冻融循环增透促抽安全高效石门揭煤方法与流程

本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种冻融循环增透促抽安全高效石门揭煤方法。

背景技术：

煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，尤其是石门揭穿煤层时突出强度最大、最危险。石门揭煤工作面前方煤岩应力状态易发生突然变化，岩石、煤层的弹性潜能以及瓦斯能量大量释放而发生高强度突出。80%以上的特大型突出都发生在石门揭煤过程中，其突出的平均强度为其他各类巷道突出强度的6倍以上。由于石门揭煤施工工艺的特殊性，揭穿突出煤层全过程比较危险，并可能发生连续突出、延期突出和自行揭开突出，比一般类型突出防治难度更大。

目前，高瓦斯突出煤层石门揭煤方法主要从煤层卸压增透和煤体加固两个方面实施。在煤层卸压增透方面主要实施水力冲孔、松动爆破和水力割缝等措施，达到煤层充分卸压、减小地应力和瓦斯压力的作用；但与此同时，破坏了煤层完整性，降低了突出的阻力，对防突工作也有不利的一面。在煤体加固方面主要采取金属骨架、煤体注浆加固等措施，实现增加煤体强度、增大突出阻力的目的，从而减小瓦斯突出的危险性和突出强度；但煤体加固过程中，水泥砂浆只能在裂隙中渗透扩散，由于煤层裂隙尺度非常小，水泥浆扩散范围有限，只能小范围的提高揭煤区域煤层强度，无法实现区域性加固，也无法有效降低瓦斯压力，石门揭煤区域煤层仍存在较高的地应力和瓦斯压力，其煤体突出危险性仍较高。因此，迫切需要提供一种安全高效石门揭煤方法，既能满足卸压增透、高效抽采煤层瓦斯、有效降低瓦斯压力，又能强化加固揭煤区煤体强度，实现石门揭煤工作面安全快速揭煤。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种冻融循环增透促抽安全高效石门揭煤方法，该方法具有原理科学、施工便捷、有效提高煤层瓦斯抽采效果、提高揭煤区域煤体强度，达到揭煤效率高、安全性高的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：冻融循环增透促抽安全高效石门揭煤方法，包括以下步骤，

（1）在巷道石门揭煤地点附近，测定煤层高压注水影响半径φ；

（2）在石门揭煤工作面距煤层最小法向距离5~7m处设置钻场，在钻场内施工钻孔至煤层顶板或底板；

（3）钻孔施工过程中，首先施工注水孔，然后在注水孔的两侧小于φ的范围内施工冻结孔，使注水孔和冻结孔交替布置，所施工的注水孔和冻结孔完全覆盖石门揭煤工作面区域，且注水孔和冻结孔的布置参数符合相关设计要求；

（4）使用常规封孔器对所有的注水孔进行封孔，使用专用封孔器对所有的冻结孔进行封孔；

（5）通过常规封孔器对注水孔进行注水，通过专用封孔器对冻结孔注入液氮使注水孔周围的煤体冻结，过一段时间后，再通过专用封孔器对冻结孔注入热氮气使注水孔周围冻结的煤体解冻融化，液氮气化；

（6）将常规封孔器连接瓦斯抽采系统，对注水孔内排出的瓦斯进行抽采，进一步降低煤层瓦斯压力；

（7）瓦斯抽采48小时后，重复步骤（5），直至石门揭煤工作面区域煤体消除突出危险性；

（8）拆卸抽采系统，通过常规封孔器向注水孔内注水，然后通过冻结孔向煤层中注入液氮，当石门揭煤工作面周围煤体完全冻结后，采取远距离放炮等方法，进行石门揭煤工作，安全揭开石门。

专用封孔器包括中心管、注浆泵和注氮泵，中心管的外圆周同轴向固定设置有圆筒状的保温材料层，保温材料层外圆周同轴向固定设置有封孔胶囊，中心管的外端固定设有堵板，堵板与注氮泵的出口之间通过注氮管连接，注氮管的出口伸入到中心管内，注浆泵的出口与封孔胶囊的外端部通过注浆管连接，注浆管上设置有注浆阀，注氮管上设置有注氮阀。

