本发明公开了一种液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，属于煤矿安全开采技术领域。该发明充分利用低温条件下液氮对岩石微裂隙/孔隙扩展的诱导特性，实现了对煤矿厚硬难垮顶板的超前预裂。该发明不仅可以减小厚硬难垮顶板的悬顶面积，而且可以降低其初次/周期来压步距和来压强度，从而有效避免综放开采时厚硬顶板瞬时垮落引发的动力灾害，保障安全生产。
1.一种液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)提纯氮气，在冷却机组的作用下液化封装于液氮储罐内，并运往采煤工作面；
(2)按照以下顺序依次连接液氮低温预裂系统：液氮储罐——供液管——预裂高压泵——预裂管——预裂喷嘴——固定器——除屑器——回流管—净化器，检查系统能否正常运行；
(3)在运输顺槽和轨道顺槽中超前工作面分别向采场厚硬难垮顶板中钻取预裂钻孔，并在预裂钻孔端部开设楔形环槽；
(4)将预裂管伸入步骤(3)布置的预裂钻孔深处，并在步骤(3)开设的预裂钻孔开孔端安置注水高压膨胀封孔器；
(5)开启供液阀、关闭回流阀、启动高压泵，使液氮储罐内的液氮依次经供液管——预裂高压泵——预裂管路——预裂喷嘴进入步骤(3)开设的楔形环槽内产生预裂效应，实现对煤矿厚硬难垮顶板的超前预裂；
(6)开启回流阀、关闭供液阀，使低温液氮回流依次经预裂管——回流阀——除屑器——净化器，实现液氮/氮气回流的除杂与提纯，并最终液化封装于液氮储罐内以循环利用；
(7)随着工作面的逐渐推进，依次上述步骤(3)、(4)、(5)和(6)，实现对煤矿厚硬难垮顶板的超前预裂。
2.根据权利要求1所述的液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用高效吸附剂和过滤器从大气中提纯氮气。
3.根据权利要求1所述的液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中冷却机组的测量控制范围为：-300℃～0℃。
4.根据权利要求1所述的液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中供液管路和预裂管的材质需具有绝热特性的岩棉、耐高温玻璃棉、硅酸铝、微孔硅酸钙、复合硅酸盐或聚氨酯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(3)运输顺槽和轨道顺槽中预裂钻孔的布置位置超前工作面的距离为5～15m。
6.根据权利要求1所述的液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(3)预裂钻孔直径d0为40～120mm、孔间距l0为3～8m、孔与厚硬难垮顶板的夹角α为15°～75°。
7.根据权利要求1所述的液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中各预裂管间相互串联，注水高压膨胀封孔器的封孔长度为2～5m。
8.根据权利要求1所述的液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(5)液氮储罐的供液温度在-195.8℃以下。
9.根据权利要求1所述的液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(7)工作面的推进距离为 其中L为厚硬顶板初次来压步距L1和周期来压步距L2的较小值。
一种液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法
技术领域
[0001] 本发明属于煤炭开采技术领域，尤其是涉及一种液氮低温预裂煤矿坚硬难垮顶板的方法。
背景技术
[0002] 厚度大、强度高、结构致密、整体性良好的煤矿坚硬顶板在我国许多矿区广泛赋存。厚及特厚煤层综放开采时，采场厚硬顶板不能及时垮落。随着工作面的逐渐推进，采场厚硬难垮顶板的悬空面积会逐渐增大，这势必会加大采场工作面的支护难度；同时，采场厚硬难垮顶板的初次/周期来压步距很大，其会随工作面的逐渐推进积聚大量的能量，当采场厚硬顶板自重及上覆岩层的荷载达到其极限强度时，就会发生瞬间整体垮落，进而引发剧烈的冲击动力灾害，破坏巷道围岩和采场设备，甚至造成人员伤亡。
