CN109779597B - 利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法和系统，其中包括将液氮速度可控地输送到煤体中，并在输出口回收，监测煤体的应力大小，若应力大于设定值，则判断液氮输入口需要继续输送液氮，否则停止输送液氮。采用本发明的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法和系统，液氮在在钻孔网络中循环，使煤体中水变为冰，体积膨胀后致裂，实现预开采区域煤体整体的弱化，有利于降低煤体的冲击倾向性，利用液氮进行冷却降低煤体中的瓦斯浓度，有利于提高高瓦斯矿井的安全性；另外，通过回收重复使用液氮，节约成本，且系统结构简单，操作简便，费用较低，具有更广泛的应用范围。

Description

利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法和系统

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及煤矿开采风险规避技术领域，具体是指一种利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法和系统。

背景技术

煤炭是我国的重要能源，随着近几年产业结构调整和环境保护的需求，石油、天然气以及新能源比例变大，煤炭资源的消费有所降低。但“富煤、贫油、少气”的现状使煤炭在未来几十年内仍占主要能源。目前，东部地区的浅部煤炭资源已基本被开采完，开采深度逐渐向深部发展。预计在未来20年，我国多数煤矿将进入1000m到1500m的开采深度。随着煤炭深部开采时代的到来，深部围岩受“三高一扰”(高地应力、高渗透压力、高地温、强开采扰动)影响，煤矿冲击地压发生趋于频繁。原来有冲击灾害的矿井，冲击危险性越发严峻；原来没有冲击灾害的矿井，也逐步出现冲击现象。冲击地压是指井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它不仅能造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，而且还会引起瓦斯、煤尘爆炸、火灾及水灾，干扰通风系统等，是煤矿重大灾害之一，严重影响着煤矿的安全、高效开采。由于冲击地压灾害发生的时间与地域具有多样性和突发性，造成的人员伤亡和财产损失巨大，因此，采取相应的措施进行灾害防控非常有必要，也是世界性难题。目前对煤体进行的灾害防控技术还存在很多不足，比如煤体爆破措施在高瓦斯矿井存在局限性；煤层注水措施对吸水性强的煤体不适用；大直径钻孔卸压需要的工作量大，费用高，且对煤体深部的卸压效果不明显。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够充分弱化预开采区域的煤体、起到对冲击地压进行防控作用的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法和系统。

为了实现上述目的，本发明的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法和系统具有如下构成：

该利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)在煤体上布置钻孔通道，形成钻孔网络；

(2)钻孔网络最外边的两个钻孔通道分别为液氮输入口和液氮输出口；

(3)所述的液氮输入口用于速度可控地将液氮输入到所述的钻孔网络中，并由液氮输出口输出钻孔网络中汽化成氮气的液氮；

(4)监测煤体的应力大小，若应力大于设定值，则判断液氮输入口需要继续输送液氮，否则停止输送液氮。

进一步地，所述的在煤体上布置钻孔通道具体为：

根据煤体的应力分布规律布置相应的钻孔通道。

更进一步地，根据所述的应力分布规律中的应力集中区域对应的钻孔通道之间的间距更小。

其中，所述的钻孔通道的孔径为110-150mm，所述的应力分布规律中的非应力集中区域对应的钻孔通道之间的间距为15m，所述的应力分布规律中的应力集中区域对应的钻孔通道之间的间距为10m。

进一步地，由液氮输出口输出钻孔网络中汽化成氮气的液氮，具体包括以下步骤：

(3.1)所述的液氮输出口收集在所述的钻孔网络中汽化成氮气的液氮；

(3.2)所述的液氮输出口过滤氮气中的瓦斯和煤粉，并将氮气再次冷却为液氮输送给液氮输入口。

此外，还提供一种利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的系统，其主要特点是，所述的系统包括液氮输送装置和煤体应力监测装置，其中，

所述的液氮输送装置用于将液氮以可控速度输送至所述的煤体的钻孔通道中，

所述的煤体应力监测装置用于监测所述的煤体的应力大小，并控制所述的液氮输送装置的速度和启停。

进一步地，所述的系统还包括氮气收集过滤装置和氮气冷却装置，其中，

所述的氮气收集过滤装置用于收集所述的煤体的钻孔通道中的已经汽化成氮气的液氮，并对收集的氮气进行过滤后输送给所述的氮气冷却装置，

所述的氮气冷却装置用于将过滤后的氮气进行冷却，形成新的液氮并输送给所述的液氮输送装置。

采用了该发明的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法和系统，控制液氮输入速度并向钻孔通道输送液氮，监测煤体的应力大小判定是否需要继续输送液氮，液氮在在钻孔网络中循环，使煤体中水变为冰，体积膨胀后致裂，实现预开采区域煤体整体的弱化，有利于降低煤体的冲击倾向性，利用液氮进行冷却降低煤体中的瓦斯浓度，有利于提高高瓦斯矿井的安全性；另外，通过回收重复使用液氮，节约成本，且系统结构简单，操作简便，费用较低，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法的流程图。

图2为本发明的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的系统的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

在一种实施方式中，如图1所示，为本发明的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法的流程图，该方法包括以下步骤：

