基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法

摘要

本发明提供一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法，包括高压空气泵、制冷管道、制冷装置、制热管道、制热装置、进气套筒和出气套筒。高压空气泵安装于煤矿巷道内，通过三通管分别连接制冷管道和制热管道，用于向进气套筒泵送经降温或加热后的空气；进气套筒和出气套筒分布在目标层的两侧，高压空气经由制冷管道和/或制热管道，自进气套筒穿过目标层后由出气套筒处排出。该治理系统及方法能够使目标层的岩层在循环冷热冲击以及风化作用下发生碎裂，由大块破碎为小颗粒。破碎后的颗粒状岩层间隙缩小并在重力作用下堆积，形成新的防水层，增加了煤矿上覆岩层中的隔水层厚度，达到有效降低岩层透水性的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿安全生产领域，并具体涉及一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法。

背景技术

目前，在我国的能源结构中，煤炭依然占据着主要地位。随着煤炭行业的不断发展以及浅部煤层的开采枯竭，在对深部煤层进行开采作业的过程中，煤矿采区的水文地质条件更加复杂，煤矿安全作业问题日益突出，其中，顶板突水是矿井突水灾害中较为频发的一种。由于我国中东部和西部部分矿井，其上覆岩层中存在厚度较大的含水层，并且该含水层水量大、水压高、补给性好。而含水层下方，由于煤炭形成的地质条件，其以页岩层和石灰岩层为主，石灰岩层的覆岩裂隙多且大，网络展布特征明显，在煤层开采过程中上部含水层的水穿过覆岩裂隙到达开采工作面，使涌水量增大，极易造成矿井突水事故。

现阶段治理矿井顶板突水，普遍采用注浆工艺，即通过填充裂隙以达到阻断水流路径的目的，进而降低突水事故发生的概率。但由于地质构造复杂的煤矿内部裂隙发育密集且分布无规律性，依靠现有勘测技术无法实现对裂隙分布情况的全方位探查，造成部分浆液无法进入的例如封闭裂隙因外力形成的贯通裂隙；同时，通过注浆加固围岩，加强断层周围破碎带及煤层顶底板破坏带的力学性能，能够增加抗渗性能，但该方法较佳的应用场景是预防工作面开采时顶板无补给水源的前提，针对含水层补给水源不明且水量大的地质情况，通过注浆填充不能够获得较好的防治顶板突水的效果。

综上所述，传统防治水装置及方法对于解决地质构造复杂的煤矿防治水问题存在一定的缺陷和不足，所以，提供一种针对含水层水量大且补给水源不明的煤矿防治水方法，对降低工作面涌水量及提高采动效率具有重要的指导及实践意义。而煤矿开采区域中，页岩层和石灰岩层，由于其具备容易破碎或粉碎，以及含有较多的黏土矿物质，抗风化能力弱等特点，因此，本发明提供一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统及方法。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，其特征在于，包括高压空气泵、制冷管道、制冷装置、制热管道、制热装置、进气套筒和出气套筒，其中，所述高压空气泵安装于煤矿巷道内，用于泵送空气，所述高压空气泵的出气管通过三通管分别连接所述制冷管道和所述制热管道；所述制冷管道的两端分别连接所述高压空气泵和所述进气套筒，所述制冷管道的两端分别设有第一阀门和第二阀门；所述制冷装置用于对所述制冷管道内的空气进行制冷降温；所述制热管道的两端分别连接所述高压空气泵和所述进气套筒，所述制热管道的两端分别设有第三阀门和第四阀门；所述制热装置用于对所述制热管道内的空气进行加热升温；所述进气套筒和所述出气套筒为中空且两端密封的筒状结构，筒壁均开设有气孔；所述进气套筒一端面开设进气口，出气套筒一端面开设出气口；所述进气套筒位于运输巷道，所述出气套筒位于回风巷道，进气套筒和出气套筒对称安装于煤矿采区作业目标层的两侧；所述高压空气泵泵出的空气能够经由所述制冷管道和/或所述制热管道，自所述进气套筒穿过目标层后由所述出气套筒处喷出。

