CN113338927A - 一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置及破碎煤岩体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于液氮‑冰粒复合压裂的装置及破碎煤岩体的方法，涉及煤矿安全开采技术领域。该装置包括液氮储罐、液氮增压泵、复合装置、高压水泵和储水罐，以及多个止回阀和多个闸阀；复合装置包括液氮注入口、注水口、雾化喷嘴、混砂管、液氮喷嘴、封孔器和压裂管，液氮储罐与液氮管路相连，液氮管路上设置有止回阀、闸阀和液氮增压泵，液氮增压泵和复合装置之间的液氮管路上也设置有止回阀，储水罐通过注水管路与止回阀、闸阀、高压水泵相连；封孔器设置在压裂管上，雾化喷嘴和液氮喷嘴均设置在混砂管的端部，压裂管和混砂管相连。该装置可以在巷道切顶区域施工，向钻孔注入高压液氮‑冰粒磨料的混合液体，利用冲击力使岩石产生主裂隙。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全开采技术领域，尤其是一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，以及利用该装置破碎煤岩体的方法。
背景技术
在采矿工程中，人工造缝破碎切顶技术是重造巷道围岩应力、改善上覆岩层结构的首选方法。人工造缝破碎切顶技术也是保障煤矿安全生产、提高煤炭采取率的重要措施，其中在坚硬顶板造成悬顶时实施人工破碎切顶，可以避免其突然断裂，造成瞬间能量释放，产生冲击地压，造成巷道失稳、设备损毁甚至影响工作人员安全。在沿空留巷无煤柱开采时实施人工造缝破碎切顶，不仅能提高煤炭资源的回收率，还可以缓解生产采掘接替紧张、减少巷道掘进工作量改善高瓦斯矿井工作面的通风问题。
现有技术中，最常用的人工造缝破碎切顶技术包括爆破切顶和压裂切顶。其中，爆破切顶方法存在钻孔工作量大、爆破工艺复杂、炸药审批困难、安全隐患高、不能平行作业耽误生产等缺点，相比之下，压裂破碎切顶的方法发展日趋成熟。压裂切顶是在封孔器中注入高压介质形成高压，驱动人工裂缝扩展延伸；根据切顶位置，不同注入孔形成的人工裂缝形成密集缝网带，切落因工作面推进后形成的悬顶，减小悬臂梁的长度，维护巷道围岩稳定。当前主要采用的压裂介质是清水或含化学添加剂的水，其缺点在于：(1)与石油行业压裂不同，巷道顶板压裂破碎切顶会造成工作面污染，对工作人员和设备环境造成影响；(2)巷道顶板内注入了大量的压裂液，造成巷道局部长期处于软岩状态，不利于巷道围岩稳定；(3)大型的水力压裂活动还会诱发微震活动，容易诱发地压，威胁着井下工作人员的安全；(4)如果采取水力压裂方式在煤矿中进行人工切顶，需要多个点注入高压水，使其贯通，在水资源方面造成大量浪费。
发明内容
为了在压裂切顶过程中减少注液压裂对工作面的影响，减小压裂对巷道围岩的影响，保证切顶施工安全，改善压裂效果，本发明提供了一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置及破碎煤岩体的方法，具体技术方案如下。
一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，包括液氮储罐、液氮增压泵、复合装置、高压水泵和储水罐，以及多个止回阀和多个闸阀；所述液氮储罐与液氮管路相连，液氮管路上设置有第一止回阀、第一闸阀和液氮增压泵，液氮增压泵和复合装置之间的液氮管路上设置有第二止回阀；所述储水罐通过注水管路依次与第三止回阀、第二闸阀、高压水泵、第四止回阀相连；所述复合装置包括液氮注入口、注水口、雾化喷嘴、混砂管、液氮喷嘴、封孔器和压裂管，所述封孔器设置在压裂管上，雾化喷嘴和液氮喷嘴均设置在混砂管的同一端，压裂管和混砂管相连，压裂管伸入钻孔中，通过压裂管向钻孔注入高压液氮-冰粒磨料的混合液体。