封孔胶囊为圆筒形结构，封孔胶囊的外圆周表面沿中心管的轴向方向设置有螺旋密封条。

常规封孔器的内端部设置有温度传感器。

步骤（5）的具体工作步骤为，

a、利用高压泵通过常规封孔器向注水孔中注入高压水，注水过程中采用脉动方式注水，脉动方式注水为低压→高压→低压→高压循环模式的脉动方式，促使煤体生产裂隙，增加煤层透气性；待注水孔周围煤壁出现渗水现象、或邻近钻孔出水、或注水压力突然降低、或持续注水压力无明显变化时停止注水；停止注水半小时后，通过伸入到注水孔内的温度传感器测定注水孔内温度；

b、利用专用封孔器对冻结孔进行封孔，采用高压压注的方式，通过专用封孔器向冻结孔中注入液氮，对冻结孔周围煤体进行冷冻致裂，使冻结孔周围煤体变的疏松、透气，增加煤体透气性，利于后期瓦斯抽采工作；

c、通过温度传感器实时监测注水孔内的温度，当注水孔内温度低于0℃时，确定注水孔及冻结孔周围煤体已经冻结；

d、当注水孔周围煤体冻结后，停止生产并保持现状8小时以上，使冻结孔周围煤体及水体充分冻结；8小时后通过专用封孔器向冻结孔进行注热氮气，使冻结区域水体融化、液氮气化；气化的氮气及高温产生的水蒸汽驱使煤层瓦斯从注水孔及冻结孔周围的裂隙排出，降低煤层瓦斯压力，降低突出危险性。

专用封孔器的封孔过程为，将中心管、保温材料层和封孔胶囊一体插入到冻结孔内，将注浆管连接封孔胶囊，启动注浆泵，注浆泵将浆液注入到封孔胶囊内部，封孔胶囊膨胀，封孔胶囊外壁及螺旋密封条顶压于冻结孔壁，关闭注浆阀，从而将冻结孔封堵。

专用封孔器的注氮过程为，将注氮管连接堵板，将注氮泵的进口连接液氮源或热氮气源，启动注氮泵，液氮或热氮气通过注氮管进入到中心管，沿中心管的轴向方向向内进入到冻结孔内，在注入液氮源或热氮气源的过程中，保温材料层起到减少热传导的作用，提高热交换效率。

中心管内外两端的外圆同轴向固定设置有内限位盘和外限位盘，保温材料层的内外两端分别与内限位盘和外限位盘接触，内限位盘和外限位盘的直径大于保温材料层的直径且小于封孔胶囊膨胀后的直径。

内限位盘外圆周内侧与中心管的内端头外圆之间设置有内细外粗呈圆锥形的导向筒

采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

（1）通过煤体冻结-注热工艺（即冻融循环增透促抽工艺），有效增加煤层透气性，可大大提高煤层瓦斯抽采效果，降低煤层瓦斯压力，消除煤层突出危险性。

（2）通过对煤层内部高压注水，增加石门揭煤工作面区域煤体水分，提升煤体冻融循环增透促抽效果，有效增加煤体透气性，提高瓦斯抽采效果。

（3）石门揭煤工作面区域煤体消除突出危险性后，再进行煤体注水、冻结，使煤体由酥松的松散体变成了坚硬的煤-冰块体，大大提高了煤体强度，增加了瓦斯突出的阻力，确保安全揭煤。

（4）采用本发明可有效减少钻孔工程量，加速石门揭煤工作面揭煤进程，实现高效揭煤。

（5）内限位盘和外限位盘起到限定保温材料层、封孔胶囊轴向位置的作用，使中心管、限定保温材料层和封孔胶囊轴在封孔时保持轴向稳定性。

（6）内限位盘还为导向筒的外端部提供定位支撑作用；专用封孔器向钻孔内伸入时，导向筒起到导向的作用，避免局部塌孔阻挡专用封孔器的插入。

附图说明

图1是本发明在施工作业时钻孔布置平面图；

图2是本发明中专用封孔器的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的冻融循环增透促抽安全高效石门揭煤方法，包括以下步骤，

（1）在巷道1石门揭煤地点附近，测定煤层2高压注水影响半径φ；

（2）在石门揭煤工作面距煤层2最小法向距离5~7m处设置钻场3，在钻场3内施工钻孔至煤层2顶板或底板；

（3）钻孔施工过程中，首先施工注水孔4，然后在注水孔4的两侧小于φ的范围内施工冻结孔5，使注水孔4和冻结孔5交替布置，所施工的注水孔4和冻结孔5完全覆盖石门揭煤工作面区域，且注水孔4和冻结孔5的布置参数符合相关设计要求（此为现有常规技术）；