进一步的，所述进气套筒和所述出气套筒内部均设有气体控制装置，所述气体控制装置能够控制所述进气套筒和所述出气套筒的气孔开闭。

进一步的，所述气体控制装置包括限位板、弹簧、气筒和电动推杆，所述限位板设有气体通道，安装于所述气筒下方，所述弹簧安装在所述限位板上，并与所述气筒连接；所述气筒顶端密闭，底端开设第二进气口，四周开设与所述气孔对应的调节孔；所述电动推杆设置在所述进气套筒和/或所述出气套筒的内部顶端面，其前端与所述气筒固定连接；所述气筒在所述电动推杆牵拉下伸长或回缩一定行程时，所述气孔能够闭合或开启。

进一步的，该系统还设有控制系统，所述控制系统包括计算机、PLC控制柜、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器，其中，所述第一温度传感器安装于所述制冷管道上，所述第二温度传感器安装于制热管道上，所述第三温度传感器安装于出气套筒处，所述压力传感器设置于进气套筒处；所述制冷管道的两端分别设有第一阀门和第二阀门，所述制热管道的两端分别设有第三阀门和第四阀门；所述制冷管道靠近所述进气套管处设有第一温度传感器，所述制热管道靠近所述进气管道处设有第二温度传感器，所述出气套管处设有第三温度传感器，所述进气套管处设有压力传感器；所述所述高压空气泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、压力传感器和所述电动推杆通过信号传输线与PLC控制柜连接，用于向PLC控制柜传输信息，并执行PLC控制柜的作业指令；所述PLC控制柜通过信号传输线与所述计算机连接，用于接收和传输所述计算机的作业指令。

进一步的，所述制冷装置包括液氮储存罐、液氮泵、制冷套筒和液氮回收罐，其中，所述制冷套筒为环状管，制冷管道沿轴线穿过制冷套筒；所述制冷套筒的两端分别设有进液孔和出液孔，所述进液孔通过所述液氮泵连接所述液氮储存罐；所述出液孔通过软管连接所述液氮回收罐；所述液氮泵启动后，将液氮从所述液氮储存罐泵出，液氮充满所述制冷套筒后自出所述液孔流向所述液氮回收罐。

进一步的，所述制热装置为电磁感应加热器，所述电磁感应加热器设有多组感应线圈，能够逐级对所述制热管道进行局部加热。

进一步的，所述制冷管道和制热管道采用铸铁材质制作，所述制冷管道和制热管道设有隔热包裹层。

进一步的，该系统还设有余气水槽，所述出气套筒的出气口通过软管连接至所述余气水槽的底部。

一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理方法，包括以下步骤：

S1，根据空气扩散半径R，确定超前治理区域的面积N，

通过下述公式(1),计算空气在采掘作业区域的目标层内的扩散系数D，

式中，

D—在介质A、B条件下的扩散系数，m

α—修正系数，

v

T

M

ρ

P

通过下述公式(2)，计算由进气套管处喷出空气的有效扩散半径R：

式中，

R—空气有效扩散半径，m，

D—在介质A、B条件下的扩散系数，m

T

Φ—岩层孔隙率，

t—时间，s；

通过下述公式(3),计算采掘区域工作面的走向长度l，

l＝2nR                           (3)

式中，

l—工作面走向长度，m，

n—套筒数，个；

通过下述公式(4)，计算超前治理区域的面积N

N＝lb                           (4)