优选的是，液氮管路与复合装置的液氮注入口相连，注水管路和复合装置的注水口相连。
优选的是，液氮注入口和液氮喷嘴同轴布置，液氮喷嘴由混砂管端部同轴入射；所述注水口和雾化喷嘴同轴布置，雾化喷嘴沿混砂管侧向倾斜入射。
优选的是，封孔器固定在钻孔的孔口处，所述钻孔深度为10-15m，钻孔与竖直方向的夹角为0-30°。
还优选的是，液氮储罐中液氮的温度为-196℃；所述储水罐中水的温度为10-20℃。
还优选的是，液氮和冰粒的混合流体压力P大于顶板垂直地应力δ3。
一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，利用上述的一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，步骤包括：
S1.在巷道内向顶板施工钻孔，钻孔完成后将压裂管插入钻孔内，并利用封孔器封堵钻孔，固定压裂管；
S2.连接液氮管路和液氮储罐，连接注水管路和储水罐；
S3.打开第一止回阀、第一闸阀、液氮增压泵和第二止回阀，液氮增压泵将液氮管路中的液氮增压值60-70MPa，增压后的液氮注入复合装置；
S4.打开第四止回阀、第二闸阀、高压水泵和第三止回阀，高压水泵将注水管路中的水加压至60-70MPa，增压后的水注入复合装置；
S5.雾化喷嘴的雾化水滴和液氮喷嘴的液氮相遇后凝结为冰粒，液氮和冰粒在混砂管内混合均匀后，流经压裂管，进入钻孔内的通道压裂岩体；
S6.液氮和冰粒混合液体进入钻孔后冲击顶板岩体产生主裂隙，沿主裂隙扩散的微裂隙在液氮汽化过程中扩展联通，形成裂隙网络；
S7.钻孔压裂结束24小时后，进行下一钻孔的液氮-冰粒复合压裂施工。
进一步优选的是，在切顶施工过程中，所述钻孔穿过直接顶，达到基本顶，钻孔向采空区一侧倾斜。
进一步优选的是，止回阀和闸阀相互配合，分别控制液氮管路和注水管路中的流量。
本发明提供的一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置及破碎煤岩体的方法有益效果包括：
(1)利用液氮-冰粒磨料复合压裂进一步提升了压裂破碎岩体的效果，冰粒的加入使液氮具有更好的冲击效果，同时利用冰粒提高液氮冻胀力，改善致裂效果；冰粒通过复合装置的混砂管制作，雾化喷嘴喷出的雾化水滴自与液氮接触后形成冰粒。
(2)该装置使用液氮和水作为压裂介质，介质的制备、存储和运输简单，并且安全可靠；压裂结束后氮气挥发，冰粒融化为水，所以不会污染工作面的环境，并且还大大节省了水的用量；装置通过调节阀门来控制水的流量，从而控制液氮中冰粒的浓度，满足不同的施工条件的作业需求。
(3)该方法利用低温液氮对煤体的损伤作用和液氮气化时产生的体积膨胀效应促使煤岩体宏观裂隙和微观裂隙扩展联通，构成裂隙网，从而压裂煤岩体提高破碎程度。通过液氮-冰粒磨料复合压裂提高煤岩体破碎程度，有效的弱化了顶板，改变了回采巷道坚硬顶板的断裂位置，改善了巷道围岩应力状态，阻断侧向应力传递路径，降低巷道维护难度。
附图说明
图1是基于液氮-冰粒复合压裂的装置结构示意图；
图2是破碎煤岩体的方法的施工效果图；
图3是破碎煤岩体的方法的施工流程图；
图中：1-液氮储罐，2-第一止回阀，3-第一闸阀，4-液氮增压泵，5-第二止回阀，6-复合装置，7-第四止回阀，8-高压水泵，9-第二闸阀，10-第三止回阀，11-储水罐，12-液氮注入口，13-注水口，14-雾化喷嘴，15-混砂管，16-液氮喷嘴，17-封孔器，18-压裂管，19-主裂隙，20-微裂隙，21-裂缝网络，22-煤层，23-底板，24-直接顶，25-基本顶，26-采空区。
