装置的进水和排水。
三通钢管20与煤矿井下供水管网相通，低温冷冻液储罐12内提前储存低温冷冻液。
通过联接钢管24，将温度计22和回液管7联接起来，联接方式均为螺纹联接；通过联接钢管25，将压力表23和回液管7联接起来，联接方式均为螺纹联接。
本发明的一个实施例如下：
不垮落岩层1为花岗岩，厚10m；待垮落岩层2为砂岩，厚5m；工作面煤壁3为无烟煤，厚8m；采空区冒落矸石5块度大小不一，杂乱堆砌；岩体孔隙4大致呈椭圆形，长半轴长1mm，短半轴长0.5mm。
封孔材料6为水泥砂浆，长0.8m，直径与钻孔直径一致，为75mm；回液管7为不锈钢钢管，内径20mm，壁厚2mm，长2m；注液管8为不锈钢钢管，内径30mm，壁厚2mm，长3m。
高压胶管9、10、15和19为R13型多层钢丝缠绕苛刻条件下的高温高压胶管；阀门11、16、17和21的型号为RQZ系列安全切断阀。
低温冷冻液储罐12为LNG低温储罐，低温冷冻液为酒精；注液泵13为3ZBQS1210型煤矿用双液气动注浆泵；联接钢管14为不锈钢钢管，内径20mm，壁厚2mm，长1m；加热器18为CREx020-100W型防爆加热器；三通钢管20为不锈钢钢管，一进两出，内径20mm，壁厚2mm。
联接钢管24和联接钢管25均为不锈钢钢管，内径20mm，壁厚2mm，长度分别是0.4m和0.3m；压力表23为的型号为YTXC-150-Z，温度计22为指针式温度计。各部分之间主要采用螺纹联接。
本发明的工作过程如下：
预先向待垮落岩层2施工钻孔，然后密封钻孔并布置好回液管7和注液管8，利用高压胶管9联接回液管7和三通钢管20，利用高压胶管10联接注液管8和注液泵13，利用高压胶管15联接低温冷冻液储罐12和联接钢管14，利用联接钢管14联接注液泵13和加热器18，利用高压胶管19联接加热器18和三通钢管20；关闭阀门11、16、17，打开阀门21向加热器18注水，加满后，关闭阀门21。
当加热器18里的水温达到80-100摄氏度时，打开阀门17，启动注液泵13，将高温水注入钻孔内；如果水量不够，可按上述方法多次向钻孔内注入高温水，并维持压力2MPa左右，（通过压力表23观测）和温度（通过温度计22观测），现场观察待垮落岩层2的湿润与淋水情况。
稳定2小时后，如果钻孔水的压力下降，则继续补充高温水，如果压力不变，而温度下降，则打开阀门11，让钻孔内的水通过回液管进入加热器18，重新加热并注入钻孔；让岩体在带压高温水的浸泡作用下充分膨胀。
当观察了待垮落岩层2出现湿润与淋水现象后，打开阀门11、21，排放钻孔水，然后，关闭阀门11、17，打开阀门16，迅速通过注液泵13向钻孔内注入低温冷冻液，降低岩体温度。一方面，根据热胀冷缩原理，岩体会迅速收缩，同时，基于岩体的非均质特征，岩体内部不同位置的收缩剧烈程度存在差异，导致岩体内部产生裂纹；另一方面，根据水的反膨胀原理，当水变成冰后，体积反而膨胀，可撑开岩体孔隙，众多微观孔隙的扩展，可有效降低岩体强度，并在宏观上表现为裂纹的产生。
在上述两个方面致裂效果的共同作用下，并辅以通过不垮落岩层1所传递的矿山应力，基本可以实现待垮落岩层2的快速断裂、垮落；而且，岩体已经湿润，在垮落过程中，不会产生火花。
Claims (10)
1.一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，采空区的上方依次为待垮落层和不垮落层，所述待垮落层由其底面向上施工钻孔，岩体致裂装置与钻孔连接；其特征在于，岩体致裂装置包括注液管、回液管、高压胶管、注液泵、加热器、低温冷冻液储罐、三通钢管、阀门、压力表和温度计，所述注液管与回液管平行穿入钻孔内，钻孔底端由封孔材料密封；回液管和注液管的下端分别通过高压胶管连接三通钢管的两个出液口，三通钢管的进液口连接井下水网并设有阀门；所述回液管上连接有压力表和温度计，回液管至三通钢管之间的管路上设置阀门；所述注液管至三通钢管之间的管路上沿进液方向顺序设置加热器和注液泵，加热器至注液泵之间的管体上并联一低温冷冻液储罐，低温冷冻液储罐和加热器分别设置阀门；工作中，通过所述岩体致裂装置向钻孔内注入高温水，高温水进入待垮落层钻孔周围岩体孔隙，岩体湿润、膨胀；然后迅速释放钻孔内的高温水，并充入高压低温冷冻液，一方面，岩体冷却收缩，由于岩体本身的不均匀性，不同位置收缩速度存在差异，从而在岩体内产生拉应力，致裂岩体；另一方面，岩体孔隙内部的高温水冷却成冰后，体积膨胀，将孔隙撑开，众多孔隙同时作用致裂岩体。
