CN111535790A - 一种煤层静态膨胀致裂增透设备和方法 - Google Patents

一种煤层静态膨胀致裂增透设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤层静态膨胀致裂增透设备和方法，设备包括注浆车和注浆管路，注浆车上方设置注浆泵、膨胀剂料箱、酸解剂料箱，膨胀剂料箱的底部设置有膨胀剂出料口，酸解剂料箱的底部设置有酸解剂出料口，且膨胀剂出料口、酸解剂出料口分别与注浆泵的进液口相连接；注浆管路通过管线与注浆泵的出液口连接，注浆管路包括设置于煤层钻孔中的若干段相连接的旋接管。本发明的有益效果是，通过机械化操作，以煤层钻孔注入减阻膨胀剂后产生静态膨胀作用，促使煤层发生破裂产生裂隙，再通过分解剂进行化学分解，对煤层钻孔中的减阻膨胀剂残料进行清洗处理，确保钻孔和周边煤层裂隙孔道的连通性，具有经济成本低，安全系数高的优点。

Description

一种煤层静态膨胀致裂增透设备和方法
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，尤其涉及一种煤层静态膨胀致裂增透设备和方法。
背景技术
瓦斯灾害是制约我国煤矿安全生产的棘手问题。瓦斯抽采是通过在煤层中布置钻孔，抽采煤层瓦斯的技术，可以有效减少煤层瓦斯含量和工作面瓦斯涌出量。但大部分煤层天然透气性较差，直接抽采瓦斯，通常效果不理想。因此，煤层瓦斯抽采施工前，通常需要进行煤层增透施工。
增透，即采取人工技术方法增加煤层透气性。目前来看，煤矿传统的增透技术主要分为炸药爆破增透和水力压裂增透。这两种技术方法的应用，在一定程度上提升了煤层瓦斯抽采的效率，但均存在一定的局限性。炸药爆破增透是依靠钻孔炸药爆炸产生的冲击波在煤层中制造裂隙，但爆破过程中产生的局部高温，给井下带来巨大安全隐患。尤其在高瓦斯矿井，炸药爆破增透产生的高温，可能诱发瓦斯爆炸并造成不可估量的损失。而水力压裂增透，通常需要压裂泵等昂贵的技术装备，经济技术成本较高。
近年来，工程技术人员尝试采用静态膨胀剂来进行煤层钻孔增透，但是机械化水平低、施工效率低，并且膨胀致裂后的残料堵塞钻孔而难以清理，因此该技术无法得到大规模推广和应用。
基于此，开发一种解决现有煤层增透所存在的技术问题，实现安全、有效的煤层增透成为急需解决的一项技术问题。
发明内容
为解决煤层增透方法中炸药爆破增透安全性差、水力压裂增透经济成本高的技术问题，本发明公开了一种煤层静态膨胀致裂增透设备和方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种煤层静态膨胀致裂增透设备，包括注浆车和注浆管路，所述注浆车的底盘上方设置有注浆泵、盛放减阻膨胀剂的膨胀剂料箱、盛放酸解剂的酸解剂料箱，所述膨胀剂料箱的底部设置有膨胀剂出料口，酸解剂料箱的底部设置有酸解剂出料口，且膨胀剂出料口、酸解剂出料口分别通过管线与注浆泵的进液口相连接；所述注浆管路通过管线与注浆泵的出液口旋接连接，注浆管路包括设置于煤层钻孔中的若干段相连接的旋接管，每段旋接管的管壁上均开设有多个注浆孔。
作为本发明的进一步优选，两段所述旋接管之间均采用螺旋接头旋接的方式首尾相接。
作为本发明的进一步优选，所述膨胀剂料箱、酸解剂料箱均为圆柱形箱体结构，上方均配有顶盖，在膨胀剂料箱的出料口上安装一号出液阀，酸解剂料箱的出料口上安装二号出液阀。
作为本发明的进一步优选，所述注浆泵还与控制器相连接，控制注浆泵的开启和关闭。
本发明还公开了一种煤层静态膨胀致裂增透方法，采用上述设备，具体包括以下步骤：
(1)测定煤体强度，选定酸解胶囊规格；
