预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法

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，尤其是设及一种超临界c〇2预裂煤矿厚硬难跨顶 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跨落。随着工作面的逐渐推进，采场 厚硬难跨顶板的悬空面积会逐渐增大，该势必会加大采场工作面的支护难度；同时，采场厚 硬难跨顶板的初次/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，就会发生瞬间整体跨落，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] 煤矿厚硬难跨顶板的超前预裂可W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，煤矿厚硬难跨顶板的预 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跨顶板预裂方法来保障安全生产。
[0004] 当C〇2的温度和压力均高于其临界温度（31. 26°C)和临界压力（7. 38MPa)时，称 之为超临界0)2。超临界C〇2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C〇2预裂技术在煤炭开采技术 领域（尤其在煤矿厚硬难跨顶板的超前预裂方面）的应用鲜有报道。
[0005] 一种超临界C〇2预裂煤矿坚硬难跨顶板的方法易操作、成本低、效果好，不仅可W 避免前述方法的缺点与劣势，而且可W充分利用超临界0)2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跨难跨顶板的预裂。

【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0)2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跨顶板的方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明是按照W下技术方案实现的：
[000引一种超临界c02预裂煤矿厚硬难跨顶板的方法，具体包括W下步骤：
[0009] (1)提纯C〇2气体，在温度控制器的作用下液化封装于C0 2储罐内，并运往采煤工 作面；
[0010] (2)按照W下顺序依次连接超临界C〇2预裂系统；C0 2储罐一-射流高压累一-供 液管一-过滤器一-射流管卷筒一-射流管一-固定器一-回流管一-除屑器一-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跨顶板中钻取射流钻 孔，并在射流钻孔端部开设模形环槽；
[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；
[001引 妨调节C02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、启动高压累，使超临界C〇2流体依次经供液管一一射 流高压累一一过滤器一一射流管一一高压射流喷嘴进入步骤（3)开设的模形环槽内，实现 对煤矿厚硬难跨顶板的预裂；
[001引 （7)开启回流阀、关闭供液阀，使超临界C02回流依次经射流管一-回流阀一-除 屑器一一净化器，实现除杂与提纯，并最终液化封装于C02储罐内W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)、巧）、（6)和（7)，实现对 煤矿厚硬难跨顶板的超前预裂。
[0017] 优选的，所述的步骤（1)中c〇2气体从工业尾气中提纯。
[001引优选的，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°C~150°C，不仅能冷却工业尾气中提纯的C02气体，而且能及时调控液态C02的温 度，使达到超临界状态。
[0019] 优选的，所述的步骤（1)中C〇2储罐的耐压为8~12MPa。
[0020] 优选的，所述的步骤（2)中超临界C〇2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、娃酸侣、微孔娃酸巧、复合娃酸盐或聚氨中的一种或几种，W避免超临 界C〇2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d。为40~120mm。
[0023] 优选的，所述的步骤（3)射流钻孔的孔间距1。为5~10m。
[0024] 优选的，所述的步骤（3)射流钻孔与厚硬难跨顶板的夹角a为15°~75°。
[0025] 优选的，所述的步骤（3)在射流钻孔端部开设模形环槽能使超临界C〇2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C〇2的临界温度为31. 26°C，临界压力为7. 38MPa。 [002引优选的，所述的步骤化）中超临界C02流体在高压累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，所述的步骤做射流破岩后的超临界CA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C〇2储罐，实现循环利用。
[0030] 优选的，所述的步骤（7)工作面的推进距离为~^)z±2m，其中L为厚硬顶 板初次来压步距Li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C〇2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。
[003引 （1)本发明将工业尾气的C02作为超临界C02流体的气体源，减少了C02的工业排 放量，实现了 0)2的循环利用，降低了厚硬难跨顶板超前预裂的成本。
[0034] (2)本发明采用超临界C〇2流体预裂煤矿厚硬顶板，不仅可W减小厚硬难跨顶板的 悬顶面积，而且可W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 硬顶板瞬时跨落引发的动力灾害，保障安全生产。
【附图说明】
[0035] 图1为超临界C〇2预裂煤矿厚硬难跨顶板的示意图；
[0036] 图2为超临界C〇2预裂煤矿厚硬难跨顶板射流钻孔平面分布示意图；
[0037] 图3为超临界C〇2预裂煤矿厚硬难跨顶板射流钻孔切面分布示意图；
