本发明公开了一种超临界CO2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。该发明充分利用超临界CO2的高密度、低粘度、高扩散性和破岩能力强等特性，实现对煤矿厚硬难垮难垮顶板的超前预裂。该发明不仅可以减少CO2的工业排放量、实现CO2的循环利用、降低超前预裂的成本，而且可以减小厚硬难垮顶板的悬顶面积、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。
1.一种超临界CO2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CO2气体，在温度控制器的作用下液化封装于CO2储罐内，并运往采煤工作面；
(2)按照以下顺序依次连接超临界CO2预裂系统：CO2储罐——射流高压泵——供液管——过滤器——射流管卷筒——射流管——固定器——回流管——除屑器——气体净化器，检查系统能否正常运行；
(3)在采场运输顺槽和轨道顺槽中超前工作面分别向厚硬难垮顶板中钻取射流钻孔，并在射流钻孔端部开设楔形环槽；
(4)将射流管伸入步骤(3)布置的射流钻孔深处，并在步骤(3)开设的射流钻孔开孔端安置注水高压膨胀封孔器；
(5)调节CO2储罐的温度和压力使同时高于临界点，将液态CO2转变为超临界CO2；
(6)开启供液阀、关闭回流阀、启动高压泵，使超临界CO2流体依次经供液管——射流高压泵——过滤器——射流管——高压射流喷嘴进入步骤(3)开设的楔形环槽内，实现对煤矿厚硬难垮顶板的预裂；
(7)开启回流阀、关闭供液阀，使超临界CO2回流依次经射流管——回流阀——除屑器——净化器，实现除杂与提纯，并最终液化封装于CO2储罐内以循环利用；
(8)随着工作面的逐渐推进，依次重复上述步骤(3)、(4)、(5)、(6)和(7)，实现对煤矿厚硬难垮顶板的超前预裂。
2.根据权利要求1所述的超临界CO2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CO2气体从工业尾气中提纯，然后在温度控制器的作用下液化封装于耐压为8-
3.根据权利要求1所述的超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(1)温度控制器兼冷却和加热功能于一体，其测量控制范围为-300℃～150℃。
4.根据权利要求1所述的超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中超临界CO2供液管和射流管的材质为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所述的超临界CO2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射流钻孔的布置位置需超前采煤工作面的距离为5-15m。
6.根据权利要求1所述的超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(3)射流钻孔直径d0为40～120mm、孔间距l0为5～10m、与厚硬难垮顶板的夹角α为15°～
7.根据权利要求1所述的超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(4)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所述的超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(5)超临界CO2的临界温度为31.26℃，临界压力为7.38MPa。
9.根据权利要求1所述的超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述的步骤(6)中超临界CO2流体在高压泵的作用下经供液管输送至过滤器进行除杂，进而实现二次提纯，避免射流管的磨损破坏。
10.根据权利要求1所述的超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，步骤(8)中，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。
一种超临界CO2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，尤其是涉及一种超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法。