(2)布设钻孔、连接管路；
(3)减阻膨胀剂注入钻孔；
(4)膨胀致裂煤层、酸解胶囊破裂；
(5)酸解剂注入钻孔清理残渣。
作为本发明的进一步优选，步骤(2)中，首先利用矿井钻机在需要增透的煤层中布设一定长度的钻孔，再将注浆车牵引至钻孔附近，向钻孔内推送若干段旋接管，直至进入钻孔内的首段旋接管抵达钻孔底部，最后将进入钻孔的最末段旋接管与管线旋接。
作为本发明的进一步优选，步骤(3)中，配制减阻膨胀剂，开启一号出液阀，保持二号出液阀关闭，通过控制器开启注浆泵将减阻膨胀剂快速输送至钻孔内的旋接管中，减阻膨胀剂透过旋接管进入注浆孔并逐渐充满钻孔，此时关闭注浆泵，采用矿用聚氨酯迅速进行钻孔封孔操作。
作为本发明的进一步优选，步骤(4)中，注入钻孔后，减阻膨胀剂中的氧化钙粉末与水发生水合反应生成氢氧化钙，体积膨胀，当膨胀造成的应力突破煤体抗拉强度时，煤层产生裂缝从而增加透气性；同时，也会导致酸解胶囊破裂并释放出酸解剂，酸解剂与氢氧化钙发生中和作用，使挤压紧实的膨胀剂结构产生松散和软化。
作为本发明的进一步优选，步骤(5)中，清理钻孔端口处的聚氨酯材料，保持钻孔外端开放，开启二号出液阀，保持一号出液阀关闭，预先配制在酸解料箱中的酸解剂，通过控制器开启注浆泵向钻孔内高压注入酸解剂，促使钻孔内部的减阻膨胀剂进一步软化，并在高压冲洗作用下，减阻膨胀剂的残渣会逐步从钻孔排出。
作为本发明的进一步优选，减阻膨胀剂的配制过程：先膨胀剂料箱加入适量清水，再加入质量分数15％的氧化钙粉末、质量分数2％的酸解胶囊和质量分数0.5％的聚丙烯酰胺粉末，快速搅拌均匀即可。
本发明的有益效果是，
1、静态膨胀致裂，增透过程中不会产生高温，安全系数高；
2、采用的减阻膨胀剂和酸解剂成本低廉，节省生产成本；
3、减阻膨胀剂中含有聚丙烯酰胺成分，一方面可以提升浆液粘度，防止出现浆液过稀而不易充填仰角钻孔的现象，另一方面还可以减小浆液在管路、钻孔中流动存在的摩擦阻力，可以有效提升注浆效率；
4、通过酸解胶囊释放酸解剂以及向钻孔注入酸解剂的双重作用下，可有效通过化学反应软化和排出钻孔内的膨胀剂残料，防止残留物堵塞钻孔和煤体裂缝孔道。
综上，相比于传统炸药爆破增透技术，本发明通过机械化操作，以煤层钻孔注入减阻膨胀剂后产生静态膨胀作用，促使煤层发生破裂产生裂隙，再通过分解剂进行化学分解，对煤层钻孔中的减阻膨胀剂残料进行清洗处理，确保钻孔和周边煤层裂隙孔道的连通性，具有经济成本低，安全系数高，可广泛应用于煤矿行业，尤其适用于高瓦斯矿井的煤层增透工程。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：1、控制器；2、膨胀剂料箱；3、酸解剂料箱；4、注浆泵；5、底盘；6、一号出液阀；7、二号出液阀；8、管线；9、旋接管；10、注浆孔；11、煤层；12、钻孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，一种煤层静态膨胀致裂增透设备，包括注浆车和注浆管路，上述注浆车的底盘5上方设置有注浆泵4、盛放减阻膨胀剂的膨胀剂料箱2、盛放酸解剂的酸解剂料箱3，上述膨胀剂料箱2的底部设置有膨胀剂出料口，酸解剂料箱3的底部设置有酸解剂出料口，且膨胀剂出料口、酸解剂出料口分别通过管线8与注浆泵4的进液口相连接；上述注浆管路通过管线8与注浆泵4的出液口旋接连接，注浆管路包括设置于煤层11钻孔中的若干段相连接的旋接管9，每段旋接管9的管壁上均开设有多个注浆孔10。
特别的，两段上述旋接管9之间均采用螺旋接头旋接的方式首尾相接，旋接良好，旋接管9均选用耐高压金属钢材材质制成，且尺寸相同，旋接管9的长度规格为0.5m，1m，1.5m，2m等等。
