一种水力割缝与热冷循环冲击联动石门揭煤的方法

本发明涉及一种石门揭煤的方法，具体是一种水力割缝与热冷循环冲击联动石门揭煤的方法，属于煤矿井下石门揭煤技术领域，尤其适用于高瓦斯、低透气性突出煤层的石门揭煤作业。

背景技术：

我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一。煤与瓦斯突出矿井中，岩巷揭突出煤层时，突出危险性最大，揭煤时间最长，是矿井安全生产的难点和采掘部署的瓶颈工程。由于突出的复杂性及其对矿山安全生产危害的严重性，世界各国对此都十分重视，中国、前苏联等国家针对不同地质条件的煤田、不同煤层、不同突出危险性的石门揭煤工作面，研究出水力冲孔、排放钻孔、预抽瓦斯、金属骨架、直眼深孔全断面爆破、直接采用震动爆破等石门揭煤防突技术措施，起到了一定的防突作用，但这些措施安全性有待提高且揭煤所需的施工期过长，严重影响矿井安全生产和采掘正常接替。主要是因为传统的石门揭煤技术前煤层裂隙扩展不充分，没有实现区域的裂隙网络化；而且，传统水力割缝石门揭煤技术实施后，煤层中的黏土矿物和有机质极易遇水膨胀，常导致水进入煤体后不易排出，堵塞瓦斯流动通道，产生抑制瓦斯解吸、扩散和渗透的作用，导致在石门揭煤前的煤层没有充分卸压增透，最终使得煤体的地应力和瓦斯压力高、瓦斯含量大、危险性高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种水力割缝与热冷循环冲击联动石门揭煤的方法，通过水力割缝与热冷循环冲击联动，能有效使需要揭煤煤层的增透范围大、增透效果好，瓦斯抽采浓度高，瓦斯抽采纯流量大，快速、有效的降低预揭煤层的瓦斯压力、瓦斯含量和地应力。

为了实现上述目的，本发明提供一种水力割缝与热冷循环冲击联动石门揭煤的方法，包括如下步骤：

①在揭煤工作面距离煤层的最小法向距离9m～10m的位置处，地质勘探设备以岩巷掘进机切割煤体产生的振动为震源，采用已知的地震波检测方法，在揭煤工作面距离煤层的最小法向距离不小于7m时，完成需要进行石门揭煤的煤层瓦斯赋存情况的探测，进而确定高瓦斯赋存区域的范围；

②从揭煤工作面向高瓦斯赋存区域的中心钻取割缝孔，然后通过水力割缝设备进行水力切割，在割缝孔内切割出数条等间距平行于割缝孔轴向的缝槽；

③以割缝孔为圆心、在半径为2.5～3.5m圆周上和半径为6～8m圆周上分别均匀钻取多个瓦斯抽采钻孔；采用高压注浆法对割缝孔和各个瓦斯抽采钻孔进行密封并分别设置一瓦斯抽采管；

④装配热冷循环冲击装置：其包括液氮罐、生石灰粉末输送装置、液氮脉动泵和三通阀，三通阀其中的一端口与处于割缝孔外部的瓦斯抽采管的一端连接，三通阀另外的两个端口分别与第二液氮输送管的一端和生石灰输送管的一端连接，第二液氮输送管的另一端与液氮脉动泵的出口连接，生石灰输送管的另一端与生石灰粉末输送装置的输出端连接，液氮罐通过第一液氮输送管与液氮脉动泵的进口连接，生石灰输送管上装有第一控制阀和第一逆止阀，第一液氮输送管上装有第二控制阀，第二液氮输送管上装有第二逆止阀；完成热冷循环冲击装置的装配；

⑤打开第一控制阀，并启动生石灰粉末输送装置，通过生石灰输送管和瓦斯抽采管向割缝孔内喷入生石灰粉，生石灰粉末与割缝孔内富含的水分发生放热反应，对煤体进行热冲击，加快瓦斯解吸，同时减少煤体的水分含量，生石灰粉末注入量为割缝孔体积的1/20～1/15，生石灰粉末注入完成后，依次关闭生石灰粉末输送装置和第一控制阀，静置1～2h；