[0003] 煤矿厚硬难垮顶板的超前预裂可以有效减少采空区的悬顶面积、缩短初次/周期来压步距、降低初次/周期来压强度，进而保障安全生产。传统地，煤矿厚硬难垮顶板的预裂方法主要包括：注水弱化法、化学炸药爆破法、水力压裂法等。注水弱化法通过提高含水率、溶解胶结矿物、减小黏聚力来弱化厚硬顶板，其预裂效果不佳；化学炸药爆破法产生的爆破冲击波对煤岩层的动力扰动较大，其可控性差，时有哑炮、拒爆等现象发生，操作过程中产生的火花等容易引发瓦斯爆炸，安全隐患极大；水力压裂法不仅消耗了大量的水资源，而且预裂过程中高压压裂液中的化学试剂容易引发污染。因此，亟需寻找一种易操作、成本低、效果好的煤矿厚硬难垮顶板预裂方法来保障安全生产。
[0004] 低温条件下(-195.8℃)液氮无色无味，可以诱导岩石中微裂隙/孔隙的扩展，进而产生压裂效应。液氮低温压裂技术被广泛应用于油气开发的钻井、完井和增产中。然而，液氮低温预裂技术在煤炭开采技术领域(尤其在煤矿厚硬难垮顶板的超前预裂方面)的应用鲜有报道。
[0005] 一种液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法易操作、成本低、效果好，不仅可以避免前述方法的缺点与劣势，而且可以充分利用低温条件下液氮对岩石微裂隙/孔隙扩展的诱导特性实现对煤矿厚硬难垮顶板的预裂，进而保障安全生产。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是：提供了一种充分利用低温条件下液氮对岩石微裂隙/孔隙扩展的诱导特性，超前预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明是按照以下技术方案实现的：
[0008] 一种液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，具体包括以下步骤：
[0009] (1)提纯氮气，在冷却机组的作用下液化封装于液氮储罐内，并运往采煤工作面；
[0010] (2)按照以下顺序依次连接液氮低温预裂系统：液氮储罐——供液管——预裂高压泵——预裂管——预裂喷嘴——固定器——除屑器——回流管——净化器连接于一体，检查系统能否正常运行；
[0011] (3)在运输顺槽和轨道顺槽中超前工作面一定距离分别向采场厚硬难垮顶板中钻取预裂钻孔，并开设楔形环槽；
[0012] (4)将预裂管伸入步骤(3)布置的预裂钻孔深处，并在步骤(3)开设的预裂钻孔开孔端安置注水高压膨胀封孔器；
[0013] (5)开启供液阀、关闭回流阀、启动高压泵，使液氮流体依次经供液管——高压泵——预裂管路——预裂喷嘴进入步骤(3)开设的楔形环槽内，产生致裂效应；
[0014] (6)开启回流阀、关闭供液阀，使低温液氮回流依次经预裂管路——回流阀——除屑器——净化器，实现液氮/氮气回流的除杂与提纯，并最终液化封装于液氮储罐内以循环利用；
[0015] (7)随着工作面的逐渐推进，依次重复上述步骤(3)、(4)、(5)和(6)，实现对矿厚硬难垮顶板超前预裂。
[0016] 优选的，所述的步骤(1)采用高效吸附剂和过滤器从大气中提纯氮气。
[0017] 优选的，所述的步骤(1)中冷却机组的测量控制范围为：-300℃～0℃。
[0018] 优选的，所述的步骤(2)中供液管路和预裂管的材质需具有绝热特性的岩棉、耐高温玻璃棉、硅酸铝、微孔硅酸钙、复合硅酸盐或聚氨酯中的一种或几种，以避免低温液氮流体在管路输送过程中的温度损耗。
[0019] 优选的，所述的步骤(3)运输顺槽和轨道顺槽中预裂钻孔的布置位置超前工作面的距离为5～15m。
[0020] 优选的，所述的步骤(3)预裂钻孔直径d0为40～120mm。
[0021] 优选的，所述的步骤(3)预裂钻孔的孔间距l0为3～8m。
[0022] 优选的，所述的步骤(3)预裂钻孔与厚硬难垮顶板的夹角α为15°～75°。
[0023] 优选的，所述的步骤(3)在预裂钻孔端部开设的楔形环槽能使低温液氮对厚硬顶板裂缝的形成与扩展产生导向作用。
[0024] 优选的，所述的步骤(4)注水高压膨胀封孔器的封孔长度为2～5m。
[0025] 优选的，所述的步骤(4)预裂管路间相互串联。
[0026] 优选的，所述的步骤(5)液氮储罐的供液温度在-195.8℃以下。
[0027] 优选的，所述的步骤(7)工作面的推进距离为 其中L为厚硬顶板初次来压步距L1和周期来压步距L2的较小值。
