本發(fā)明涉及一種堅(jiān)硬煤層頂板致裂裝置及方法，尤其是一種適用于硬度大、強(qiáng)度高且結(jié)構(gòu)致密的采空區(qū)堅(jiān)硬頂板致裂。

背景技術(shù)：

隨著工作面不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)遺留頂板長度及懸頂面積不斷加大，不僅容易造成瓦斯局部積聚，而且會受到上覆巖層及遠(yuǎn)地巖層的沖擊礦壓，很容易誘發(fā)頂板垮冒事故，因此需要對采空區(qū)頂板進(jìn)行預(yù)先致裂，使其有目的性地垮落下來并堆積在采空區(qū)內(nèi)，減少瓦斯積聚及頂板事故的發(fā)生。一般地，直接頂強(qiáng)度較低時(shí)依靠巖層自重進(jìn)行垮落，當(dāng)頂板巖層強(qiáng)度較大時(shí)，通常采用高壓水力壓裂或深孔爆破強(qiáng)制放頂?shù)确绞健?/p>

然而，傳統(tǒng)放頂方式存在著一定的缺陷性，例如，高壓水力壓裂需要能夠提供大流量高壓水的注水設(shè)備，通常這類設(shè)備體積龐大，很難在采空區(qū)進(jìn)行開展工作，另外，對鉆孔的密封性要求很高，很難保證鉆孔內(nèi)部高壓水的連續(xù)性，另外單純的高壓水力壓裂方法不能夠控制鉆孔裂隙的擴(kuò)展方向；深孔爆破則需要填充大量的烈性炸藥，容易在鉆孔內(nèi)部形成較強(qiáng)的沖擊波，對內(nèi)部巖層造成較大的應(yīng)力擾動(dòng)，存在誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的安全隱患，且僅對鉆孔周圍圍巖的破壞程度較大，不易實(shí)現(xiàn)定向致裂。此外，若堅(jiān)硬頂板采高比較大且頂板預(yù)致裂范圍內(nèi)無分層現(xiàn)象時(shí)，傳統(tǒng)強(qiáng)制放頂方式致裂方向可控性較差。因此，針對上述存在的問題，亟需一種新型安全的頂板致裂裝置及方法，不僅能夠高效率弱化堅(jiān)硬頂板巖層強(qiáng)度，而且能夠保證增加巖層破碎度，防治沖擊地壓的出現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種操作簡便、成本低、效果較好的堅(jiān)硬煤層頂板致裂裝置及方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的堅(jiān)硬煤層頂板致裂裝置，包括伸入致裂鉆孔內(nèi)的注水管，注水管上間隔設(shè)有多個(gè)定點(diǎn)致裂裝置，注水管的內(nèi)外兩側(cè)分別設(shè)有超耐壓封孔器，致裂鉆孔外部設(shè)有動(dòng)態(tài)脈動(dòng)壓裂裝置和溫度監(jiān)測裝置；

所述的動(dòng)態(tài)脈動(dòng)壓裂裝置包括電子壓力表、注水軟管、溢流閥、膠管、變頻器、脈動(dòng)注水泵和貯水箱，電子壓力表安設(shè)在注水管相連接的端口位置，注水軟管一端與注水管外露端相連，另一端通過溢流閥將膠管連接起來，膠管分別連通至貯水箱及脈動(dòng)注水泵，脈動(dòng)注水泵通過電纜與變頻器連接；

所述的溫度監(jiān)測裝置包括導(dǎo)線、信號集成器和溫度收集控制臺，導(dǎo)線的一端與致裂鉆孔內(nèi)熱電偶引出的導(dǎo)線相連，另一端與信號集成器相連，信號集成器與溫度收集控制臺相連。

所述的注水軟管上設(shè)有單向閥門。

所述的定點(diǎn)致裂裝置包括帶有縫槽的花管、將花管與注水管連為一體的管箍、花管的中間設(shè)裝有靜態(tài)破碎劑粉末的紗布袋，紗布袋的外側(cè)設(shè)有熱電偶的卡盤。

使用上述裝置的堅(jiān)硬煤層頂板致裂方法，包括如下步驟：

a.利用鉆機(jī)分別在堅(jiān)硬頂板內(nèi)施工致裂鉆孔和監(jiān)測鉆孔至設(shè)定深度；

b.向致裂鉆孔內(nèi)輸送定點(diǎn)致裂裝置，先將一端封閉的注水管穿過超耐壓封孔器，然后在注水管上間隔距離連通多個(gè)定點(diǎn)致裂裝置一并送入致裂鉆孔內(nèi)，分別將多個(gè)定點(diǎn)致裂裝置上的熱電偶用導(dǎo)線沿注水管引至鉆孔外，在距離致裂鉆孔3m位置處，利用超耐壓封孔器對致裂鉆孔進(jìn)行密封；

c.在致裂鉆孔的孔口設(shè)置動(dòng)態(tài)脈動(dòng)壓裂裝置和溫度監(jiān)測裝置，記錄定點(diǎn)致裂裝置中卡盤區(qū)域的孔壁溫度為T₀；

