CN112922597A - 一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置及其工作方法，包括杆体、释放管、导电棒、充装阀、加热管和定压泄能片，先通过杆体和释放管外表面的螺旋齿施工小直径钻孔到设定深度，接着通过充装阀在储液腔内注入液态二氧化碳，完成后通过导电棒将电流传递给加热管，加热管开始加热后，储液腔内的液态二氧化碳发生相变反应瞬间转化为二氧化碳气体，生成的二氧化碳气体会增加储液腔内的压力，导致定压泄能片受压瞬间打开，然后再进入释放管并从导流孔释放出转化的所有气体，此时二氧化碳气体对钻孔周围煤岩体进行冲击致裂，最终有效增加了本次钻孔的卸压范围，同时能防止煤壁出现失稳破坏的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置及其工作方法，属于煤矿卸压技术领域。
背景技术
随着我国煤炭资源大规模步入深部开采，冲击地压发生的频度、强度与日俱增。探索深部开采条件下冲击地压防治理论及其实施方法逐渐受到国内外学者及工程技术人员的关注。目前,冲击地压的主要治理技术有开采邻近层卸压、施工卸压钻孔、卸压槽法、松动***法、开掘卸压巷道或硐室法、跨采法等。尽管上述方法在一定程度上缓解了冲击地压给煤矿安全生产带来的危害,但存在的问题主要有:①受矿井采深增大的影响,具备保护层开采的矿井越来越少,因此上述方法将不具备普遍的适用性；②钻孔卸压是当前矿井普遍采用的煤层卸压方法,其特点为施工工艺简单、安全性高,但每次施工钻孔卸压的范围较小,大范围的钻孔会面临钻孔成本高、施工进度慢等问题。并且目前针对具有冲击倾向的煤体，通常采用大直径钻孔(即孔径120mm～150mm，钻孔深度15m，孔间距1～3m)进行超前卸压(即通过钻孔后使地应力从前方煤岩体转移)，从而防止工作面前方煤岩体发生冲击地压的情况。然而，如此高密度、大直径的钻孔往往将工作面前方煤壁破坏，使得支护煤壁的锚杆失去稳定的锚固端，锚网支护***失效，最终造成回采巷道煤壁失稳破坏，严重影响工作面的正常生产。因此如何增加每次钻孔时的卸压范围，同时能防止煤壁出现失稳破坏的情况，是本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置及其工作方法，通过煤矿护壁式钻孔与相变致裂结合的方式，能增加每次钻孔时的卸压范围，同时能防止煤壁出现失稳破坏的情况。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置，包括杆体、释放管、导电棒、充装阀、加热管和定压泄能片；
所述杆体外表面和释放管外表面均设有螺旋齿，螺旋齿用于施工钻孔，杆体内部设有储液腔，杆体两端分别开设进液孔和喷气口，进液孔和喷气口均与储液腔连通，加热管设在储液腔内，充装阀装在进液孔处，导电棒一端通过充装阀伸入储液腔与加热管连接；储液腔内充入液态二氧化碳；
所述释放管内装有喷气通道，释放管一端开设进气口、另一端装有钻头，进气口与喷气通道连通，释放管外表面开设多个导流孔，多个导流孔均与喷气通道连通，释放管与杆体同轴连接、且使进气口与喷气口对齐；所述定压泄能片装在进气口与喷气口之间，用于定压释放储液腔内的二氧化碳气体进入释放管内。
进一步，所述定压泄能片包括两个密封垫和一个剪切片，剪切片处于两个密封垫之间，两个密封垫分别与进气口与喷气口压紧接触。当储液腔内液态二氧化碳发生相变反应产生二氧化碳气体，进而使其内部气压升高，并且施加给剪切片导致其受较大剪切力被破坏，放出生成的二氧化碳气体进入释放管内。采用这种结构，是为了防止储液腔内的液态二氧化碳泄漏，同时两个密封垫防止漏气和保护剪切片不被挤压破坏，而剪切片也起到了密封和放出二氧化碳气体的作用。
进一步，所述杆体和释放管的直径均不超过80mm。
进一步，所述密封垫均为橡胶材质。
一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置的工作方法，具体步骤为：