(1)在煤体上布置钻孔通道，形成钻孔网络；

(2)钻孔网络最外边的两个钻孔通道分别为液氮输入口和液氮输出口；

(3)所述的液氮输入口用于速度可控地将液氮输入到所述的钻孔网络中，并由液氮输出口输出钻孔网络中汽化成氮气的液氮，其中，

(3.1)所述的液氮输出口收集在所述的钻孔网络中汽化成氮气的液氮；

(3.2)所述的液氮输出口过滤氮气中的瓦斯和煤粉，并将氮气再次冷却为液氮输送给液氮输入口；

(4)监测煤体的应力大小，若应力大于设定值，则判断液氮输入口需要继续输送液氮，根据实际情况调整输送速度和输送时间，否则停止输送液氮。

其中，先利用钻孔和弹性波CT方法等技术手段得出预开采区域煤体的应力分布规律，钻孔通道根据得到的应力分布规律布置，钻孔通道之间可以采用管道连接，形成钻孔网络。所述的钻孔通道的孔径为110-150mm，钻孔通道的间距为15m，所述的应力分布规律中的非应力集中区域对应的钻孔通道之间的间距为15m，所述的应力分布规律中的应力集中区域对应的钻孔通道之间的间距为10m。

在另一种实施方式中，如图2所示，为本发明的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的系统的示意图。

该系统包括放置在液氮输入口的液氮输送装置A，对煤体进行实时监测的煤体应力监测装置(未标出)，放置于液氮输出口的氮气收集过滤装置C以及氮气冷却装置B，其中：

所述的液氮输送装置A用于将液氮以可控速度输送至所述的煤体的钻孔通道中；

所述的煤体应力监测装置用于监测所述的煤体的应力大小，并控制所述的液氮输送装置A的速度和启停，若煤体的应力高于设定的最高值，则可以加长输送液氮的时间或调整输送液氮的速度，等应力有明显降低后，即可减少输送的时间或者输送的速度，在应力降低到设定的最小值，则可以停止输送液氮；

所述的氮气收集过滤装C置用于收集所述的煤体的钻孔通道中的已经汽化成氮气的液氮，并对收集的氮气进行过滤后输送给所述的氮气冷却装置B；

所述的氮气冷却装置B用于将过滤后的氮气进行冷却，形成新的液氮并输送给所述的液氮输送装置A。

采用了该发明的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法和系统，控制液氮输入速度并向钻孔通道输送液氮，监测煤体的应力大小判定是否需要继续输送液氮，液氮在在钻孔网络中循环，使煤体中水变为冰，体积膨胀后致裂，实现预开采区域煤体整体的弱化，有利于降低煤体的冲击倾向性，利用液氮进行冷却降低煤体中的瓦斯浓度，有利于提高高瓦斯矿井的安全性；另外，通过回收重复使用液氮，节约成本，且系统结构简单，操作简便，费用较低，具有更广泛的应用范围。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）利用钻孔和弹性波CT方法得出预开采区域煤体的应力分布规律，并根据煤体的应力分布规律布置相应的钻孔通道，其中，所述的应力分布规律中的应力集中区域对应的钻孔通道之间的间距更小，所述钻孔通道之间首尾连接，形成钻孔网络；

（2）所述的钻孔网络最外边的两个钻孔通道分别为液氮输入口和液氮输出口；

（3）所述的液氮输入口用于速度可控地将液氮输入到所述的钻孔网络中，并由所述的液氮输出口输出汽化成氮气的液氮；

（4）监测所述的煤体的应力大小，并控制液氮输送装置A的速度和启停，若煤体的应力高于设定的最高值，则加长输送液氮的速度，等应力明显降低后，即减少输送的速度，在应力降低到设定的最小值，则停止输送液氮。

2.根据权利要求1所述的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法，其特征在于，所述的钻孔通道的孔径为110-150 mm，所述的应力分布规律中的非应力集中区域对应的钻孔通道之间的间距为15m，所述的应力分布规律中的应力集中区域对应的钻孔通道之间的间距为10m。

3.根据权利要求1或2所述的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的方法，其特征在于，由液氮输出口输出汽化成氮气的液氮，具体包括以下步骤：

（3.1）所述的液氮输出口收集在所述的钻孔网络中汽化成氮气的液氮；

（3.2）所述的液氮输出口过滤氮气中的瓦斯和煤粉，并将氮气再次冷却为液氮输送给液氮输入口。

4.一种利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的系统，其特征在于，所述的系统包括液氮输送装置和煤体应力监测装置，其中，

所述的液氮输送装置用于将液氮以可控速度输送至所述的煤体的钻孔通道中，其中，利用钻孔和弹性波CT方法得出的预开采区域煤体的应力分布规律布置相应的钻孔通道；所述的应力分布规律中的应力集中区域对应的钻孔通道之间的间距更小；所述钻孔通道之间首尾连接，且最外边的两个钻孔通道分别为液氮输入口和液氮输出口；

所述的煤体应力监测装置用于监测所述的煤体的应力大小，并根据所述的煤体的应力大小控制所述的液氮输送装置的速度和启停。

5.根据权利要求4所述的利用液氮弱化煤体实现冲击地压灾害防控的系统，其特征在于，所述的系统还包括氮气收集过滤装置和氮气冷却装置，其中，

所述的氮气收集过滤装置用于收集所述的煤体的钻孔通道中的已经汽化成氮气的液氮，并对收集的氮气进行过滤后输送给所述的氮气冷却装置，

所述的氮气冷却装置用于将过滤后的氮气进行冷却，形成新的液氮并输送给所述的液氮输送装置。

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