[0028] 采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0029] 本发明充分利用低温条件下液氮对岩石微裂隙/孔隙扩展的诱导特性，实现对煤矿厚硬难垮顶板的预裂。
[0030] (1)本发明采用的液氮源于大气，其来源广泛、成本低、操作简单且效果良好。
[0031] (2)本发明充分利用低温液氮对岩石中微裂隙/孔隙扩展的诱导特性，实现对煤矿厚硬难垮顶板的超前预裂，不仅减小了厚硬难垮顶板的悬顶面积，而且降低了其初次/周期来压步距和来压强度，有效地避免了综放开采时厚硬顶板瞬时垮落引发的动力灾害，保障安全生产。
附图说明
[0032] 以下附图旨在对本发明作示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
[0033] 图1为液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板的示意图；
[0034] 图2为液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板射流钻孔平面分布示意图；
[0035] 图3为液氮低温预裂煤矿厚硬难垮顶板射流钻孔切面分布示意图；
[0036] 图中：1—过滤器；2—液氮；3—冷却机组；4—液氮储罐；5—供液管；6—高压泵；7—预裂管；8—固定器；9—除屑器；10—回流管；11—净化器；12—运输顺槽；13—轨道顺槽；14—采煤工作面；15—厚硬难垮顶板；16—预裂钻孔；17—楔形环槽；18—注水高压膨胀封孔器；19—采场煤体；K1—供液阀；K2—回流阀；α—预裂钻孔与厚硬顶板夹角；l0—同组钻孔间距；d—各组钻孔间距。
具体实施方式
[0037] 为了对本发明的技术目标、特征和效果有更清楚的理解，现结合附图对液氮预裂同煤集团某矿石炭系煤层厚硬难垮顶板作进一步的详细说明。
[0038] 同煤集团某矿石炭系煤层埋深为400～600m，主采3～5号煤层为厚度14～20m的特厚煤层。该矿石炭系煤层顶板岩层坚硬完整，以粉细砂岩、中粗砂岩为主。石炭系煤层开采时，上覆厚硬厚硬顶板的悬空面积较大，不能及时垮落，导致采场工作面的支护难度加大；同时，厚硬难垮顶板的初次/周期来压步距很大，其会随工作面的逐渐推进积聚大量的能量，并发生瞬间整体垮落，进而引发剧烈的冲击动力灾害，破坏巷道围岩和采场设备，威胁安全生产。现采用低温液氮来预裂同煤集团某矿石炭系煤层上覆厚硬难垮的顶板岩层，其具体包括以下步骤：
[0039] 一种液氮低温预裂煤矿厚硬顶板的方法，包括以下步骤：
[0040] 步骤一，收集大气，采用高效吸附剂和过滤器1实现对氮气的除杂与提纯，在测量控制范围为-300℃～0℃的冷却机组3的作用下液化封装于液氮储罐4内，并运往采煤工作面14。
[0041] 步骤二，按照以下顺序依次连接液氮低温预裂系统：液氮储罐4——供液阀K1——供液管5——预裂高压泵6——预裂管7——固定器8——回流阀K2——除屑器9——回流管10——净化器11于一体，检查系统能否正常运行。
[0042] 步骤三，在运输顺槽12和轨道顺槽13中超前工作面8m分别向采场厚硬难垮顶板15中钻取直径d0为80mm、孔间距l0为8m、与厚硬难垮顶板15的夹角α为15°、30°、45°、60°和75°的预裂钻孔16，并在预裂钻孔16孔底开设楔形环槽17，使其对厚硬顶板中裂隙的形成与扩展产生导向作用。
[0043] 步骤四，将相互串联的预裂管7伸入步骤三布置的预裂钻孔16深处，并在步骤三开设的预裂钻孔16的开孔端安置注水高压膨胀封孔器18，保证其封孔长度为4m。
[0044] 步骤五，开启供液阀K1、关闭回流阀K2、启动高压泵6，使液氮储罐4内的液氮2依次经供液管5——预裂高压泵6——预裂管7进入步骤三开设的楔形环槽17内，实现对煤矿厚硬难垮顶板15的超前预裂。
[0045] 步骤六，开启回流阀K2、关闭供液阀K1，使低温液氮2回流依次经预裂管7——回流阀K2——除屑器9——净化器11，实现液氮2回流的除杂与提纯，并最终液化封装于液氮储罐4内。
[0046] 步骤七，当工作面14每推进 (其中，L为厚硬顶板初次来压步距L1和周期来压步距L2的较小值)时，依次重复上述步骤三、四、五和六，实现对煤矿矿厚硬难垮顶板的超前预裂。
[0047] 以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明所述技术实质与原理的前提下对上述实施方法作出的任何改进与修润，均属于本发明技术方案的保护范围。
