一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置及实施方法

本发明涉及煤矿水害防治，具体涉及一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置及实施方法。

背景技术：

1、目前，随着矿井开采深度的不断提升，煤层开采层位以及上下岩层段为富水地层时，受开采扰动影响容易造成矿井涌水和突水事件。巷道和采掘工作面出现水害时，空气湿度增大，恶化了劳动条件，影响劳动生产率和职工身体健康；其次，矿井涌水对各种金属设备、支架、轨道等，均有腐蚀作用，会缩短其使用寿命；并且，由于矿井水的存在，生产过程中必须安设专门的管路、水泵等设备进行排水，增加了成本和工作量。当发生突然涌水或其水量超过排水能力时，轻则造成局部停产，重则可能造成淹井，使国家财产受到损失并危及井下作业人员的生命安全。针对如何快速有效封堵水害保证矿井安全生产，已经成为关键性的技术难题。

2、液氮冻结是一种在人工冻结岩土层领域已经比较成熟的技术。液氮温度极低为-196℃，冻结速度快，是常规氨-盐水循环冻结速度的10倍，并且冻结后岩土层温度更低、岩土层强度更高。根据上述背景，可将液氮快速冻结技术应用于煤矿水害防治领域，通过液氮快速冻结封堵富水煤岩层段，并通过注浆加固实现封堵，从而消除矿井水害风险。

3、为此，我们提出一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置及实施方法。

技术实现思路

1、本发明提出了一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置及实施方法，可有效解决矿井涌水和突水的问题。

2、本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

3、一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置，包括：液氮冻结系统和注浆加固系统；所述液氮冻结系统包括液氮罐、液氮传输管路、液氮注入泵以及液氮冻结管；所述注浆加固系统包括浆料罐、浆料传输管路、注浆泵、以及注浆管；

4、所述液氮罐通过所述液氮传输管路与所述液氮注入泵的输入端相连，所述液氮注入泵的输出端与所述液氮冻结管相连通；所述浆料罐通过所述浆料传输管路与所述注浆泵的输入端相连，所述注浆泵的输出端与所述注浆管相连通；在水害区域内开设有液氮冻结钻孔以及注浆加固钻孔，所述液氮冻结管插入所述液氮冻结钻孔内，所述注浆管插入所述注浆加固钻孔内。

5、优选的，所述液氮注入泵的输出端连接有液氮分配管，液氮注入泵的输出端通过所述液氮分配管与所述液氮冻结管相连通；所述注浆泵的输出端连接有注浆分配管，所述注浆泵的输出端通过所述注浆分配管与所述注浆管相连通。

6、优选的，所述液氮冻结管为花管，所述注浆管为花管。

7、优选的，所述液氮冻结管是由不锈钢制成的。

8、优选的，所述液氮传输管路外包裹有保温材料，所述保温材料是由聚氨酯制成的。

9、一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置的实施方法，采用如上装置，包括如下步骤：

10、步骤1、开孔，煤矿水害区域内均匀间隔布置液氮冻结钻孔和注浆加固钻孔；

11、步骤2、装管，液氮冻结管装填至液氮冻结钻孔内部，注浆管装填至注浆加固钻孔内部；

12、步骤3、液氮注入冻结，启动液氮注入泵，液氮通过液氮冻结管注入煤层底边岩层水害区域；

13、步骤4、注浆加固，启动注浆泵，加固浆液通过注浆管注入煤层底边岩层水害区域。

14、优选的，步骤1中还包括：液氮冻结钻孔和注浆加固钻孔的最低点均要超过富水岩层段。

15、优选的，步骤2中还包括：对注浆加固钻孔孔口处利用封口器进行封孔处理。

16、优选的，步骤4中还包括：加固浆液采用水泥、粉煤灰、及黄土混合形成的。

17、本发明其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

18、1、利用液氮气化吸热冻结涌水，快速安全无污染，且冻结后围岩的温度更低，岩土层强度更高，更加稳固，保证了生产的效率以及工作人员的生命安全。

19、2、使用液氮冻结后，再进行注浆加固，浆液在岩层裂隙内流动扩散、充填、固结，封闭涌水通道，截断水源补给，从源头进行封堵，从而消除矿井水害风险，使得开采变得更加安全可靠。

20、本发明采用的是将液氮冻结以及注浆加固相结合的处理方式，来进行封水抢险的，先液氮气化吸热快速冻结流动水，且经液氮冻结后的围岩温度底结构强度高，后经注浆加固后，封闭涌水通道，切断水源来路，对封水抢险提供更好的保障。

技术特征：

1.一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置，其特征在于，包括：液氮冻结系统和注浆加固系统；所述液氮冻结系统包括液氮罐、液氮传输管路、液氮注入泵以及液氮冻结管；所述注浆加固系统包括浆料罐、浆料传输管路、注浆泵、以及注浆管；

2.根据权利要求1所述的一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置，其特征在于，所述液氮注入泵的输出端连接有液氮分配管，液氮注入泵的输出端通过所述液氮分配管与所述液氮冻结管相连通；所述注浆泵的输出端连接有注浆分配管，所述注浆泵的输出端通过所述注浆分配管与所述注浆管相连通。

3.根据权利要求1所述的一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置，其特征在于，所述液氮冻结管为花管，所述注浆管为花管。

4.根据权利要求1所述的一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置，其特征在于，所述液氮冻结管是由不锈钢制成的。

5.根据权利要求1所述的一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置，其特征在于，所述液氮传输管路外包裹有保温材料，所述保温材料是由聚氨酯制成的。

6.一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置的实施方法，采用如上装置，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置的实施方法，其特征在于，步骤1中还包括：液氮冻结钻孔和注浆加固钻孔的最低点均要超过富水岩层段。

8.根据权利要求6所述的一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置的实施方法，其特征在于，步骤2中还包括：对注浆加固钻孔孔口处利用封孔器进行封孔处理。

9.根据权利要求6所述的一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置的实施方法，其特征在于，步骤4中还包括：加固浆液采用水泥、粉煤灰、及黄土混合形成的。

技术总结
本发明公开了一种矿用液氮快速冻结封水抢险装置及实施方法，该装置包括液氮冻结系统和注浆加固系统；该实施方法包括开孔，针对煤矿水害区域，均匀间隔布置液氮冻结钻孔和注浆加固钻孔；装管，将液氮冻结管和注浆管装填至相应的钻孔内；液氮注入冻结，启动液氮注入泵，将液氮通过液氮冻结管注入煤层底边岩层水害区域；注浆加固，启动注浆泵，将加固浆液通过注浆管注入煤层底边岩层水害区域；本发明采用的是将液氮冻结以及注浆加固相结合的处理方式，来进行封水抢险的，先液氮气化吸热快速冻结流动水，且经液氮冻结后的围岩温度底结构强度高，后经注浆加固后，封闭涌水通道，切断水源来路，对封水抢险提供更好的保障。

技术研发人员：黄来胜,吴兵,李超,王晶鑫,孟昱
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13