式中，

N—超前治理范围面积，m

b—工作面倾向长度，m，

l—工作面走向长度，m；

S2，在超前治理区域内，平行于目标层开设多个水力压裂钻孔，利用水力压裂法对目标层的岩块进行压裂预处理；

S3，在超前治理范围内，

沿区段运输巷走向的中部，由顶板垂直向上并间隔一定距离，钻取多个进气孔道，进气孔道的深度延伸至目标层一定距离处，

沿区段回风巷走向的中部，由顶板垂直向上并间隔一定距离，钻取多个出气孔道，出气孔道的深度延伸至目标层一定距离处，

进气孔道和出气孔道设置在目标层的两侧，并相隔一定距离；

S4，将进气套筒和出气套筒分别装入进气孔道和出气孔道，并进行固定；

S5，根据目标层的实际地质条件，通过下述公式(5)确定高压空气泵的最小泵出气压P

式中，

P

F—泵送空气压力，KN，

S—套筒端口面积，m

K—修正系数；

S6，使用第一温度传感器，调整制冷装置的制冷套筒的尺寸，使得流出制冷管道的空气温度小于-50℃，

使用第二温度传感器，调整制热装置的线圈数量、位置和作业功率，使得流出制热管道的空气温度大于300℃，

根据步骤S5中计算得出的最小泵出气压P

S7，使用PLC控制柜，通过下述步骤对目标层进行冷热冲击循环和风化处理：

S7-1，关闭第三阀门、第四阀门，将进气套筒和出气套筒的气孔闭合，开启高压空气泵；

S7-2，开启第一阀门和第二阀门，当压力传感器达到设定的阈值时，将进气套筒的气孔打开，冷空气自进气套筒的气孔向外喷出；

S7-3，第三温度传感器感应的空气温度到达低温阈值时，将出气套筒的气孔打开，空气自出气套筒的气孔向外喷出，并维持一定的作业时间；

S7-4，关闭第一阀门、第二阀门，将进气套筒和出气套筒的气孔闭合；

S7-5，开启第三阀门和第四阀门，当压力传感器达到设定的阈值时，将进气套筒的气孔打开，热空气自进气套筒的气孔向外喷出；

S7-6，第三温度传感器感应的空气温度到达高温阈值时，将出气套筒的气孔打开，空气自出气套筒的气孔向外喷出，并维持一定的作业时间；

S7-7，重复步骤S7-4，完成第一轮目标层冷热冲击；

S7-8，重复步骤S7-2至S7-7，完成第二轮冷热冲击；并按此顺序设置对目标层完成N次冷热冲击；

S7-9，关闭制冷装置和制热装置，开启本实施例中的所有阀门，以及将进气套筒和出气套筒的气孔打开，对目标层进行一定时间的风化处理；

S8，出气套筒的出气口通过软管连接至余气水槽的底部，由出气套筒的出气口排出的空气，经过余气水槽进行升温或者降温处理后，排入矿井的回风巷。

进一步的，所述进气孔道的间隔距离以及所述出气孔道的间隔距离，应根据低温条件下空气的扩散半径R为标准设置。

本发明的有益效果：

1.本发明提供的顶板突水治理系统及方法，使目标层的岩层在冷热冲击的循环作用下，以及在风化作用下发生碎裂，使大块的岩块破碎为小颗粒。破碎后的颗粒岩体在重力作用下堆积，岩块间的间隙缩小，形成新的防水层，增加了隔水层厚度，从而有效降低透水性。

2.本发明提供的顶板突水治理系统及方法，不会破坏煤炭采掘作业区域的原层间结构，不需要对目标岩层进行裂隙勘测，也不需要消耗注浆液等原材料，能够节省大量的人力和物力。

3.在作业实施过程中，通过超前治理，使采掘作业和防治处理同步进行，提高作业安全性的同时，也提升了采掘作业效率；并且作业过程中未引入能够污染地下水体的有害物质，对环境无污染，符合绿色发展理念。

