CN107605484B - 一种液氮冻结式石门揭煤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液氮冻结式石门揭煤方法，该方法包括：当揭煤工作面靠近安全岩柱时，在揭煤工作面施工若干冻结钻孔，冻结钻孔穿过安全岩柱和煤层；对冻结钻孔进行注水作业；在冻结钻孔一侧施工测温孔，测温孔内布置测温管，对测温孔进行封孔；在各个冻结钻孔内布置冻结管和注浆钢管；对冻结钻孔进行注浆作业，实现对煤体的加固；将液氮注入冻结管内，液氮在气化过程中吸收煤层的热量，对煤层进行冻结固化；利用测温孔对冻结区域的煤层温度进行监测，确定煤层已充分冻结，随后揭穿石门。该方法工期较短、节省时间，煤层固化效果好，可有效提高石门揭煤作业的效率和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下揭露煤层的方法，尤其是一种适用于易突出煤层的液氮冻结式石门揭煤方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是煤矿井下生产过程中常见的灾害之一，其中在石门揭穿煤层时最易发生，突出危险性高，突出强度也比较大。据统计，石门揭煤突出的平均强度为其他各类巷道突出强度的6倍以上，80％以上的特大型突出都发生在石门揭煤过程中。石门地点突出事故频发、突出强度较大的原因在于揭煤工作面的前方煤岩应力状态容易发生突然的变化，导致岩石、煤层的弹性潜能以及瓦斯能量大量释放。研究表明，煤体强度决定了它在地应力和瓦斯压力的作用下能否被破坏，所以煤体的强度是其能否抵挡突出的关键因素。在现有技术中，提高煤体强度的措施主要有注浆加固和金属骨架等措施。这些措施在石门揭煤防突工作中取得了一定的成效，但是也存在很大的局限性。如：注浆加固虽可以有效提高煤体强度，但注浆材料在煤体中扩散比较困难，加固范围有限。因此，迫切需要提供一种易突出煤层的石门揭煤方法,可以迅速提高待揭煤岩的强度，从而达到安全、快速揭煤的目标。
液氮冻结是一种在人工冻结土层领域已经比较成熟的技术。液氮在冻结管内气化吸热,实现土层冻结，提高土层强度，便于进行下一步的施工作业。液氮冻结可被称为“快速冻结”，因为液氮温度为-196℃，温度低，冻结速度快，是常规氨-盐水循环冻结速度的10倍，并且冻结后冻土温度更低、冻土强度更高。液氮冻结技术在我国城市地下工程地基加固、铁路和公路的隧道掘进作业以及局部抢险工程中获得了较广泛的应用。根据上述背景，可将液氮冻结技术应用于井下石门揭煤作业中，揭煤前对待揭煤样进行冻结，提高待揭煤岩强度，从而消除突出危险性。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种揭穿煤层作业安全性更高，效果更好的液氮冻结式石门揭煤方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种液氮冻结式石门揭煤方法，包括以下步骤：
a、朝煤层方向进行岩巷掘进施工，当揭煤工作面靠近安全岩柱时，在揭煤工作面施工若干冻结钻孔，冻结钻孔依次穿过安全岩柱和煤层，在冻结钻孔内布置注水管，采用胶囊封孔器封堵冻结钻孔；
b、通过注水管对冻结钻孔进行常规煤层低压注水作业，注水作业结束后，卸放冻结钻孔中压力水，并取出胶囊封孔器；
c、在冻结钻孔一侧施工测温孔，在测温孔内布置含有温度传感器三的测温管，然后对测温孔进行水泥注浆封孔；
d、在岩巷内布置液氮冻结系统，在各个冻结钻孔内布置冻结管和注浆钢管，冻结管的一端作为冻结管进液口，冻结管的另一端作为冻结管排气口，冻结管进液口和冻结管排气口分别伸出至冻结钻孔外，在冻结管进液口安装温度传感器一，在冻结管排气口安装温度传感器二，最后对冻结钻孔进行水泥注浆封孔；
e、通过注浆钢管对冻结钻孔进行常规水泥注浆作业，水泥凝固后与注浆钢管相结合构成金属骨架，实现对煤体的加固；
f、将液氮通过冻结管进液口注入冻结管内，液氮在冻结管内逐渐气化为氮气，液氮在气化过程中吸收煤层的热量，对煤层进行冻结固化，氮气再从冻结管排气口排出，在向冻结管注入液氮的过程中，利用冻结管进液口处的温度传感器一和冻结管排气口处的温度传感器二实时监测液氮注入温度和氮气排出温度，以此为依据对液氮注入量进行控制和调节；
g、在煤层冻结固化过程中，利用测温孔内的温度传感器三，将煤层温度信号经温度传感线传输到温度显示器中，从而对冻结区域的煤层温度进行实时监测，当各个测温孔内的温度均处在-5℃以下时，可确定煤层已充分冻结，随后使用常规石门揭煤方法揭穿石门。
进一步的，步骤a中，所述冻结钻孔在揭煤工作面上呈矩形阵列排布，在揭煤工作面上相邻两冻结钻孔之间的间距为1m，各冻结钻孔沿钻进方向逐渐向四周扩散。