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] 当CO2的温度和压力均高于其临界温度(31.26℃)和临界压力(7.38MPa)时，称之为超临界CO2。超临界CO2具有高密度、低粘度、高扩散性等特性。其破岩能力强、效率高，被广泛应用于油气开发的钻井、完井和增产中。然而，超临界CO2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] 一种超临界CO2预裂煤矿坚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，而且可以充分利用超临界CO2的高密度、低粘度、高扩散性和破岩能力强等特性，进而实现对煤矿厚硬难垮难垮顶板的预裂。
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超临界CO2的高密度、低粘度、高扩散性和破岩能力强等特性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] 一种超临界CO2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CO2气体，在温度控制器的作用下液化封装于CO2储罐内，并运往采煤工作面；
[0010] (2)按照以下顺序依次连接超临界CO2预裂系统：CO2储罐——射流高压泵——供液管——过滤器——射流管卷筒——射流管——固定器——回流管——除屑器——气体净化器，检查系统能否正常运行；
[0011] (3)在采场运输顺槽和轨道顺槽中超前工作面分别向厚硬难垮顶板中钻取射流钻孔，并在射流钻孔端部开设楔形环槽；
[0012] (4)将射流管伸入步骤(3)布置的射流钻孔深处，并在步骤(3)开设的射流钻孔开孔端安置注水高压膨胀封孔器；
[0013] (5)调节CO2储罐的温度和压力使同时高于临界点，将液态CO2转变为超临界CO2；
[0014] (6)开启供液阀、关闭回流阀、启动高压泵，使超临界CO2流体依次经供液管——射流高压泵——过滤器——射流管——高压射流喷嘴进入步骤(3)开设的楔形环槽内，实现对煤矿厚硬难垮顶板的预裂；
[0015] (7)开启回流阀、关闭供液阀，使超临界CO2回流依次经射流管——回流阀——除屑器——净化器，实现除杂与提纯，并最终液化封装于CO2储罐内以循环利用；
[0016] (8)随着工作面的逐渐推进，依次重复上述步骤(3)、(4)、(5)、(6)和(7)，实现对煤矿厚硬难垮顶板的超前预裂。
[0017] 优选的，所述的步骤(1)中CO2气体从工业尾气中提纯。
[0018] 优选的，所述的步骤(1)温度控制器兼冷却和加热功能于一体，其测量控制范围为-300℃～150℃，不仅能冷却工业尾气中提纯的CO2气体，而且能及时调控液态CO2的温度，使达到超临界状态。
[0019] 优选的，所述的步骤(1)中CO2储罐的耐压为8～12MPa。
[0020] 优选的，所述的步骤(2)中超临界CO2供液管和射流管的材质为具有绝热特性的岩棉、耐高温玻璃棉、硅酸铝、微孔硅酸钙、复合硅酸盐或聚氨中的一种或几种，以避免超临界CO2流体在管路输送过程中的温度损耗。
[0021] 优选的，所述的步骤(3)运输顺槽和轨道顺槽中射流钻孔的布置位置超前采煤工作面的距离为5-15m。
[0022] 优选的，所述的步骤(3)射流钻孔的直径d0为40～120mm。
[0023] 优选的，所述的步骤(3)射流钻孔的孔间距l0为5～10m。
[0024] 优选的，所述的步骤(3)射流钻孔与厚硬难垮顶板的夹角α为15°～75°。
[0025] 优选的，所述的步骤(3)在射流钻孔端部开设楔形环槽能使超临界CO2流体对厚硬顶板 裂缝的形成与扩展产生导向作用。
[0026] 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。
[0027] 优选的，所述的步骤(5)超临界CO2的临界温度为31.26℃，临界压力为7.38MPa。
[0028] 优选的，所述的步骤(6)中超临界CO2流体在高压泵的作用下经供液管输送至过滤器进行除杂，进而实现二次提纯，避免射流管等的磨损破坏。
[0029] 优选的，所述的步骤(6)射流破岩后的超临界CO2回流携岩屑经回流管、除屑器和净化器实现杂质的分离，并最终回流至CO2储罐，实现循环利用。
[0030] 优选的，步骤(8)中，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。
[0031] 采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0032] 本发明利用超临界CO2流体作为射流液，充分发挥其低黏和易扩散特性，实现对煤矿厚硬顶板的超前预裂。