附图说明

图1：本发明的施工区域垂直断面示意图；

图2：本发明的施工区域俯视示意图；

图3：本发明的目标层冷热冲击和风化处理前后效果示意图；

图4：本发明的进气制冷和制热装置结构示意图；

图5：本发明的进气套筒的结构示意图；

图6：本发明的出气套筒的结构示意图；

图7：本发明的一个实施例气体控制装置6的气筒的调节孔与进气套筒的气孔A完全开启时的结构示意图；

图8：本发明的的一个实施例气体控制装置6的气筒的调节孔与进气套筒的气孔A完全闭合时的结构示意图；

图9：图7或图8的横截面结构示意图；

图10：本发明的一个实施例，气体控制装置6设置有电动推杆时控制进气套筒的气孔A完全开启时的结构示意图；

图11：本发明的一个实施例，气体控制装置6设置有电动推杆时控制进气套筒的气孔A完全闭合时的结构示意图；

图12-图14为本发明的一个实施例，气体控制装置6设置有电机时控制进气套筒的气孔A从闭合合到开启的结构状态示意图。

符号说明

1-高压空气泵，2-制冷管道，3-制热管道，4-进气套筒，41-进气口，42-气孔A，5-出气套筒，51-出气口，52-气孔B，6-气体控制装置，61-限位板，62-弹簧，63-气筒，

64-调节孔，65-第二进气口，66-电动推杆，67-电机，7-第一阀门，8-第二阀门，9-液氮储存罐，10-液氮泵，11-制冷套筒，12-液氮回收罐，13-电磁感应加热器，14-第三阀门，15-第四阀门，16-液压支架。

具体实施方式

下面参照附图以实施例方式详细描述本发明。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

如附图1至附图6所示，一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理系统，包括高压空气泵1、制冷管道2、制冷装置、制热管道3、制热装置、进气套筒4和出气套筒5。

高压空气泵1安装于煤矿巷道内，用于泵送空气，通过改变其作业功率能够泵出不同气压的空气。高压空气泵1的出气管通过三通管分别连接制冷管道2和制热管道3。

制冷管道2的两端分别连接高压空气泵1和进气套筒4，用于将高压空气泵1泵出并经过其中的空气传输至进气套筒4。制冷管道2的两端，靠近高压空气泵1和进气套筒4处，分别设有第一阀门7和第二阀门8，用于控制空气在制冷管道2中的流通。

制冷装置包括液氮储存罐9、液氮泵10、制冷套筒11和液氮回收罐12。

制冷套筒11为环状管，制冷管道2沿轴线穿过制冷套筒11，即制冷套筒11包裹一段长度的制冷管道2，为获得较佳的制冷效果，制冷套筒11的内径略大于制冷管道2的外径。制冷套筒11的两端分别设有进液孔和出液孔，其中，进液孔通过液氮泵10连接液氮储存罐9，出液孔通过软管连接液氮回收罐12。液氮泵10启动后，将液氮从液氮储存罐9泵出，并维持一定的液氮流速；液氮充满制冷套筒11后自出液孔流向液氮回收罐12。液氮回收罐12设有出气孔，用于排出氮气。

制冷套筒11的筒径以及长度，可根据生产的实际需求进行调整。根据一个普遍的常识，制冷套筒11的长度设置越长，筒外径越大，筒的容积就越大，流经其内部的液氮体积亦会随之增加，对制冷管道2内部的空气降温效果亦会随之增强。

制热管道3的两端分别连接高压空气泵1和进气套筒4，用于将高压空气泵1泵出并经过其中的空气传输至进气套筒4。制热管道3的两端，靠近高压空气泵1和进气套筒4处，分别设有第三阀门14和第四阀门15，用于控制空气在制热管道3中的流通。