进一步的，步骤b中，注水压力小于0.5MPa，当注水时间超过30分钟或煤壁有水渗出时，停止注水作业。
进一步的，步骤c中，测温孔与冻结钻孔相距0.5m。
进一步的，步骤d中，所述冻结管选用Φ30mm的U型无缝钢管，冻结管靠近冻结管进液口的一侧为冻结管注液分支，冻结管靠近冻结管排气口的另一侧为冻结管回气分支，并且在冻结管回气分支上安装单向阀。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明利用煤层注水技术，不仅加快煤层瓦斯排放速度，而且提高了煤岩的含水率。利用液氮冻结系统向钻孔中的冻结管内注入液氮，液氮蒸发吸收大量热量，煤岩体温度迅速下降直至完全冻结。与其它冻结技术相比，本液氮冻结方式一方面在冻结前采用煤层注水技术，提高了煤岩的含水率，从而使得煤岩冻结速度更快，冻结后煤岩强度更高。又将钻孔内的注浆钢管与水泥浆液结合制成金属骨架，提高煤岩的抗拉强度，降低了石门揭煤作业中的突出危险性；另一方面，整个冻结过程无污染，只有液氮蒸发后排出的氮气，对井下环境有利，符合煤矿井下的安全要求。
附图说明
图1是本发明液氮冻结式石门揭煤施工示意图。
图2是图1的A-A揭煤工作面钻孔布置示意图。
图3是高压注水泵与注水管的连接示意图。
图4是液氮罐与冻结管的连接示意图。
图5是温度传感器一、温度传感器二和温度传感器三的安装意图。
图6是注浆泵与注浆钢管的连接示意图。
图中：1-煤层，2-安全岩柱，3-岩巷，4-揭煤工作面，5-液氮罐，6-隔热不锈钢软管，7-液氮分配器，8-冻结管，9-冻结钻孔，10-测温孔，11-高压注水泵，12-注水阀门，13-高压水管，14-胶囊封孔器，15-注水管，16-压力监测装置，17-流量监测装置，18-液氮罐阀门，19-冻结管进液口，20-注浆钢管，21-冻结管排气口，22-注浆封孔段，23-冻结管注液分支，24-冻结管回气分支，25-单向阀，26-温度显示器，27-温度传感器一，28-温度传感器二，29-温度传感器三，30-温度传感线，31-测温管，32-注浆泵，33-高压胶管，34-专用注射枪。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种液氮冻结式石门揭煤方法，包括以下步骤：
a、如图1至3所示，朝煤层1方向进行岩巷掘进施工，当揭煤工作面4靠近安全岩柱2时，在揭煤工作面4施工若干冻结钻孔9，冻结钻孔9依次穿过安全岩柱2和煤层1，所述冻结钻孔9在揭煤工作面4上呈矩形阵列排布，在揭煤工作面4上相邻两冻结钻孔9之间的间距为1m，各冻结钻孔9沿钻进方向逐渐向四周扩散，在冻结钻孔9内布置注水管15，采用胶囊封孔器14封堵冻结钻孔9；
b、如图3所示，将高压注水泵11通过高压水管13与注水管15相连，开启高压注水泵11上的注水阀门12，通过注水管15对冻结钻孔9进行常规煤层低压注水作业，注水压力小于0.5MPa，当注水时间超过30分钟或煤壁有水渗出时，停止注水作业，注水作业结束后，卸放冻结钻孔9中压力水，并取出胶囊封孔器14；
c、如图2和5所示，在冻结钻孔9一侧施工测温孔10，测温孔10与冻结钻孔9相距0.5m，在测温孔10内布置含有温度传感器三29的测温管31，温度传感器三29通过温度传感线30与温度显示器26相连，然后对测温孔10进行水泥注浆封孔；
d、如图1、4、5所示，在岩巷3内布置液氮冻结系统，液氮冻结系统包括液氮罐5，液氮罐5通过隔热不锈钢软管6与液氮分配器7相连，液氮罐5上设有压力监控装置16和流量监控装置17，在各个冻结钻孔9内布置冻结管8和注浆钢管20，冻结管8的一端作为冻结管进液口19，冻结管8的另一端作为冻结管排气口21，冻结管进液口19和冻结管排气口21分别伸出至冻结钻孔9外，本实施例中，所述冻结管8选用Φ30mm的U型无缝钢管，冻结管8靠近冻结管进液口19的一侧为冻结管注液分支23，冻结管8靠近冻结管排气口21的另一侧为冻结管回气分支24，并且在冻结管回气分支24上安装单向阀25，各个冻结管8的冻结管进液口19分别通过隔热不锈钢软管6与液氮分配器7相连，在冻结管进液口19安装温度传感器一27，在冻结管排气口21安装温度传感器二28，温度传感器一27和温度传感器二28分别与温度显示器26相连，最后对冻结钻孔9进行水泥注浆封孔，在冻结钻孔9孔口形成长度约为4m的注浆封孔段22；
e、如图6所示，将注浆泵32通过高压胶管33与专用注射枪34相连，专用注射枪34插入注浆钢管20，开启注浆泵32，通过注浆钢管20对冻结钻孔9进行常规水泥注浆作业，水泥凝固后与注浆钢管20相结合构成金属骨架，提升煤体的抗拉强度，实现对煤体的加固；