特别的，上述膨胀剂料箱2、酸解剂料箱3均为圆柱形箱体结构，上方均配有顶盖，在膨胀剂料箱2的出料口上安装一号出液阀6，酸解剂料箱3的出料口上安装二号出液阀7，开启一号出液阀6可启动注浆泵4时将减阻膨胀剂向钻孔输送，开启二号出液阀7启动注浆泵4时可将酸解剂向钻孔输送。
特别的，上述注浆泵4还与控制器1相连接，控制注浆泵4的开启和关闭，用于将减阻膨胀剂、酸解剂高压输送。
上述注浆车的底盘5为矩形刚体结构，底部带有四个底轮，便于整体移动设备。
上述膨胀剂料箱2中的减阻膨胀剂是由氧化钙粉末、酸解胶囊、聚丙烯酰胺粉末、水按照一定比例混合而成。
上述酸解剂料箱3中的酸解剂为酸性化学试剂，减阻膨胀剂中的酸解胶囊也是酸解剂的一部分，酸解胶囊为微小球形，能够穿过旋接管9上的注浆孔10，在酸解胶囊内部含有酸解剂，外部囊衣由具有一定强度的化学材料制成，在一定外界压力下，囊衣会由于挤压作用造成胶囊破裂，并释放出酸解剂。通过设计不同厚度的囊衣，酸解胶囊可具有不同的抗压强度，并由此划分为不同的型号，即酸解胶囊的抗压强度为10MPa、15MPa、20MPa等等，根据实际工况选用不同型号的酸解胶囊规格。
实施例2
本发明还公开了一种煤层静态膨胀致裂增透方法，以某矿某号煤层工作面煤层增透为工程北京，并采用实施例公开的煤层静态膨胀致裂增透设备，具体包括以下步骤：
步骤一、测定煤体强度，选定酸解胶囊规格
在某工作面的现场采集多组煤样，并进行基础的力学拉伸试验，测得煤体的抗拉强度Kc等于10MPa，因此，选取的酸解胶囊规格为胶囊的抗压强度等于10MPa。
步骤二、布设钻孔、连接管路
首先利用矿井钻机在需要增透的煤层11中布设长度为35m长度的钻孔，再将注浆车牵引至钻孔附近，每段旋接管9长度为1m，需要向钻孔内推送35段旋接管9，直至进入钻孔内的首段旋接管9抵达钻孔底部，最后将进入钻孔的最末段旋接管9与管线8旋接，管线8与注浆泵4的出液口相连通。
步骤三、减阻膨胀剂注入钻孔
减阻膨胀剂的配制过程：减阻膨胀剂的配制过程：先膨胀剂料箱2加入适量清水，再加入质量分数15％的氧化钙粉末、质量分数2％的酸解胶囊和质量分数0.5％的聚丙烯酰胺粉末，快速搅拌均匀即可。
配制减阻膨胀剂之后，开启一号出液阀6，该过程中始终保持二号出液阀7关闭，通过控制器1开启注浆泵4，将减阻膨胀剂快速输送至钻孔内的旋接管9中，减阻膨胀剂透过旋接管9进入注浆孔10并逐渐充满钻孔，此时关闭注浆泵4，采用矿用聚氨酯迅速进行钻孔封孔操作。
步骤四、膨胀致裂煤层11、酸解胶囊破裂
注入钻孔后，减阻膨胀剂中的氧化钙粉末与水发生水合反应生成氢氧化钙，体积膨胀，当膨胀造成的应力突破煤体抗拉强度10MPa时，煤层11产生裂缝从而增加透气性；同时，内部膨胀应力突破10MPa也会导致酸解胶囊破裂并释放出酸解剂，酸解剂与氢氧化钙发生中和作用，使挤压紧实的膨胀剂结构产生松散和软化。
步骤五、酸解剂注入钻孔清理残渣
采用人工方式清理钻孔端口处的聚氨酯材料，保持钻孔外端开放，开启二号出液阀7，保持一号出液阀6关闭，预先配制在酸解料箱中的酸解剂，通过控制器1开启注浆泵4向钻孔内高压注入酸解剂，促使钻孔内部的减阻膨胀剂进一步软化，并在高压冲洗作用下，减阻膨胀剂的残渣会逐步从钻孔排出。
本发明通过煤矿现场采集煤样，测定煤体强度，进而选定酸解胶囊规格，再在增透施工的煤层11区域内布设钻孔，连接注浆管路，利用氧化钙粉末、酸解胶囊、聚丙烯酰胺粉末、水配制减阻膨胀剂，并操控注浆泵4向钻孔内充填。减阻膨胀剂的静态膨胀促使煤体发生破裂，在钻孔周边产生裂隙，增加煤层11透气性。通过酸解胶囊释放酸解剂以及向钻孔注入酸解剂的双重作用下，可有效通过化学反应软化和排出钻孔内的膨胀剂残料，防止残留物堵塞钻孔和煤体裂缝孔道，从而为后续的瓦斯抽采工作提供良好条件。