2.根据权利要求1所述的一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，其特征在于，所述钻孔为斜孔，贯通待垮落层，倾斜角度为30-60度。
3.根据权利要求1所述的一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，其特征在于，所述回液管管口接近钻孔的底端。
4.根据权利要求1所述的一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，其特征在于，封孔材料为水泥砂浆。
5.根据权利要求1所述的一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，其特征在于，所述加热器与注液泵之间由钢管连接。
6.根据权利要求1所述的一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，其特征在于，所述回液管为不锈钢钢管，内径20mm，壁厚2mm；所述注液管为不锈钢钢管，内径30mm，壁厚2mm；所述联接钢管为不锈钢钢管，内径20mm，壁厚2mm；所述三通钢管为不锈钢钢管，一进两出，内径20mm，壁厚2mm。
7.根据权利要求1所述的一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，其特征在于，高压胶管为R13型多层钢丝缠绕苛刻条件下的高温高压胶管。
8.根据权利要求1所述的一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置，其特征在于，低温冷冻液储罐为LNG低温储罐，低温冷冻液为酒精；注液泵为3ZBQS1210型煤矿用双液气动注浆泵；加热器为CREx020-100W型防爆加热器。
9.一种采空区上覆坚硬岩体致裂的方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1）关闭加液管、加热泵以及低温冷冻液储罐的阀门，打开三通钢管的进液口阀门，向加热器注水，直至加热器内注满水，关闭三通钢管的进液口阀门；
步骤2）当加热器里的水温达到一定温度，打开加热器阀门，启动注液泵，将高温水注入钻孔内，使钻孔内的水维持一定压力和温度；
步骤3）如果水量不够，重复步骤1～2，多次向钻孔内注入高温水；
步骤4）稳定一段时间后，如果钻孔内水的压力下降，则按照步骤1～2继续补充高温水；如果压力不变，而温度下降，则打开回液管阀门，让钻孔内的水通过回液管进入加热器，重新加热并注入钻孔，让岩体在带压高温水的浸泡作用下充分膨胀；
步骤5）待垮落岩层出现湿润与淋水现象后，同时打开回液管阀门和三通钢管进液口阀门，排放钻孔水；钻孔水排放完毕，关闭回液管阀门和加热泵阀门，打开低温冷冻液储罐阀门，迅速通过注液泵向钻孔内注入低温冷冻液，降低岩体温度；一方面，根据热胀冷缩原理，岩体迅速收缩，同时，基于岩体的非均质特征，岩体内部不同位置的收缩剧烈程度存在差异，导致岩体内部产生裂纹；另一方面，根据水的反膨胀原理，当水变成冰后，体积膨胀，撑开岩体孔隙，众多微观孔隙的扩展，有效降低岩体强度，并产生裂纹；在上述两个方面致裂效果的共同作用下，并辅以通过不垮落岩层所传递的矿山应力，实现待垮落岩层的快速断裂、垮落；而且，岩体已经湿润，在垮落过程中，不会产生火花。
10.根据权利要求9所述的一种采空区上覆坚硬岩体致裂的方法，其特征在于，步骤2中所述压力为2MPa，温度为80-100摄氏度；步骤4中所述稳定时间为2小时。
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