（4）使用常规封孔器（此为现有常规技术，具体结构不再赘述）对所有的注水孔4进行封孔，使用专用封孔器对所有的冻结孔5进行封孔；

（5）通过常规封孔器对注水孔4进行注水，通过专用封孔器对冻结孔5注入液氮使注水孔4周围的煤体冻结，过一段时间后，再通过专用封孔器对冻结孔5注入热氮气使注水孔4周围冻结的煤体解冻融化，液氮气化；

（6）将常规封孔器连接瓦斯抽采系统，对注水孔4内排出的瓦斯进行抽采，进一步降低煤层2瓦斯压力；

（7）瓦斯抽采48小时后，重复步骤（5），直至石门揭煤工作面6区域煤体消除突出危险性；

（8）拆卸抽采系统，通过常规封孔器向注水孔4内注水，然后通过冻结孔5向煤层2中注入液氮，当石门揭煤工作面6周围煤体完全冻结后，采取远距离放炮等方法，进行石门揭煤工作，安全揭开石门。

专用封孔器包括中心管7、注浆泵8和注氮泵9，中心管7的外圆周同轴向固定设置有圆筒状的保温材料层10，保温材料层10外圆周同轴向固定设置有封孔胶囊11，中心管7的外端固定设有堵板12，堵板12与注氮泵9的出口之间通过注氮管13连接，注氮管13的出口伸入到中心管7内，注浆泵8的出口与封孔胶囊11的外端部通过注浆管14连接，注浆管14上设置有注浆阀15，注氮管13上设置有注氮阀16。

封孔胶囊11为圆筒形结构，封孔胶囊11的外圆周表面沿中心管7的轴向方向设置有螺旋密封条17。

常规封孔器的内端部设置有温度传感器。

步骤（5）的具体工作步骤为：

a、利用高压泵通过常规封孔器向注水孔4中注入高压水，注水过程中采用脉动方式注水，脉动方式注水为低压→高压→低压→高压循环模式的脉动方式，促使煤体生产裂隙，增加煤层2透气性；待注水孔4周围煤壁出现渗水现象、或邻近钻孔出水、或注水压力突然降低、或持续注水压力无明显变化时停止注水；停止注水半小时后，通过伸入到注水孔4内的温度传感器测定注水孔4内温度；

b、利用专用封孔器对冻结孔5进行封孔，采用高压压注的方式，通过专用封孔器向冻结孔5中注入液氮，对冻结孔5周围煤体进行冷冻致裂，使冻结孔周围煤体变的疏松、透气，增加煤体透气性，利于后期瓦斯抽采工作；

c、通过温度传感器实时监测注水孔4内的温度，当注水孔4内温度低于0℃时，确定注水孔4及冻结孔5周围煤体已经冻结；

d、当注水孔4周围煤体冻结后，停止生产并保持现状8小时以上，使冻结孔5周围煤体及水体充分冻结；8小时后通过专用封孔器向冻结孔5进行注热氮气，使冻结区域水体融化、液氮气化；气化的氮气及高温产生的水蒸汽驱使煤层2瓦斯从注水孔4及冻结孔5周围的裂隙排出，降低煤层2瓦斯压力，降低突出危险性。

专用封孔器的封孔过程为，将中心管7、保温材料层10和封孔胶囊11一体插入到冻结孔5内，将注浆管14连接封孔胶囊11，启动注浆泵8，注浆泵8将浆液注入到封孔胶囊11内部，封孔胶囊11膨胀，封孔胶囊11外壁及螺旋密封条17顶压于冻结孔5壁，关闭注浆阀15，从而将冻结孔5封堵。

专用封孔器的注氮过程为，将注氮管13连接堵板12，将注氮泵9的进口连接液氮源或热氮气源，启动注氮泵9，液氮或热氮气通过注氮管13进入到中心管7，沿中心管7的轴向方向向内进入到冻结孔5内，在注入液氮源或热氮气源的过程中，保温材料层10起到减少热传导的作用，提高热交换效率。

中心管7内外两端的外圆同轴向固定设置有内限位盘18和外限位盘19，保温材料层10的内外两端分别与内限位盘18和外限位盘19接触，内限位盘18和外限位盘19的直径大于保温材料层10的直径且小于封孔胶囊11膨胀后的直径。

内限位盘18外圆周内侧与中心管7的内端头外圆之间设置有内细外粗呈圆锥形的导向筒20。

本发明注入的热氮气可以采用热蒸气替换。

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。