A、将本煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置的杆体与钻机连接，然后对选定位置进行钻孔操作，达到设定深度后，停止钻进，并将钻机与杆体分离；
B、将充装阀与液态二氧化碳存储罐连接，通过注液孔向储液腔内注入液态二氧化碳，达到设定量后关闭充装阀，然后将导电棒与电流控制开关通过导线连接，完成相变致裂的准备工作；
C、闭合电流控制开关使电流经过导电棒达到加热管，使加热管开始加热工作，进而随着温度升高，储液腔内的液态二氧化碳受热相变生成二氧化碳气体，储液腔内的气压快速升高，直至内部压力超过定压泄能片打开临界值，此时二氧化碳气体进入释放管的喷气通道内，最后由释放管的各个导流孔喷出二氧化碳气体，二氧化碳气体对钻孔周围煤岩体进行冲击致裂，持续一段时间后，完成该钻孔的护壁式钻孔与相变致裂过程；
D、断开电流控制开关，将本煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置从该钻孔取出，然后重复步骤A至C，对下一个钻孔进行施工，如此循环，完成所需煤矿的卸压工作。
与现有技术相比，本发明采用杆体、释放管、导电棒、充装阀、加热管和定压泄能片相结合方式，先通过杆体和释放管外表面的螺旋齿施工小直径钻孔到设定深度，接着通过充装阀在储液腔内注入液态二氧化碳，完成后通过导电棒将电流传递给加热管，加热管开始加热后，储液腔内的液态二氧化碳发生相变反应瞬间转化为二氧化碳气体，生成的二氧化碳气体由于液体转化成了气体导致管内的气压达到160～180MPa，体积瞬间膨胀600倍，导致定压泄能片受压瞬间打开，然后再进入释放管并从导流孔释放出转化的所有气体，此时二氧化碳气体对钻孔周围煤岩体进行冲击致裂，最终有效增加了本次钻孔的卸压范围。因此本发明通过煤矿护壁式钻孔与相变致裂结合的方式，能增加每次钻孔时的卸压范围，同时能防止煤壁出现失稳破坏的情况。
附图说明
图1是本发明的施工示意图；
图2是图1中本发明的结构拆分示意图；
图3是本发明中密封垫的结构示意图；
图4是本发明中剪切片的结构示意图。
图中：1、导电棒，2、充装阀，3、进液孔，4、加热管，5、杆体，6、储液腔，7、定压泄能片，7-1、密封垫，7-2、剪切片，8、喷气通道，9、释放管，10、钻头，11、导流孔。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置，包括杆体5、释放管9、导电棒1、充装阀2、加热管4和定压泄能片7；
所述杆体5外表面和释放管9外表面均设有螺旋齿，螺旋齿用于施工钻孔，杆体5内部设有储液腔6，杆体5两端分别开设进液孔3和喷气口，进液孔3和喷气口均与储液腔6连通，加热管4设在储液腔6内，充装阀2装在进液孔3处，导电棒1一端通过充装阀2伸入储液腔6与加热管4连接；储液腔6内充入液态二氧化碳；
所述释放管9内装有喷气通道8，释放管9一端开设进气口、另一端装有钻头，进气口与喷气通道8连通，释放管9外表面开设多个导流孔11，多个导流孔11均与喷气通道8连通，释放管9与杆体5同轴连接、且使进气口与喷气口对齐；所述定压泄能片7装在进气口与喷气口之间，用于定压释放储液腔6内的二氧化碳气体进入释放管9内。
进一步，所述定压泄能片7包括两个密封垫7-1和一个剪切片7-2，剪切片7-2处于两个密封垫7-1之间，两个密封垫7-1分别与进气口与喷气口压紧接触。当储液腔6内液态二氧化碳发生相变反应产生二氧化碳气体，进而使其内部气压升高，并且施加给剪切片7-2导致其受较大剪切力被破坏，放出生成的二氧化碳气体进入释放管9内。采用这种结构，是为了防止储液腔6内的液态二氧化碳泄漏，同时两个密封垫7-1防止漏气和保护剪切片7-2不被挤压破坏，而剪切片7-2也起到了密封和放出二氧化碳气体的作用。
进一步，所述杆体5和释放管9的直径均不超过80mm。