相比于传统的煤层11增透技术，本发明经济成本低，安全系数高，尤其适用于高瓦斯矿井的煤层11增透工程。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种煤层静态膨胀致裂增透设备，其特征在于，包括注浆车和注浆管路，所述注浆车的底盘上方设置有注浆泵、盛放减阻膨胀剂的膨胀剂料箱、盛放酸解剂的酸解剂料箱，所述膨胀剂料箱的底部设置有膨胀剂出料口，酸解剂料箱的底部设置有酸解剂出料口，且膨胀剂出料口、酸解剂出料口分别通过管线与注浆泵的进液口相连接；所述注浆管路通过管线与注浆泵的出液口旋接连接，注浆管路包括设置于煤层钻孔中的若干段相连接的旋接管，每段旋接管的管壁上均开设有多个注浆孔。
2.如权利要求1所述的一种煤层静态膨胀致裂增透设备，其特征在于，两段所述旋接管之间均采用螺旋接头旋接的方式首尾相接。
3.如权利要求1所述的一种煤层静态膨胀致裂增透设备，其特征在于，所述膨胀剂料箱、酸解剂料箱均为圆柱形箱体结构，上方均配有顶盖，在膨胀剂料箱的出料口上安装一号出液阀，酸解剂料箱的出料口上安装二号出液阀。
4.如权利要求1所述的一种煤层静态膨胀致裂增透设备，其特征在于，所述注浆泵还与控制器相连接，控制注浆泵的开启和关闭。
5.一种煤层静态膨胀致裂增透方法，采用如权利要求1-4任一所述的设备，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)测定煤体强度，选定酸解胶囊规格；
(2)布设钻孔、连接管路；
(3)减阻膨胀剂注入钻孔；
(4)膨胀致裂煤层、酸解胶囊破裂；
(5)酸解剂注入钻孔清理残渣。
6.如权利要求5所述的一种煤层静态膨胀致裂增透方法，其特征在于，步骤(2)中，首先利用矿井钻机在需要增透的煤层中布设一定长度的钻孔，再将注浆车牵引至钻孔附近，向钻孔内推送若干段旋接管，直至进入钻孔内的首段旋接管抵达钻孔底部，最后将进入钻孔的最末段旋接管与管线旋接。
7.如权利要求5所述的一种煤层静态膨胀致裂增透方法，其特征在于，步骤(3)中，配制减阻膨胀剂，开启一号出液阀，保持二号出液阀关闭，通过控制器开启注浆泵将减阻膨胀剂快速输送至钻孔内的旋接管中，减阻膨胀剂透过旋接管进入注浆孔并逐渐充满钻孔，此时关闭注浆泵，采用矿用聚氨酯迅速进行钻孔封孔操作。
8.如权利要求5所述的一种煤层静态膨胀致裂增透方法，其特征在于，步骤(4)中，注入钻孔后，减阻膨胀剂中的氧化钙粉末与水发生水合反应生成氢氧化钙，体积膨胀，当膨胀造成的应力突破煤体抗拉强度时，煤层产生裂缝从而增加透气性；同时，导致酸解胶囊破裂并释放出酸解剂，酸解剂与氢氧化钙发生中和作用，使挤压紧实的膨胀剂结构产生松散和软化。
9.如权利要求5所述的一种煤层静态膨胀致裂增透方法，其特征在于，步骤(5)中，清理钻孔端口处的聚氨酯材料，保持钻孔外端开放，开启二号出液阀，保持一号出液阀关闭，预先配制在酸解料箱中的酸解剂，通过控制器开启注浆泵向钻孔内高压注入酸解剂，促使钻孔内部的减阻膨胀剂进一步软化，并在高压冲洗作用下，减阻膨胀剂的残渣会逐步从钻孔排出。
10.如权利要求7所述的一种煤层静态膨胀致裂增透方法，其特征在于，减阻膨胀剂的配制过程：先膨胀剂料箱加入适量清水，再加入质量分数15％的氧化钙粉末、质量分数2％的酸解胶囊和质量分数0.5％的聚丙烯酰胺粉末，快速搅拌均匀即可。
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