二次利用顺层钻孔注液氮冷冻煤体快速消突装置与方法与流程

本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及二次利用顺层钻孔注液氮冷冻煤体快速消突装置与方法。

背景技术：

我国是世界上产煤大国，各类重工业、轻工业对煤炭的需求越来越多，同时我国也是煤矿瓦斯灾害尤为严重的国家，瓦斯灾害事故带来了巨大的财产损失和人身伤亡事故。

根据《防治煤与瓦斯突出规定》回采工作面每推进10-50m，就要采用工作面预测法进行不少于两次的区域性验证，其中任何一次验证为有突出危险时，该区域应改划为突出危险区域（该区域为区域性验证不达标的区域，其中考察指标有：瓦斯压力和瓦斯含量，当瓦斯含量≥或瓦斯压力≥时，均为验证不达标），因此采取停止推进，进行煤层瓦斯消突，出现区域性验证不达标现象的主要原因是：煤层瓦斯存在抽采空白带。目前针对区域性验证不达标所采取的消突措施有顺层钻孔瓦斯抽采和回采工作面超前排放钻孔、浅孔预抽、松动爆破等措施，但是顺层钻孔瓦斯抽采效果不好，因为在抽采所已影响到的区域，瓦斯压力梯度已经降到最小，在短时间内很难再抽出瓦斯；回采工作面超前排放钻孔、浅孔预抽、松动爆破等消突措施，这些措施加大了施工量、耗资量，超前排放钻孔和浅孔预抽需要较长的时间，松动爆破容易诱导突出。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种通过注液氮快速冷冻煤体、抑制煤体瓦斯解吸、降低瓦斯的放散速度和瓦斯的解吸量，以便实现快速消突、解决煤层瓦斯抽采中存在的抽采空白带、抽采时间长、工程量及耗资大的问题的二次利用顺层钻孔注液氮冷冻煤体快速消突装置与方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：二次利用顺层钻孔注液氮冷冻煤体快速消突装置，包括制液氮机、液氮存储罐、注液氮机、温度显示器以及沿区域性验证不达标的煤层内自左向右依次设置的第一顺层钻孔、第二顺层钻孔、第三顺层钻孔、第四顺层钻孔、第五顺层钻孔和第六顺层钻孔；

制液氮机、液氮存储罐和注液氮机底部均设有轮子，制液氮机、液氮存储罐和注液氮机均通过轮子滚动连接在巷道内的轨道上，液氮存储罐外设有一层保温层，液氮存储罐的顶部设有进液接头，液氮存储罐的左侧底部设有出液接头，制液氮机通过第一管道与液氮存储罐的进液接头连接，第一管道上设有第一阀门，进液接头上设有第二阀门，出液接头上设有第三阀门，出液接头通过第二管道与注液氮机的进液口连接，第二管道上设有第四阀门；

第一顺层钻孔、第二顺层钻孔、第三顺层钻孔、第四顺层钻孔、第五顺层钻孔和第六顺层钻孔内均设有瓦斯抽采管，第一顺层钻孔内的瓦斯抽采管通过第三管道连接有第一四通，第三管道上设有第五阀门，第一四通的第二接口通过第四管道与注液氮机的出液口连接，第四管道上设有第六阀门，第一四通的第三接口连接有第五管道，第五管道上设有第七阀门；第二顺层钻孔的孔底设有第一温度传感器；

第三顺层钻孔内的瓦斯抽采管通过第六管道连接有第二四通，第六管道上设有第八阀门，第二四通的第二接口连接有第七管道，第七管道上设有第九阀门，第二四通的第三接口通过第八管道与第一四通的第四接口连接；第四顺层钻孔的孔底设有第二温度传感器；

第五顺层钻孔内的瓦斯抽采管通过第九管道连接有第三四通，第九管道上设有第十阀门，第三四通的第二接口连接有第十管道，第十管道上设有第十一阀门，第三四通的第三接口通过第十一管道与第二四通的第四接口连接，第三四通的第四接口连接有第十二管道，第十二管道上设有第十二阀门；第六顺层钻孔的孔底设有第三温度传感器；