具体实施方式
结合图1至图3所示，对本发明提供的一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置及破碎煤岩体具体实施方式进行说明。
一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，包括液氮储罐1、液氮增压泵4、复合装置6、高压水泵8和储水罐11，以及多个止回阀和多个闸阀；该装置利用液氮-冰粒磨料复合压裂提高煤岩体破碎程度，其中液氮在常压下温度可低至-196℃，将液氮注入煤层顶板中形成压力梯度，由于液氮由液态到气态引起的膨胀效应、水气成冰的冻胀效应、低温引起的低温效应，相同条件下液氮压裂比水力压裂能形成更复杂的裂缝网络，再加上冰粒磨料冲击，在较低起裂压裂条件下顶板即可形成缝网，导致破碎。该装置利用的液氮是一种无色、无味、无腐蚀的惰性气体，可以避免作为压裂液对工作人员和现场的设备造成损害，还可以从根本上解决环境污染的问题。同时，少量冰粒磨料融浸顶板岩层还可降低顶板的强度，减小冲击地压的风险。
液氮储罐1与液氮管路相连，液氮管路为液氮运输的管道为真空绝热管，液氮管路上设置有第一止回阀2、第一闸阀3和液氮增压泵4，利用液氮增压泵可以调节液氮输送的压力和流量，液氮增压泵和复合装置之间的液氮管路上设置有第二止回阀5，液氮通过复合装置6的液氮注入口12进入。储水罐11通过注水管路依次与第三止回阀10、第二闸阀9、高压水泵8、第四止回阀7相连，高压水泵8调整供水的压力和流量，各个阀门进一步配合控制流量。复合装置6包括液氮注入口12、注水口13、雾化喷嘴14、混砂管15、液氮喷嘴16、封孔器17和压裂管18，复合装置6汇集水和液氮，并生成液氮-冰粒磨料，通过压裂管注入待压裂的顶板区域，封孔器17可以设置在压裂管18上，雾化喷嘴14和液氮喷嘴16均设置在混砂管15的同一端，该端的直径略大，从而使其充分混合均匀。压裂管18和混砂管15相连，压裂管18伸入钻孔中，通过压裂管18向钻孔注入高压液氮-冰粒磨料的混合液体。
液氮管路与复合装置的液氮注入口12相连，注水管路和复合装置的注水口13相连。液氮注入口12和液氮喷嘴16同轴布置，液氮喷嘴16由混砂管端部同轴入射。注水口13和雾化喷嘴16同轴布置，雾化喷嘴16沿混砂管侧向倾斜入射，倾斜入射的方向和液氮的流动同向，倾斜角为锐角，从而可以保证冰粒可以顺利的随液氮流动。雾化喷嘴16和液氮喷嘴16在混砂管15的同一端，该端直径较大，混砂管15的另一端直径较小，整体为变径管的结构。
封孔器17固定在钻孔的孔口处，起到封堵钻孔和固定复合装置6的作用，钻孔深度可以为10-15m，该长度施工条件最佳，根据实际的地质条件和开采要求还可以进行调整，钻孔与竖直方向的夹角为0-30°，从而方便切顶施工后悬顶掉落。
液氮储罐1中液氮的温度为-196℃，储水罐11中水的温度为10-20℃，该装置在实际施工中，上述温度能够保证施工安全和施工效率。
液氮和冰粒的混合流体压力P大于顶板垂直地应力δ3，冰粒磨料的加入可以使液氮的冲击效果更好。
该装置利用液氮-冰粒磨料复合压裂进一步提升了压裂破碎岩体的效果，冰粒的加入使液氮具有更好的冲击效果，同时利用冰粒提高液氮冻胀力，改善致裂效果；冰粒通过复合装置的混砂管制作，雾化喷嘴喷出的雾化水滴自与液氮接触后形成冰粒。该装置使用液氮和水作为压裂介质，介质的制备、存储和运输简单，并且安全可靠；压裂结束后氮气挥发，冰粒融化为水，所以不会污染工作面的环境，并且还大大节省了水的用量；装置通过调节阀门来控制水的流量，从而控制液氮中冰粒的浓度，满足不同的施工条件的作业需求。