进一步，所述密封垫7-1均为橡胶材质。
一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置的工作方法，具体步骤为：
A、将本煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置的杆体5与钻机连接，然后对选定位置进行钻孔操作，达到设定深度后，停止钻进，并将钻机与杆体5分离；
B、将充装阀2与液态二氧化碳存储罐连接，通过注液孔3向储液腔6内注入液态二氧化碳，达到设定量后关闭充装阀2，然后将导电棒1与电流控制开关通过导线连接，完成相变致裂的准备工作；
C、闭合电流控制开关使电流经过导电棒1达到加热管4，使加热管4开始加热工作，进而随着温度升高，储液腔6内的液态二氧化碳受热相变生成二氧化碳气体，储液腔6内的气压快速升高，直至内部压力超过定压泄能片7打开临界值，此时二氧化碳气体进入释放管9的喷气通道8内，最后由释放管9的各个导流孔11喷出二氧化碳气体，二氧化碳气体对钻孔周围煤岩体进行冲击致裂，持续一段时间后，完成该钻孔的护壁式钻孔与相变致裂过程；
D、断开电流控制开关，将本煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置从该钻孔取出，然后重复步骤A至C，对下一个钻孔进行施工，如此循环，完成所需煤矿的卸压工作。
Claims (5)
1.一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置，其特征在于，包括杆体、释放管、导电棒、充装阀、加热管和定压泄能片；
所述杆体外表面和释放管外表面均设有螺旋齿，杆体内部设有储液腔，杆体两端分别开设进液孔和喷气口，进液孔和喷气口均与储液腔连通，加热管设在储液腔内，充装阀装在进液孔处，导电棒一端通过充装阀伸入储液腔与加热管连接；储液腔内充入液态二氧化碳；
所述释放管内装有喷气通道，释放管一端开设进气口、另一端装有钻头，进气口与喷气通道连通，释放管外表面开设多个导流孔，多个导流孔均与喷气通道连通，释放管与杆体同轴连接、且使进气口与喷气口对齐；所述定压泄能片装在进气口与喷气口之间，用于定压释放储液腔内的二氧化碳气体进入释放管内。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置，其特征在于，所述定压泄能片包括两个密封垫和一个剪切片，剪切片处于两个密封垫之间，两个密封垫分别与进气口与喷气口压紧接触。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置，其特征在于，所述杆体和释放管的直径均不超过80mm。
4.根据权利要求2所述的一种煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置，其特征在于，所述密封垫均为橡胶材质。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
A、将本煤矿护壁式钻孔与相变致裂的装置的杆体与钻机连接，然后对选定位置进行钻孔操作，达到设定深度后，停止钻进，并将钻机与杆体分离；
B、将充装阀与液态二氧化碳存储罐连接，通过注液孔向储液腔内注入液态二氧化碳，达到设定量后关闭充装阀，然后将导电棒与电流控制开关通过导线连接，完成相变致裂的准备工作；
C、闭合电流控制开关使电流经过导电棒达到加热管，使加热管开始加热工作，进而随着温度升高，储液腔内的液态二氧化碳受热相变生成二氧化碳气体，储液腔内的气压快速升高，直至内部压力超过定压泄能片打开临界值，此时二氧化碳气体进入释放管的喷气通道内，最后由释放管的各个导流孔喷出二氧化碳气体，二氧化碳气体对钻孔周围煤岩体进行冲击致裂，持续一段时间后，完成该钻孔的护壁式钻孔与相变致裂过程；
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