d.啟動(dòng)脈動(dòng)注水泵，調(diào)節(jié)變頻器將頻率為6Hz的壓力水經(jīng)溢流閥→注水軟管→單向閥門→注水管→定點(diǎn)致裂裝置，流動(dòng)到致裂裝置中裝有靜態(tài)破碎劑的紗布袋內(nèi)，在脈動(dòng)壓力水的往復(fù)沖擊作用下，水與紗布袋內(nèi)的靜態(tài)破碎劑充分混合成漿液，漿液滲流至卡盤與致裂鉆孔孔壁之間的區(qū)域；

e.利用溫度收集控制臺記錄漿液反應(yīng)放熱過程中卡盤區(qū)域的放熱孔壁溫度T，若T>T₀并持續(xù)上升時(shí)，關(guān)閉脈動(dòng)注水泵；

f.當(dāng)T持續(xù)降低并趨近于T₀時(shí)，啟動(dòng)脈動(dòng)注水泵，持續(xù)脈動(dòng)注水至電子壓力表的壓力值上升后，調(diào)節(jié)變頻器，注水頻率在6Hz～20Hz之間交替變化；繼續(xù)注水至電子壓力表數(shù)值出現(xiàn)大幅度降低，關(guān)閉變頻器，保持壓力進(jìn)行注水，當(dāng)監(jiān)測鉆孔流出帶有白色晶粒的水時(shí)，耦合致裂結(jié)束。

所述致裂鉆孔和監(jiān)測鉆孔相距5-10m。

所述致裂裝置中紗布袋內(nèi)的靜態(tài)破碎劑粉末中添加有不溶水的惰性白色砂粒，粒徑范圍為40～60目，耐壓強(qiáng)度為50～60MPa。

所述的卡盤內(nèi)選用的熱電偶型號為K型，靈敏度為0.5℃，溫度檢測范圍為10～150℃，可承受最大壓力為5MPa。

有益效果：由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明通過將穩(wěn)態(tài)致裂的裂隙高密度和脈動(dòng)水力壓裂的疲勞致裂等優(yōu)勢結(jié)合起來，進(jìn)而解決傳統(tǒng)強(qiáng)制放頂方式存在的系列難題。第一步依靠靜態(tài)破碎劑反應(yīng)，將傳統(tǒng)裂隙炸藥瞬間的爆裂時(shí)間拉長，使得巖層產(chǎn)生疲勞損傷，最大程度地減小異常應(yīng)力擾動(dòng)。同時(shí)依靠靜態(tài)破碎劑的強(qiáng)膨脹力擠壓作用，使鉆孔附近巖層有效地形成定點(diǎn)破碎區(qū)，大大減小了對周圍巖層的沖擊波影響。第二步將脈動(dòng)壓力水充滿定點(diǎn)破碎區(qū)的裂縫，按照一定頻率對巖層進(jìn)行交變疲勞加載，使頂板巖層內(nèi)部產(chǎn)生累積的疲勞性損傷，最終使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展形成斷裂面，有效解決了頂板巖層的定點(diǎn)分段弱化，增大頂板巖層斷裂可控性及破碎度。實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)致裂技術(shù)與脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)的耦合致裂，從而提高頂板破碎度，避免頂板大面積跨落引發(fā)颶風(fēng)事故。其結(jié)構(gòu)簡單，方法簡便，使用效果好，在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的實(shí)用性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的堅(jiān)硬煤層頂板致裂裝置及方法的實(shí)施例示意圖；

圖2是圖1中定點(diǎn)致裂裝置示意圖；

圖3是圖1中動(dòng)態(tài)脈動(dòng)壓裂裝置和溫度監(jiān)測裝置示意圖。

圖中：1-致裂鉆孔，2-監(jiān)測鉆孔，3-超耐壓封孔器，4-定點(diǎn)致裂裝置，4-1－管箍，4-2－卡盤，4-3－紗布袋，4-4－縫槽，4-5－花管，5-注水管，6-單向閥門，7-電子壓力表，8-注水軟管，9-溢流閥，10-膠管，11-變頻器，12-脈動(dòng)注水泵，13-貯水箱，14-導(dǎo)線，15-信號集成器，16-溫度收集控制臺，17-堅(jiān)硬頂板，A-動(dòng)態(tài)脈動(dòng)壓裂裝置，B-溫度監(jiān)測裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述：