f、打开液氮罐5的液氮罐阀门18，将液氮通过冻结管进液口19注入冻结管8内，液氮在冻结管8的注液分支23内逐渐气化为氮气，液氮在气化过程中吸收煤层1的热量，对煤层1进行冻结固化，当氮气压力升高到一定值后，冻结管回气分支24上的单向阀25开启，氮气再从冻结管排气口21排出，在向冻结管8注入液氮的过程中，利用冻结管进液口19处的温度传感器一27和冻结管排气口21处的温度传感器二28实时监测液氮注入温度和氮气排出温度，以此为依据对液氮注入量进行控制和调节，也可以通过压力监控装置16和流量监控装置17对液氮注入量进行控制和调节；
g、在煤层1冻结固化过程中，利用测温孔10内的温度传感器三29，将煤层1温度信号经温度传感线30传输到温度显示器26中，从而对冻结区域的煤层1温度进行实时监测，当各个测温孔10内的温度均处在-5℃以下时，可确定煤层1已充分冻结，随后使用常规石门揭煤方法揭穿石门。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种液氮冻结式石门揭煤方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、朝煤层(1)方向进行岩巷掘进施工，当揭煤工作面(4)靠近安全岩柱(2)时，在揭煤工作面(4)施工若干冻结钻孔(9)，冻结钻孔(9)依次穿过安全岩柱(2)和煤层(1)，在冻结钻孔(9)内布置注水管(15)，采用胶囊封孔器(14)封堵冻结钻孔(9)；
b、通过注水管(15)对冻结钻孔(9)进行常规煤层低压注水作业，注水作业结束后，卸放冻结钻孔(9)中压力水，并取出胶囊封孔器(14)；
c、在冻结钻孔(9)一侧施工测温孔(10)，在测温孔(10)内布置含有温度传感器三(29)的测温管(31)，然后对测温孔(10)进行水泥注浆封孔；
d、在岩巷(3)内布置液氮冻结系统，在各个冻结钻孔(9)内布置冻结管(8)和注浆钢管(20)，冻结管(8)的一端作为冻结管进液口(19)，冻结管(8)的另一端作为冻结管排气口(21)，冻结管进液口(19)和冻结管排气口(21)分别伸出至冻结钻孔(9)外，在冻结管进液口(19)安装温度传感器一(27)，在冻结管排气口(21)安装温度传感器二(28)，最后对冻结钻孔(9)进行水泥注浆封孔；步骤d中，所述冻结管(8)选用U型无缝钢管，冻结管(8)靠近冻结管进液口(19)的一侧为冻结管注液分支(23)，冻结管(8)靠近冻结管排气口(21)的另一侧为冻结管回气分支(24)，并且在冻结管回气分支(24)上安装单向阀(25)；
e、通过注浆钢管(20)对冻结钻孔(9)进行常规水泥注浆作业，水泥凝固后与注浆钢管(20)相结合构成金属骨架，实现对煤体的加固；
f、将液氮通过冻结管进液口(19)注入冻结管(8)内，液氮在冻结管(8)内逐渐气化为氮气，液氮在气化过程中吸收煤层(1)的热量，对煤层(1)进行冻结固化，氮气再从冻结管排气口(21)排出，在向冻结管(8)注入液氮的过程中，利用冻结管进液口(19)处的温度传感器一(27)和冻结管排气口(21)处的温度传感器二(28)实时监测液氮注入温度和氮气排出温度，以此为依据对液氮注入量进行控制和调节；
g、在煤层(1)冻结固化过程中，利用测温孔(10)内的温度传感器三(29)，将煤层(1)温度信号经温度传感线(30)传输到温度显示器(26)中，从而对冻结区域的煤层(1)温度进行实时监测，当各个测温孔(10)内的温度均处在-5℃以下时，可确定煤层(1)已充分冻结，随后使用常规石门揭煤方法揭穿石门。
2.根据权利要求1所述的一种液氮冻结式石门揭煤方法，其特征在于：步骤a中，所述冻结钻孔(9)在揭煤工作面(4)上呈矩形阵列排布，在揭煤工作面(4)上相邻两冻结钻孔(9)之间的间距为1m，各冻结钻孔(9)沿钻进方向逐渐向四周扩散。
3.根据权利要求1所述的一种液氮冻结式石门揭煤方法，其特征在于：步骤b中，注水压力小于0.5MPa，当注水时间超过30分钟或煤壁有水渗出时，停止注水作业。
4.根据权利要求1所述的一种液氮冻结式石门揭煤方法，其特征在于：步骤c中，测温孔(10)与冻结钻孔(9)相距0.5m。
5.根据权利要求1所述的一种液氮冻结式石门揭煤方法，其特征在于：步骤d中，所述冻结管(8)选用Φ30mm的U型无缝钢管。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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