另外，基于液氮-冰粒复合压裂的装置还具有成缝效果突出、操作简单、成本廉价、绿色环保的优点。
在选定的煤矿巷道切顶区域，利用打孔设备沿着巷道帮部间隔一定距离向顶板施工若干钻孔；利用高压液氮混合冰粒注入到钻孔内进行压裂，高压液氮-冰粒磨料的混合液体与顶板岩层接触时巨大的冲击力使岩石产生主裂隙，然后顶板孔隙中的水分冻结成冰后在液氮作用下体积膨胀进一步扩展了微裂隙，然后液氮汽化后的高压气体进入微裂隙，再对微裂隙继续进行压裂，从而形成了复杂的裂缝网络，使顶板悬顶破碎掉落，达到切顶卸压的目的。
一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，在选定的煤矿巷道内靠近帮部的地方沿顶板施工打钻孔，然后利用基于液氮-冰粒复合压裂的装置在顶板岩层内扩展原生裂隙并制造新的裂隙，从而提高煤岩体的破碎程度，减轻巷道维护压力，具体的施工步骤包括：
S1.在巷道内向顶板施工钻孔，钻孔完成后将压裂管插入钻孔内，并利用封孔器封堵钻孔，固定压裂管。在切顶施工过程中，钻孔穿过直接顶，达到基本顶，钻孔向采空区一侧倾斜。
钻孔可以在距巷道帮部0-0.5m，钻孔直径50-100mm，钻孔深度12m，钻孔角度30°。打孔后将压裂管插入钻孔内，按照现场条件利用封孔装置对钻孔进行高效封孔。
S2.连接液氮管路和液氮储罐，连接注水管路和储水罐。
在巷道内将液氮储罐、第一止回阀、第一闸阀、液氮增压泵、第二止回阀与复合装置的液氮注入口依次使用高压胶管连接，将储水罐、第三止回阀、第二闸阀、高压水泵、第四止回阀与复合装置的注水口依次使用高压胶管连接。
S3.打开第一止回阀、第一闸阀、液氮增压泵和第二止回阀，液氮增压泵将液氮管路中的液氮增压值60-70MPa，增压后的液氮注入复合装置，液氮温度为-196℃。
S4.打开第四止回阀、第二闸阀、高压水泵和第三止回阀，高压水泵将注水管路中的水加压至60-70MPa，增压后的水注入复合装置。止回阀和闸阀相互配合，分别控制液氮管路和注水管路中的流量。
S5.雾化喷嘴的雾化水滴和液氮喷嘴的液氮相遇后凝结为冰粒，液氮和冰粒在混砂管内混合均匀后，流经压裂管，进入钻孔内的通道压裂岩体。
加压后的液氮流体注入到复合装置内，经液氮喷嘴,遇到通过雾化喷嘴形成的雾化水滴，雾化水滴在遇到-196℃的液氮后迅速凝结成冰粒，液氮流体与冰粒在混砂管内充分混合经压裂管的出口喷射流出，形成液氮与冰粒的混合射流进入钻孔通道内对岩体进行压裂。
S6.液氮和冰粒混合液体进入钻孔后冲击顶板岩体产生主裂隙，沿主裂隙扩散的微裂隙在液氮汽化过程中扩展联通，形成裂隙网络。
具体的是，当液氮与冰粒的混合液体进入钻孔后，高压冲击致使顶板岩体破裂，产生主裂隙，由于冰粒的射入使裂隙表面岩体还有足够的水分，在液氮注入汽化过程中，含水的顶板岩体将产生极大地温差，使其微小空隙内水分子结冰体积膨胀，促使主裂隙周围发育出大量的微裂隙，液氮在注入后气化将产生体积膨胀，促使各个微裂隙扩展、联通，形成复杂的裂缝网络。
S7.钻孔压裂结束24小时后，进行下一钻孔的液氮-冰粒复合压裂施工。
另外，可以使用多个液氮-冰粒复合压裂的装置，分别在间隔距离较大的钻孔处施工，实现大范围的切顶卸压施工。
该方法利用低温液氮对煤体的损伤作用和液氮气化时产生的体积膨胀效应促使煤岩体宏观裂隙和微观裂隙扩展联通，构成裂隙网，从而压裂煤岩体提高破碎程度。通过液氮-冰粒磨料复合压裂提高煤岩体破碎程度，有效的弱化了顶板，改变了回采巷道坚硬顶板的断裂位置，改善了巷道围岩应力状态，阻断侧向应力传递路径，降低巷道维护难度。
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 (9)