制热装置为电磁感应加热器13，通过沿制热管道3设置多组感应线圈，能够逐级对制热管道3进行局部加热，从而对通过制热管道3的空气进行加热。

为便于连接，制热管道3和制冷管道2通过三通管与进气套筒4连接。

为保证作业安全，

制冷管道2和制热管道3需间隔一定距离设置；

制冷装置和制热装置需间隔一定距离设置；

制冷管道2和制热管道3采用铸铁材质制作，进一步的，也可以采用其他具有较佳机械性能和机械强度的金属材质制作；

制冷管道2和制热管道3包裹隔热棉，进一步的，也可以采用其他具有保温效果的材质制作隔热包裹层。

如图5所示，进气套筒4为中空且两端密封的筒体，其底端面贯穿开设有进气口41，其靠近顶端的侧壁开设多个气孔A42。高压空气泵1泵出的空气，流经制冷管道2或者制热管道3，由所述进气口41进入进气套筒4，并由气孔A42向外喷出。

如图6所示，出气套筒5与出气套筒4相同，为中空且两端密封的筒体，其底端面贯穿开设有出气口51，其靠近顶端的侧壁开设多个气孔B52。高压空气由气孔A42喷出后，穿过目标层后，富集在出气套筒5所在的钻孔处，从气孔B52进入出气套筒5，并由出气口51流出。

如图7-9所示，为进一步控制空气在进气套筒4中的流通，在进气套筒4中设置气体控制装置6。

如图7-8所示，其中一个实施例中，气体控制装置6包括限位板61，弹簧62和气筒63。气筒63顶端密闭，四周开设与气孔A42对应的调节孔64，底端开设第二进气口65。限位板61至少设置一个，且安装在气筒63下方的限位板61设有气体通道。弹簧62安装在限位板61和气筒63之间和/或进气套筒4的端壁与气筒63之间上。当高压空气进入进气套筒4后，自第二进气口65涌入气筒63，气筒63在气压下沿进气套筒4内壁滑动，并使调节孔64与气孔A42产生错位，促使高压空气自气孔A42处涌出。在本实施例中，弹簧62的设置可以对气筒63的运行起到缓冲作用，并利用弹簧62的自动复位功能实现无高压气流的情形下，气筒63的自动复位。

如图9所示，为了使气筒63移动时更稳定，在另一个实施例中，所述的气筒63外周面以及进气套筒4的内壁对应设有导向结构，例如导向槽和与所述导向槽滑动配合安装的凸起。

如图10-11所示，为进一步控制空气在进气套筒4和出气套筒5中的流通，在进气套筒4和出气套筒5中均设置气体控制装置6，并对气体控制装置6进行改进，在本实施例中，具体为气体控制装置6还包括电动推杆66。电动推杆设置在进气套筒4和出气套筒5的内部顶端面，其前端与气筒63固定连接。电动推杆66通过控制内置的驱动电机进行作业，完成设定行程的伸长和收缩作业。在气体控制装置6中设置电动推杆66，能够进一步准确的控制气筒63的运行行程以及运行时间，避免空气压力作用下气筒63运行迟滞，以及其他运行障碍，有效控制空气的作业路径，同时弹簧62还能够起到缓冲作用。在本实施例中，根据实际使用情况，弹簧62可以省略。

气筒63可采用硅胶材质制作，能够耐受高温和低温环境。进一步的，当气筒63在电动推杆66牵拉下回缩设定行程时，气孔A42和气孔B52能够完全闭合；当气筒63在电动推杆66推动下伸缩设定行程时，气孔A42和气孔B52能够完全开启。由于本实施例中进气套筒4和出气套筒5的气体控制装置6相同，因而省略了出气套筒5与气体控制装置6的装配结构示意图。

如图12-14所示，本发明还提供了一个实施例，在本实施例中，将电动推杆66替换为电机67。利用电机67转动产生的扭距控制气筒63转动一定角度，实现气筒63上的调节孔64与气孔A42或气孔B52开启或闭合。在本实施例中，气筒63的外周和进气套筒4、出气套筒5的内壁对应设有导向结构，具体为相应的周向凹槽和凸起。由于本实施例中进气套筒4和出气套筒5的气体控制装置6相同，因而省略了出气套筒5与气体控制装置6的装配结构示意图。