温度显示器通过数据信号线分别与第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器连接。

第一管道和进液接头之间通过第一变径转换接头密封连接，出液接头和第二管道之间通过第二变径转换接头密封连接。

二次利用顺层钻孔注液氮冷冻煤体快速消突装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）计算出注液氮时间t；

（2）在区域性验证不达标的区域连接好所有管道和阀门，并检测管道的密封性；

（3）进行注氮作业：关闭所有阀门后，打开第一阀门和第二阀门，然后启动制液氮机，用手触摸出液接头，当出液接头变凉时，依次打开第三阀门、第四阀门、第六阀门、第五阀门、第八阀门和第十阀门，启动注液氮机同时打开温度显示器，观察温度显示器上的示数；

（4）通过注液氮机向第一顺层钻孔、第三顺层钻孔和第五顺层钻孔注入液氮，注入时间为t后，关闭第六阀门、第五阀门、第八阀门、第十阀门和注液氮机，然后再关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和制液氮机；然后观察温度显示器上的示数，当温度显示器上显示第二顺层钻孔、第四顺层钻孔和第六顺层钻孔内的温度示数都降至0℃以下，卸下第一顺层钻孔内的瓦斯抽采管与第三管道的连接、第三顺层钻孔内的瓦斯抽采管与第六管道的连接以及第五顺层钻孔内的瓦斯抽采管与第九管道的连接，接着将第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器取出；当温度显示器上显示第二顺层钻孔、第四顺层钻孔和第六顺层钻孔内的温度示数中有一个温度位于0℃以上，待温度显示器上的示数变化缓慢停止后，依次打开第五阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门和第十一阀门，将顺层钻孔中的气态的氮气全部排出，待氮气全部排出后，再次关闭第五阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门和第十一阀门，然后重复步骤（3）-（4），直至温度显示器上的示数为0℃以下为止。

步骤（1）中计算注液氮时间t的方法为：注液氮机的注液氮速率V，第四管道的截面积S，顺层钻孔长度为L，顺层钻孔直径为d，计算出每个顺层钻孔的所需要的时间：，然后取其中最小值即为注液氮时间t。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明利用空气中含有71%的氮气资源制取液氮，通过已存在的顺层钻孔注液氮，二次利用顺层钻孔，利用液氮（-196℃）的低温特性快速冷冻煤体，营造低温（0℃以下）环境，抑制煤体瓦斯解吸，可以做到快速消突，进而安全高效开采，有效的解决了抽采空白带、抽采时间长、工程量大及耗资大的问题，并提高了采煤作业的效率；当巷道其它区域内也需要进行注液态氮消突时，将出液接头与第二管道拆开，小火车拉动罐沿着巷道内的轨道移动到什么位置，这样可以使用一个罐为多处进行注液态氮作业，节约成本，灵活性强。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是煤层以及顺层钻孔的俯视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的二次利用顺层钻孔注液氮冷冻煤体快速消突装置，包括制液氮机1、液氮存储罐2、注液氮机3、温度显示器4以及沿区域性验证不达标的煤层内5自左向右依次设置的第一顺层钻孔6、第二顺层钻孔7、第三顺层钻孔8、第四顺层钻孔9、第五顺层钻孔10和第六顺层钻孔11，

制液氮机1、液氮存储罐2和注液氮机3底部均设有轮子12，制液氮机1、液氮存储罐2和注液氮机3均通过轮子12滚动连接在巷道内的轨道上（为方便移动制液氮机1、液氮存储罐2和注液氮机3，可以通过巷道内的小火车拉动轨道上的这些装置），液氮存储罐2外设有一层保温层14，液氮存储罐2的顶部设有进液接头15，液氮存储罐2的左侧底部设有出液接头16，制液氮机1通过第一管道17与液氮存储罐2的进液接头15连接，第一管道17上设有第一阀门18，进液接头15上设有第二阀门19，出液接头16上设有第三阀门20，出液接头16通过第二管道21与注液氮机3的进液口连接，第二管道21上设有第四阀门22；