[0033] (1)本发明将工业尾气的CO2作为超临界CO2流体的气体源，减少了CO2的工业排放量，实现了CO2的循环利用，降低了厚硬难垮顶板超前预裂的成本。
[0034] (2)本发明采用超临界CO2流体预裂煤矿厚硬顶板，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。
附图说明
[0035] 图1为超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板的示意图；
[0036] 图2为超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板射流钻孔平面分布示意图；
[0037] 图3为超临界CO2预裂煤矿厚硬难垮顶板射流钻孔切面分布示意图；
[0038] 图中：1—气态CO2；2—温度控制器；3—CO2储罐；4—射流高压泵；5—供液管；6—过滤器；7—射流管卷筒；8—射流管；9—固定器；10—回流管；11—除屑器；12—气体净化器；13—运输顺槽；14—轨道顺槽；15—厚硬难垮顶板；16—射流钻孔；17—楔形环槽；18—注水高压膨胀封孔器；19—射流管喷嘴；20—工作面；21—采场煤体；K1—供液阀；K2—回流阀；
l0—同组钻孔间距；d—工作面的推进距离。
具体实施方式
[0039] 以下实施例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。
[0040] 为了对本发明的技术目标、特征和效果有更清楚的理解，现结合附图对超临界CO2预裂潞安集团某矿厚度为10.1m、普氏硬度f＝8～9、致密分布、整体性良好的细粒砂岩顶板作进一 步的详细说明。
[0041] 潞安集团某矿3号煤层赋存稳定，平均厚度为5.6m，倾角为3.5°，埋深为506.15m，走向长度为1536m，倾向长度为240m。目前，3号煤层采用走向长壁后退式综放开采。3号煤层直接顶为灰黑色的泥质砂岩，厚度为2.56m，普氏硬度f＝3～4，垂直裂隙较为发育；基本顶为深灰色细粒砂岩，厚度为10.1m，普氏硬度f＝8～9，致密分布，整体性良好。3号煤层开采过程中岩性为细粒砂岩的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，厚硬细粒砂岩难垮顶板的初次/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。现采用超临界CO2预裂来预裂潞安集团某矿3号煤层厚硬难垮的细粒砂岩顶板岩层，其具体包括以下步骤：
[0042] 步骤一，从工业尾气中提纯气态CO21，在测量控制范围为-300℃～150℃的温度控制器2(兼备冷却和加热功能)的作用下液化封装于耐压为12MPa的CO2储罐3内，将前述CO2储罐3运往采煤工作面20。
[0043] 步骤二，按照以下顺序依次连接超临界CO2预裂系统：CO2储罐3——射流高压泵4——供液管5——过滤器6——射流管卷筒7——射流管8——固定器9——回流管10——除屑器11——气体净化器12，检查系统能否正常运行。
[0044] 步骤三，在采场运输顺槽13和轨道顺槽14中超前工作面10m分别向厚硬难垮顶板15中钻取直径d0为80mm、孔间距l0约为8m、与厚硬顶板的夹角α分别为为15°、30°、45°、60°和
75°的射流钻孔16，并在射流钻孔16孔底开设楔形环槽17，使其对厚硬顶板中裂缝的形成与扩展产生导向作用。
[0045] 步骤四，将射流管8伸入步骤(3)布置的射流钻孔深处，并在步骤(3)开设的射流钻孔开孔端安置注水高压膨胀封孔器18，保证其封孔长度为4m；
[0046] 步骤五，分别调节CO2储罐的温度和压力使同时高于临界温度(31.26℃)和临界压力(7.38MPa)，将液态CO2转变为超临界CO2；
[0047] 步骤六，开启供液阀K1、关闭回流阀K2、启动射流高压泵4，使CO2储罐3内的液态CO2依次经射流高压泵4——供液管5——过滤器6——射流管卷筒7——射流管8——高压射流管喷嘴19进入步骤(3)开设的楔形环槽17内，实现对煤矿厚硬难垮顶板15的预裂。
[0048] 步骤七，开启回流阀K2、关闭供液阀K1，使超临界CO2回流依次经射流管8——回流阀K2——除屑器11——气体净化器12，实现除杂与提纯，并最终液化封装于CO2储罐3内，实现循环利用。
[0049] 步骤八，当工作面20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(3)、(4)、(5)、(6)和(7)，实现对煤矿厚硬难垮顶板的超前预裂。
[0050] 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。