本发明所述的顶板突水治理系统还设有控制系统，所述控制系统包括计算机、PLC控制柜、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和压力传感器。

其中，

第一温度传感器安装于制冷管道2，并靠近进气套筒4设置，用于测量进入进气套筒4的冷空气温度；

第二温度传感器安装于制热管道3，并靠近进气套筒4设置，用于测量进入进气套筒4的热空气温度；

第三温度传感器安装于出气套筒5处，用于测量进入出气套筒5的空气温度；

压力传感器设置于进气套筒4处，用于测量进气套筒4内部的气压。

高压空气泵1、第一阀门7、第二阀门8、第三阀门14、第四阀门15、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、压力传感器和电动推杆66通过信号传输线与PLC控制柜连接，用于向PLC控制柜传输信息，并执行PLC控制柜的作业指令；PLC控制柜通过信号传输线与计算机连接，用于接收和传输计算机的作业指令。

PLC控制柜通过下述逻辑顺序，对上文中所述的阀门、温度传感器和压力传感器以及电动推杆66进行控制，

S1，关闭第三阀门14、第四阀门15，通过电动推杆66驱动气筒63闭合气孔A42和气孔B52，开启高压空气泵1；

S2，开启第一阀门7和第二阀门8，当压力传感器达到设定的阈值时，电动推杆66驱动气筒63前进，冷空气自进气套筒4的气孔A42向外喷出；

S3，第三温度传感器感应的空气温度到达低温阈值时，电动推杆66驱动气筒63前进，空气自出气套筒5的气孔B52向外喷出，并维持一定的作业时间；作业时间应能够使目标层的岩石温度下降至接近设置的低温阈值温度，因此应≧8小时，作为具有功能性和经济性兼顾的方案，优选作业时间为12小时；现场作业时也可以根据作业时的环境温度、地温等综合进行考虑，可适当的延长或者缩短作业时间；

S4，关闭第一阀门7、第二阀门8，通过电动推杆66驱动气筒63闭合气孔A42和气孔B52；

S5，开启第三阀门14和第四阀门15，当压力传感器达到设定的阈值时，电动推杆66驱动气筒63前进，热空气自进气套筒4的气孔A42向外喷出；

S6，第三温度传感器感应的空气温度到达高温阈值时，电动推杆66驱动气筒63前进，空气自出气套筒5的气孔B52向外喷出，并维持一定的作业时间；作业时间应能够使目标层的岩石温度上升至接近设置的高温阈值温度，因此应≧8小时，作为具有功能性和经济性兼顾的方案，优选作业时间为12小时；现场作业时也可以根据作业时的环境温度、地温等综合进行考虑，可适当的延长或者缩短作业时间；

S7，重复步骤S4，完成第一轮目标层冷热冲击；

S8，重复步骤S2至S7，完成第二轮冷热冲击；并按此顺序设置对目标层完成N次冷热冲击；

S9，关闭制冷装置和制热装置，开启本实施例中的所有阀门，以及开启气孔A42和气孔B52，对目标层进行一定时间的风化处理。风化作业时间应≧10小时，作为具有功能性和经济性兼顾的方案，优选作业时间为15小时。

本实施例中，

作为优选的，本系统还设有余气水槽。出气套筒5的出气口通过软管连接至余气水槽的底部，由出气套筒5的出气口排出的空气，经过余气水槽进行升温或者降温处理后，排入矿井的回风巷。

根据上述顶板突水治理系统，本发明提供一种基于煤矿上覆岩层物化改性的顶板突水治理方法，包括以下步骤。

S1，根据空气扩散半径R，确定超前治理区域的面积N。

通过下述公式(1),计算空气在采掘作业区域的目标层内的扩散系数D，

式中，

D—在介质A、B条件下的扩散系数，m

α—修正系数；

v

T

M

ρ

P

通过下述公式(2)，计算由进气套管处喷出空气的有效扩散半径R：

式中，

R—空气有效扩散半径，m；

D—在介质A、B条件下的扩散系数，m

T

Φ—岩层孔隙率；

t—时间，s。

通过下述公式(3),计算采掘区域工作面的走向长度l，

l＝2nR                          (3)