1.一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，其特征在于，包括液氮储罐、液氮增压泵、复合装置、高压水泵和储水罐，以及多个止回阀和多个闸阀；所述液氮储罐与液氮管路相连，液氮管路上设置有第一止回阀、第一闸阀和液氮增压泵，液氮增压泵和复合装置之间的液氮管路上设置有第二止回阀；所述储水罐通过注水管路依次与第三止回阀、第二闸阀、高压水泵、第四止回阀相连；所述复合装置包括液氮注入口、注水口、雾化喷嘴、混砂管、液氮喷嘴、封孔器和压裂管，所述封孔器设置在压裂管上，雾化喷嘴和液氮喷嘴均设置在混砂管的同一端，压裂管和混砂管相连，压裂管伸入钻孔中，通过压裂管向钻孔注入高压液氮-冰粒磨料的混合液体。
2.根据权利要求1所述的一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，其特征在于，所述液氮管路与复合装置的液氮注入口相连，所述注水管路和复合装置的注水口相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，其特征在于，所述液氮注入口和液氮喷嘴同轴布置，液氮喷嘴由混砂管端部同轴入射；所述注水口和雾化喷嘴同轴布置，雾化喷嘴沿混砂管的侧向倾斜入射。
4.根据权利要求1所述的一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，其特征在于，所述封孔器固定在钻孔的孔口处，所述钻孔深度为10-15m，钻孔与竖直方向的夹角为0-30°。
5.根据权利要求1所述的一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，其特征在于，所述液氮储罐中液氮的温度为-196℃；所述储水罐中水的温度为10-20℃。
6.根据权利要求1所述的一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，其特征在于，所述液氮和冰粒的混合流体压力P大于顶板垂直地应力δ3。
7.一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，利用权利要求1至6任一项所述的一种基于液氮-冰粒复合压裂的装置，其特征在于，步骤包括：
S1.在巷道内向顶板施工钻孔，钻孔完成后将压裂管插入钻孔内，并利用封孔器封堵钻孔，固定压裂管；
S2.连接液氮管路和液氮储罐，连接注水管路和储水罐；
S3.打开第一止回阀、第一闸阀、液氮增压泵和第二止回阀，液氮增压泵将液氮管路中的液氮增压值60-70MPa，增压后的液氮注入复合装置；
S4.打开第四止回阀、第二闸阀、高压水泵和第三止回阀，高压水泵将注水管路中的水加压至60-70MPa，增压后的水注入复合装置；
S5.雾化喷嘴的雾化水滴和液氮喷嘴的液氮相遇后凝结为冰粒，液氮和冰粒在混砂管内混合均匀后，流经压裂管，进入钻孔内的通道压裂岩体；
S6.液氮和冰粒混合液体进入钻孔后冲击顶板岩体产生主裂隙，沿主裂隙扩散的微裂隙在液氮汽化过程中扩展联通，形成裂隙网络；
S7.钻孔压裂结束24小时后，进行下一钻孔的液氮-冰粒复合压裂施工。
8.根据权利要求7所述的一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，其特征在于，在切顶施工过程中，所述钻孔穿过直接顶，达到基本顶，钻孔向采空区一侧倾斜。
9.根据权利要求7所述的一种利用液氮-冰粒复合压裂装置破碎煤岩体的方法，其特征在于，所述止回阀和闸阀相互配合，分别控制液氮管路和注水管路中的流量。
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