⑥启动液氮脉动泵，并打开第二控制阀，液氮罐内的液氮经第一液氮输送管、液氮脉动泵、第二液氮输送管、第二逆止阀和瓦斯抽采管向割缝孔内脉动注入液氮，直至注满，静置2～3h，对煤体进行冷冲击，含水煤体冻结胀裂，同时液氮气化产生氮气，继续对煤体进行气体压裂，从而完成一次水力割缝后的热冷致裂煤体过程；

⑦重复步骤⑤～⑥的次数为3～6次，对割缝孔水力割缝后实施多次生石灰粉末的喷入和液氮冻结，形成的温差效应，从而对煤体完成多次急速降温致裂与冻融循环致裂过程；最后将割缝孔和各个瓦斯抽采钻孔联入瓦斯抽采管网，进行瓦斯抽采；

⑧当抽采出的瓦斯纯流量小于8m³/t时，停止瓦斯抽采，按照现有揭煤方法揭开煤层。

进一步，所述瓦斯抽采管由实管和花管组成，实管处于封孔段及钻孔外，花管为伸入钻孔内的管，在管的侧壁上设有径向的通孔。

进一步，所述半径为2.5～3.5m圆周上和半径为6～8m圆周上的瓦斯抽采钻孔均为8个。

进一步，所述第n+1次生石灰粉末的喷入量为第n次生石灰粉末喷入量的4/5～3/4。

进一步，所述缝槽的宽度为0.1～0.2m，缝槽的长度为0.9～1.2m。

与现有技术相比，本发明解决了现有高瓦斯低透气性突出煤层的石门揭煤作业存在的局限性，先采用地震波检测的方法，确定煤层瓦斯赋存情况，在高瓦斯赋存区域的中心钻取割缝孔，并进行水力割缝，由于水力割缝的针对性强、效果好；其能增加煤体的暴露面积，形成裂隙网络，提高割缝孔的卸压增透范围。接着向割缝孔内喷入生石灰粉，生石灰遇水发生放热反应，对煤体进行热冲击，能为瓦斯解吸提供热源，加快瓦斯的解吸速率，同时水分与生石灰粉反应会放热并产生水蒸气，从而降低水分含量，协同减弱水力割缝产生的水锁效应。在此基础上，脉动注入液氮进行冷冲击而冻结煤体，在水相变冻胀力作用下增加裂隙扩展和冻结范围；液氮注入后的静置过程，煤体在液氮气化膨胀力以及微孔液体流动渗透压共同作用下进一步增加裂隙扩展；多次生石灰粉和液氮循环注入，对煤体完成多次急速降温致裂与冻融循环致裂过程，大幅度提高煤体的透气性，同时消除了水锁效应，也提高了水力割缝的增透效果。因此本发明通过水力割缝与热冷循环冲击联动，能有效使需要揭煤煤层的增透范围大、增透效果好，瓦斯抽采浓度高，瓦斯抽采纯流量大，快速、有效的降低预揭煤层的瓦斯压力、瓦斯含量和地应力。本发明增透针对性强，程度低，安全性效果显著，满足煤矿井下石门揭煤的工作需要，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明装配后的结构示意图；

图2是图1的a-a向剖视图。

图中：1、岩层，2、煤层，3、巷道断面，4、瓦斯抽采钻孔，5、割缝孔，6、瓦斯抽采管，7、三通阀，8、第一逆止阀，9、第一控制阀，10、生石灰输送管，11、生石灰粉末输送装置，12、液氮罐，13、第一液氮输送管，14、第二控制阀，15、液氮脉动泵，16、第二逆止阀，17、第二液氮输送管。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种水力割缝与热冷循环冲击联动石门揭煤的方法，包括如下步骤：