式中，

l—工作面走向长度，m；

n—套筒数，个。

通过下述公式(4)，计算超前治理区域的面积N

N＝lb                          (4)

式中，

N—超前治理范围面积，m

b—工作面倾向长度，m；

l—工作面走向长度，m。

S2，在超前治理区域内，使用液压支架16对目标层区域进行加固，并平行于目标层开设多个水力压裂钻孔，利用水力压裂法对目标层的岩块进行压裂预处理。

S3，使用定向钻技术，在超前治理范围内，

沿区段运输巷走向的中部，由顶板垂直向上并间隔一定距离，钻取多个进气孔道，进气孔道的深度延伸至目标层一定距离处；

沿区段回风巷走向的中部，由顶板垂直向上并间隔一定距离，钻取多个出气孔道，出气孔道的深度延伸至目标层一定距离处；

进气孔道和出气孔道设置在目标层的两侧，并相隔一定距离。相隔距离的设置，应使得由进气孔道喷出的空气，能够充分流经目标层后自出气孔道处喷出。

S4，将进气套筒4和出气套筒5分别装入进气孔道和出气孔道，并进行固定。

S5，根据目标层的实际地质条件，通过下述公式(5)确定高压空气泵1的最小泵出气压P

式中，

P

F—泵送空气压力，KN；

S—套筒端口面积，m

K—修正系数。

S6，使用第一温度传感器，调整制冷装置的制冷套筒11的尺寸，使得流出制冷管道2的空气温度小于-50℃；

使用第二温度传感器，调整制热装置的线圈数量、位置和作业功率，使得流出制热管道3的空气温度大于300℃；

根据步骤S5中计算得出的最小泵出气压P

S7，使用PLC控制柜，通过下述步骤对目标层进行冷热冲击循环和风化处理。

S7-1，关闭第三阀门14、第四阀门15，通过电动推杆66驱动气筒63闭合气孔A42和气孔B52，开启高压空气泵1；

S7-2，开启第一阀门7和第二阀门8，当压力传感器达到设定的阈值时，电动推杆66驱动气筒63前进，冷空气自进气套筒4的气孔A42向外喷出；

S7-3，第三温度传感器感应的空气温度到达低温阈值时，电动推杆66驱动气筒63前进，空气自出气套筒5的气孔B52向外喷出，并维持一定的作业时间；

S7-4，关闭第一阀门7、第二阀门8，通过电动推杆66驱动气筒63闭合气孔A42和气孔B52；

S7-5，开启第三阀门14和第四阀门15，当压力传感器达到设定的阈值时，电动推杆66驱动气筒63前进，热空气自进气套筒4的气孔A42向外喷出；

S7-6，第三温度传感器感应的空气温度到达高温阈值时，电动推杆66驱动气筒63前进，空气自出气套筒5的气孔B52向外喷出，并维持一定的作业时间；

S7-7，重复步骤S7-4，完成第一轮目标层冷热冲击；

S7-8，重复步骤S7-2至S7-7，完成第二轮冷热冲击；并按此顺序设置对目标层完成N次冷热冲击；

S7-9，关闭制冷装置和制热装置，开启本实施例中的所有阀门，以及开启气孔A42和气孔B52，对目标层进行一定时间的风化处理。

S8，出气套筒5的出气口通过软管连接至余气水槽的底部，由出气套筒5的出气口排出的空气，经过余气水槽进行升温或者降温处理后，排入矿井的回风巷。

上述步骤中，

作为优选的，进气孔道的间隔距离，以及出气孔道的间隔距离，应根据低温条件下空气的扩散半径R为标准设置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。