第一顺层钻孔6、第二顺层钻孔7、第三顺层钻孔8、第四顺层钻孔9、第五顺层钻孔10和第六顺层钻孔11内均设有瓦斯抽采管，第一顺层钻孔6内的瓦斯抽采管通过第三管道23连接有第一四通24，第三管道23上设有第五阀门25，第一四通24的第二接口通过第四管道26与注液氮机3的出液口连接，第四管道26上设有第六阀门27，第一四通24的第三接口连接有第五管道28，第五管道28上设有第七阀门29；第二顺层钻孔7的孔底设有第一温度传感器；

第三顺层钻孔8内的瓦斯抽采管通过第六管道30连接有第二四通31，第六管道30上设有第八阀门32，第二四通31的第二接口连接有第七管道33，第七管道33上设有第九阀门34，第二四通31的第三接口通过第八管道35与第一四通24的第四接口连接；第四顺层钻孔9的孔底设有第二温度传感器；

第五顺层钻孔10内的瓦斯抽采管通过第九管道36连接有第三四通37，第九管道36上设有第十阀门38，第三四通37的第二接口连接有第十管道39，第十管道39上设有第十一阀门40，第三四通37的第三接口通过第十一管道41与第二四通31的第四接口连接，第三四通37的第四接口连接有第十二管道42，第十二管道42上设有第十二阀门43；第六顺层钻孔11的孔底设有第三温度传感器；

温度显示器4通过数据信号线分别与第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器连接。

如图2所示，标号44为巷道，45为采空区，46为采煤工作面，47为顺层钻孔，箭头所示方向为采煤推进方向，本发明位于巷道内，对区域性验证不达标的煤层区域进行快速消突；

二次利用顺层钻孔注液氮冷冻煤体快速消突装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）计算出将液氮注入第一顺层钻孔6、第三顺层钻孔8和第五顺层钻孔10内所需的时间；注液氮机3的注液氮速率V，第四管道26的截面积S，钻孔长度为L，钻孔直径为d，计算出每个顺层钻孔的所需要的时间：，第一顺层钻孔6、第三顺层钻孔8和第五顺层钻孔10的直径d相同，长度L不同，所以分别计算出各个顺层钻孔需要注液氮时间，然后取其中最小值为注液氮时间t，因为每个顺层钻孔所需要的注液氮时间不同，如果取最大值，就会出现当最长的顺层钻孔注满液氮时，最短的顺层钻孔早已注满过量的液氮，过量的液氮可能会使管道崩裂，造成安全事故，所以取其中最小的时间作为注液氮时间t；

（2）关闭所有阀门后，打开第一阀门18和第二阀门19，然后启动制液氮机1，用手触摸出液接头16，当出液接头16变凉时，依次打开第三阀门20、第四阀门22、第六阀门27、第五阀门25、第八阀门32和第十阀门38，启动注液氮机3同时打开温度显示器4，观察温度显示器4上的示数；

（3）通过注液氮机3向第一顺层钻孔6、第三顺层钻孔8和第五顺层钻孔10注入液氮，注入时间为t后，关闭第六阀门27、第五阀门25、第八阀门32、第十阀门38和注液氮机3，然后再关闭第一阀门18、第二阀门19、第三阀门20、第四阀门22和制液氮机1；然后观察温度显示器4上的示数，当温度显示器4上显示第二顺层钻孔7、第四顺层钻孔9和第六顺层钻孔11内的温度示数都降至0℃以下，卸下第一顺层钻孔6内的瓦斯抽采管与第三管道23的连接、第三顺层钻孔8内的瓦斯抽采管与第六管道30的连接以及第五顺层钻孔10内的瓦斯抽采管与第九管道36的连接，接着将第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器取出；当温度显示器4上显示第二顺层钻孔7、第四顺层钻孔9和第六顺层钻孔11内的温度示数中有一个温度位于0℃以上，待温度显示器4上的示数变化缓慢停止后，依次打开第五阀门25、第七阀门29、第八阀门32、第九阀门34、第十阀门38和第十一阀门40，将顺层钻孔中的气态的氮气全部排出，待氮气全部排出后，再次关闭第五阀门25、第七阀门29、第八阀门32、第九阀门34、第十阀门38和第十一阀门40，然后重复步骤（1）-（3），直至温度显示器4上的示数为0℃以下为止。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。