①在揭煤工作面距离煤层2的最小法向距离9m～10m的位置处，地质勘探设备以岩巷掘进机切割煤体产生的振动为震源，采用已知的地震波检测方法，在揭煤工作面距离煤层2的最小法向距离不小于7m时，完成需要进行石门揭煤的煤层瓦斯赋存情况的探测，进而确定高瓦斯赋存区域的范围；

②从揭煤工作面向高瓦斯赋存区域的中心钻取割缝孔5，然后通过水力割缝设备进行水力切割，在割缝孔5内切割出数条等间距平行于割缝孔5轴向的缝槽；

③以割缝孔5为圆心、在半径为2.5～3.5m圆周上和半径为6～8m圆周上分别均匀钻取多个瓦斯抽采钻孔4；采用高压注浆法对割缝孔5和各个瓦斯抽采钻孔4进行密封并分别设置一瓦斯抽采管6；

④装配热冷循环冲击装置：其包括液氮罐12、生石灰粉末输送装置11、液氮脉动泵15和三通阀7，三通阀7其中的一端口与处于割缝孔5外部的瓦斯抽采管6的一端连接，三通阀7另外两个端口分别与第二液氮输送管17的一端和生石灰输送管10的一端连接，第二液氮输送管17的另一端与液氮脉动泵15的出口连接，生石灰输送管10的另一端与生石灰粉末输送装置11的输出端连接，液氮罐12通过第一液氮输送管13与液氮脉动泵15的进口连接，生石灰输送管10上装有第一控制阀9和第一逆止阀8，第一液氮输送管13上装有第二控制阀14，第二液氮输送管17上装有第二逆止阀16；完成热冷循环冲击装置的装配；

⑤打开第一控制阀9，并启动生石灰粉末输送装置11，通过生石灰输送管10和瓦斯抽采管6向割缝孔5内喷入生石灰粉，生石灰粉末与割缝孔5内富含的水分发生放热反应，对煤体进行热冲击，加快瓦斯解吸，同时减少煤体的水分含量，生石灰粉末注入量为割缝孔5体积的1/20～1/15，依次关闭生石灰粉末输送装置11和第一控制阀9，静置1～2h；

⑥启动液氮脉动泵15，并打开第二控制阀14，液氮罐12内的液氮经第一液氮输送管13、液氮脉动泵15、第二液氮输送管17、第二逆止阀16和瓦斯抽采管6向割缝孔5内脉动注入液氮，直至注满，静置2～3h，对煤体进行冷冲击，含水煤体冻结胀裂，同时液氮气化产生氮气，继续对煤体进行气体压裂，从而完成一次水力割缝后的热冷致裂煤体过程；

⑦重复步骤⑤～⑥的次数为3～6次，对割缝孔水力割缝后实施多次生石灰粉末的喷入和液氮冻结，形成的温差效应，从而对煤体完成多次急速降温致裂与冻融循环致裂过程；最后将割缝孔5和各个瓦斯抽采钻孔4联入瓦斯抽采管网，进行瓦斯抽采；

⑧当抽采出的瓦斯纯流量小于8m³/t时，停止瓦斯抽采，按照现有揭煤方法揭开煤层。

上述液氮罐12、生石灰粉末输送装置11和液氮脉动泵15均为现有设备。

进一步，所述瓦斯抽采管6由实管和花管组成，实管处于封孔段及钻孔外，花管为伸入钻孔内的管，在管的侧壁上设有径向的通孔，为了便于生石灰粉末和液氮更充分的进入钻孔内的瓦斯抽采管中，本发明将伸入钻孔内的管选用花管。

进一步，所述半径为2.5～3.5m圆周上和半径为6～8m圆周上的瓦斯抽采钻孔4均为8个。

进一步，所述第n+1次生石灰粉末的喷入量为第n次生石灰粉末喷入量的4/5～3/4。

进一步，所述缝槽的宽度为0.1～0.2m，缝槽的长度为0.9～1.2m。