如圖1所示，本發(fā)明的堅(jiān)硬煤層頂板致裂裝置，包括伸入致裂鉆孔1內(nèi)的注水管5，注水管5上間隔設(shè)有多個(gè)定點(diǎn)致裂裝置4，注水管5的內(nèi)外兩側(cè)分別設(shè)有超耐壓封孔器3，致裂鉆孔1外部設(shè)有動(dòng)態(tài)脈動(dòng)壓裂裝置A和溫度監(jiān)測裝置B；所述的定點(diǎn)致裂裝置4包括帶有縫槽4-4的花管4-5、將花管4-5與注水管5連為一體的管箍4-1、花管4-5的中間設(shè)裝有靜態(tài)破碎劑粉末的紗布袋4-3，紗布袋4-3的外側(cè)設(shè)有熱電偶的卡盤4-2。所述的動(dòng)態(tài)脈動(dòng)壓裂裝置A包括電子壓力表7、注水軟管8、溢流閥9、膠管10、變頻器11、脈動(dòng)注水泵12和貯水箱13，電子壓力表7安設(shè)在注水管5相連接的端口位置，所述的注水軟管8上設(shè)有單向閥門6；注水軟管8一端與注水管5外露端相連，另一端通過溢流閥9將膠管10連接起來，膠管10分別連通至貯水箱13及脈動(dòng)注水泵12，脈動(dòng)注水泵12通過電纜與變頻器11連接；所述的溫度監(jiān)測裝置B包括導(dǎo)線14、信號集成器15和溫度收集控制臺16，導(dǎo)線14的一端與致裂鉆孔1內(nèi)熱電偶引出的導(dǎo)線相連，另一端與信號集成器15相連，信號集成器15與溫度收集控制臺16相連。

本發(fā)明的堅(jiān)硬煤層頂板致裂方法，具體步驟如下：

a.利用鉆機(jī)分別在堅(jiān)硬頂板17內(nèi)施工致裂鉆孔1和監(jiān)測鉆孔2至設(shè)定深度；所述致裂鉆孔1和監(jiān)測鉆孔2相距5-10m；

b.向致裂鉆孔1內(nèi)輸送定點(diǎn)致裂裝置4，先將一端封閉的注水管5穿過超耐壓封孔器3，通過管箍4-1將特定節(jié)長的注水管連接起來，每隔一定距離固定定點(diǎn)致裂裝置4和附有熱電偶的卡盤4-2，使注水管5上間隔距離連通多個(gè)定點(diǎn)致裂裝置4一并送入致裂鉆孔1內(nèi)，分別將多個(gè)定點(diǎn)致裂裝置4上的熱電偶用導(dǎo)線14沿注水管5引至鉆孔外，在距離致裂鉆孔1的3m位置處，利用超耐壓封孔器3對致裂鉆孔1進(jìn)行密封；

c.之后，在致裂鉆孔1的孔口分別連接動(dòng)態(tài)脈動(dòng)壓裂裝置A和溫度監(jiān)測裝置B，動(dòng)態(tài)脈動(dòng)壓裂裝置A連接主要表現(xiàn)為：電子壓力表7安設(shè)在注水管5相連接的端口位置，注水軟管8一端與注水管5外露端相連，另一端通過溢流閥9將膠管10連接起來，膠管10分別連通至貯水箱13及脈動(dòng)注水泵12，脈動(dòng)注水泵12通過電纜與變頻器11連接；溫度監(jiān)測裝置B連接主要表現(xiàn)為：導(dǎo)線的一端與致裂鉆孔內(nèi)熱電偶引出的導(dǎo)線14相連，另一端與信號集成器15相連，信號集成器15與溫度收集控制臺16相連，記錄定點(diǎn)致裂裝置4中卡盤4-2區(qū)域的孔壁溫度為T₀；

d.啟動(dòng)脈動(dòng)注水泵12，調(diào)節(jié)變頻器11將頻率為6Hz的壓力水經(jīng)溢流閥9→注水軟管8→單向閥門6→注水管5→定點(diǎn)致裂裝置4，流動(dòng)到致裂裝置4中裝有靜態(tài)破碎劑的紗布袋4-3內(nèi)，在脈動(dòng)壓力水的往復(fù)沖擊作用下，水與紗布袋4-3內(nèi)的靜態(tài)破碎劑充分混合成漿液，漿液滲流至卡盤4-2與致裂鉆孔孔壁之間的區(qū)域；所述致裂裝置4中紗布袋4-3內(nèi)的靜態(tài)破碎劑粉末中添加有不溶水的惰性白色砂粒，粒徑范圍為40～60目，耐壓強(qiáng)度為50～60MPa；所述的卡盤4-2內(nèi)選用的熱電偶型號為K型，靈敏度為0.5℃，溫度檢測范圍為10～150℃，可承受最大壓力為5MPa；

e.利用溫度收集控制臺16記錄漿液反應(yīng)放熱過程中卡盤4-2區(qū)域的放熱孔壁溫度T，若T>T₀并持續(xù)上升時(shí)，關(guān)閉脈動(dòng)注水泵12；

f.當(dāng)T持續(xù)降低并趨近于T₀時(shí)，啟動(dòng)脈動(dòng)注水泵12，持續(xù)脈動(dòng)注水至電子壓力表7的壓力值上升后，調(diào)節(jié)變頻器11，注水頻率在6Hz～20Hz之間交替變化；持續(xù)注水至電子壓力表7數(shù)值出現(xiàn)大幅度降低，關(guān)閉變頻器11，保持壓力進(jìn)行注水，當(dāng)監(jiān)測鉆孔2流出帶有白色晶粒的水時(shí)，耦合致裂結(jié)束。