[00測图中；1-气态C02;2-温度控制器；3-C0 2储罐；4-射流高压累；5-供液管； 6-过滤器；7-射流管卷筒巧一射流管；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-厚硬难跨顶板；16-射流钻孔；17-模形环槽； 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；Ki-供液阀；馬一 回流阀；1。一同组钻孔间距；d-各组钻孔间距。
【具体实施方式】
[0039] W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C〇2 预裂滿安集团某矿厚度为10.Im、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]滿安集团某矿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.Im，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，不能及时跨落，导致 采场工作面的支护难度加大；同时，厚硬细粒砂岩难跨顶板的初次/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，并发生瞬间整体跨落，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C〇2预裂来预裂滿安集团某 矿3号煤层厚硬难跨的细粒砂岩顶板岩层，其具体包括W下步骤：
[0042] 步骤一，从工业尾气中提纯气态C^l，在测量控制范围为-300°C~150°C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C〇2储罐3内，将前述 C〇2储罐3运往采煤工作面20。
[0043]步骤二，按照W下顺序依次连接超临界C〇2预裂系统；C02储罐3-一射流高压累 4一一供液管5-一过滤器6-一射流管卷筒7-一射流管8-一固定器9一一回流管10-一 除屑器11 一一气体净化器12,检查系统能否正常运行。
[0044] 步骤S，在采场运输顺槽13和轨道顺槽14中超前工作面10m分别向厚硬难跨顶 板15中钻取直径d。为80mm、孔间距1。约为8m、与厚硬顶板的夹角a分别为为15。、30°、 45°、60°和75°的射流钻孔16,并在射流钻孔16孔底开设模形环槽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C〇2储罐的温度和压力使同时高于临界温度（31. 26°C)和临界 压力（7. 38MPa)，将液态C〇2转变为超临界CO2;
[0047] 步骤六，开启供液阀Ki、关闭回流阀心启动射流高压累4,使C〇2储罐3内的液态 C〇2依次经射流局压累4--供液管5--过滤器6--射流管卷筒7--射流管8--局压 射流管喷嘴19进入步骤（3)开设的模形环槽17内，实现对煤矿厚硬难跨顶板15的预裂。
[0048] 步骤私开启回流阀馬、关闭供液阀Ki，使超临界C〇2回流依次经射流管8-一回流 阀馬一一除屑器11 一一气体净化器12,实现除杂与提纯，并最终液化封装于C〇2储罐3内， 实现循环利用。
[0049] 步骤八，当工作面20每推进~^)Z±2m(其中，L为厚硬顶板初次来压步 距Li和周期来压步距L2的较小值）时，依次重复上述步骤（3)、（4)、巧）、（6)和（7)，实现 对煤矿厚硬难跨顶板的超前预裂。
[0050]W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。
【主权项】
1. 一种超临界CO 2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0)2预裂系统：C02储罐一一射流高压泵一一供液 管一一过滤器一一射流管卷筒一一射流管一一固定器一一回流管一一除肩器一一气体净 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0)2储罐的温度和压力使同时高于临界点，将液态CO 2转变为超临界CO 2; (6) 开启供液阀、关闭回流阀、启动高压泵，使超临界CO2流体依次经供液管一一射流高 压泵一一过滤器一一射流管一一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回流依次经射流管一一回流阀一一除肩 器一一净化器，实现除杂与提纯，并最终液化封装于CO 2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CO 2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述 的步骤（1)中〇)2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 8-12MPa的0) 2储罐中。
3. 根据权利要求1所述的超临界CO 2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°C~150°C。
4. 根据权利要求1所述的超临界CO 2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CO 2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〇
6. 根据权利要求1所述的超临界CO 2预裂煤矿厚硬难垮顶板的方法，其特征在于，所述 的步骤⑶射流钻孔直径Cltl为40~120mm、孔间距1 ^为5~10m、与厚硬难垮顶板的夹角 α 为 15。~75。。
7. 根据权利要求1所述的超临界CO 2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CO 2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0)2的临界温度为31. 26°C，临界压力为7. 38MPa。
9. 根据权利要求1所述的超临界CO 2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CO 2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* 周期来压步距L2的较小值。
【专利摘要】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。
【IPC分类】E21C41-18, E21B43-26
【公开号】CN104763427
【申请号】CN201510082064
【发明人】冯国瑞, 白锦文, 张玉江, 章敏, 戚庭野, 周小建, 郭峰, 康立勋
【申请人】太原理工大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年2月12日