CN103758498A - 一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法，即在依照传统瓦斯抽采方法已布置了一系列瓦斯抽采孔的基础上，在目标煤层上方15-30米处的瓦斯治理巷道中，布置一套占用空间小、本质安全、能量可控的可控脉冲振动装置。对该可控脉冲振动装置实施脉冲冲击振动并作用于待开采目标煤层上方的顶板上，通过对待开采目标煤层上的顶板施加脉冲振动，从而使目标煤层的煤体受到相应的脉冲冲击，有利于煤体中原有的裂隙扩展并产生新的裂隙通道，使煤体中的瓦斯移动更加顺畅，同时煤体内大量的吸附瓦斯转变成游离瓦斯，加速了瓦斯从微孔隙解吸、扩散和流动，大大提高钻孔瓦斯抽采效率。经试验证明，采用本发明提供的方法，瓦斯抽采效率能提高约400%。

Description

一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法，尤其涉及的是一种针对待开采目标煤层，利用可控脉冲振动提高钻孔瓦斯抽采效率的方法及装置。

背景技术

在全国各地区不同程度地遭受到雾霾困扰、环境压力不断加大，国家对煤层气利用重视程度不断提高，同时煤矿企业在考虑自身生产安全需要的前提下，对煤层气的抽采与利用就显得尤为迫切与重要。煤与瓦斯是一种固-气二相介质，物质组成复杂，赋存条件千变万化，煤与瓦斯在自然条件下处于一种动态平衡状态。目前各地矿井对煤层气的抽采方式还是传统的简单方式：即在煤体中密集钻孔，通过负压抽采，这样需要消耗大量人力、物力去钻孔，成孔后由于煤体的透气性低，瓦斯抽采效果差、抽采效率低，往往耗时漫长，费时费力，还达不到抽采的要求。一般的工作面抽采需半年至一年，有的时间更长，严重影响了煤矿企业安全生产，制约了企业的经济效益与生产进度，因此急需一种安全有效的方法来提高抽采效率从而降低煤体瓦斯抽采成本。

目前，研究开发用于井下巷道中提高瓦斯抽采效率的技术方法还很少，投入实际应用的成果就更少，远远不能满足瓦斯抽采发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种利用可控脉冲振动提高钻孔瓦斯抽采效率的方法及装置，通过实施脉冲振动来增加目标煤层的渗透性、减少目标煤层中煤对瓦斯的吸附量从而提高瓦斯的抽采效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法，包括如下步骤：

a.在已有的目标煤层的上方，距离煤层法距约15-30米的岩层中开设的瓦斯治理巷道中，选取完整的目标煤层上方的顶板，在该位置点的瓦斯治理巷道中布置可控脉冲振动装置，可控脉冲振动装置包括绞车、钢丝绳、固定在瓦斯治理巷道顶部的定滑轮、锤体及能量传递装置，钢丝绳一端与绞车连接并由绞车控制其收放，钢丝绳另一端绕过定滑轮后连接锤体，锤体下方的顶板上挖有一个直径大于锤体的基坑，基坑底部中间设有一个能量传递装置，能量传递装置底端伸入顶板内、顶端伸出基坑底部，锤体落下时正好击打在能量传递装置的顶端上；

b.在可控脉冲振动装置的振动影响区域内，在基坑周围施工多个瓦斯抽采孔，并布置实施瓦斯抽采所需的抽采装置，然后开始实施瓦斯抽采，并采用钻孔多级流量计在线记录温度、压差及瓦斯流速的变化，采用管道高浓瓦斯传感器在线记录瓦斯浓度的变化；

c.对可控脉冲振动装置实施脉冲冲击振动，即利用绞车控制将可控脉冲振动装置的锤体提升到设定高度，先松离合，再松制动，使锤体自由落体击打基坑中的能量传递装置，基坑中的能量传递装置将振动所产生的能量传递到顶板下的目标煤层，利用矿井地震仪记录振动所产生的振动特征，利用钻孔多级流量计及管道高浓瓦斯传感器观测振动前后煤层中瓦斯抽采的流速及浓度变化情况；

d.调整可控脉冲振动装置的锤体质量及振动作用频率并实施脉冲冲击振动，分析不同锤体质量的振波、不同振动作用频率以及不同初速度的振动频谱特征、振幅等振动特征，同时观测钻孔多级流量计上抽采瓦斯的流速的变化特征以及管道高浓瓦斯传感器上抽采瓦斯的浓度的变化特征，对应不同的瓦斯抽采效率；

e.将上述采集的不同振动的振动特征的数据利用地震处理软件分析，并与钻孔多级流量计的流速变化以及管道高浓瓦斯传感器的浓度变化做好对应关系，总结出某一特定地点不同振动特征的振动对应瓦斯流速及浓度的值，瓦斯流速及浓度乘积最高的值即对应该地点的最优脉冲振动特征，从而利用该最优脉冲振动特征实施振动并进行瓦斯抽采。

作为上述方法的优选实施方式，所述能量传递装置为一根圆钢。

作为上述一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法的优选实施方式，所圆钢直径为120mm、长度为2.5m，所述圆钢顶端凸出基坑底部0.1-0.2m。

作为上述方法的优选实施方式，所述基坑直径1.2m、深度为1m。

作为上述方法的优选实施方式，所述锤体为组合式锤体，所述组合式锤体由至少两个单元锤体组合而成，所述组合式锤体总质量为1吨以上。

作为上述方法的优选实施方式，所述瓦斯抽采采用下向穿层钻孔瓦斯抽采技术实施抽采。

本发明还提供了上述一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法中所用到的装置，所述装置为可控脉冲振动装置，所述可控脉冲振动装置设置在在待开采的目标煤层上方的瓦斯治理巷道中，目标煤层与瓦斯治理巷道之间为顶板，所述可控脉冲振动装置包括绞车、钢丝绳、固定在瓦斯治理巷道顶部的定滑轮、锤体及能量传递装置，钢丝绳一端与绞车连接并由绞车控制其收放，钢丝绳另一端绕过定滑轮后连接锤体，锤体下方的顶板上挖有一个直径大于锤体的基坑，基坑底部中间设有一个能量传递装置，能量传递装置底端伸入顶板内、顶端伸出基坑底部，锤体落下时正好击打在能量传递装置的顶端上。

作为上述装置的优选实施方式，所述能量传递装置为一根圆钢，所述圆钢直径为120mm、长度为2.5m，所述圆钢顶端凸出基坑底部0.1-0.2m。

作为上述装置的优选实施方式，所述基坑直径1.2m、深度为1m。

作为上述装置的优选实施方式，所述锤体为组合式锤体，所述组合式锤体由至少两个单元锤体组合而成，所述组合式锤体总质量为1吨以上。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明提供了一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法及装置。在依照传统瓦斯抽采方法已布置了一系列瓦斯抽采孔的基础上，在目标煤层上方15-30米处的瓦斯治理巷道中，布置一套占用空间小、本质安全、能量可控的可控脉冲振动装置。对该可控脉冲振动装置实施脉冲冲击振动并作用于待开采目标煤层上方的顶板上，通过顶板对待开采目标煤层施加脉冲振动，从而使目标煤层的煤体受到相应的脉冲冲击，产生疏密相间的纵向振动，有利于煤体中原有的裂隙扩展并产生新的裂隙通道，使煤体中的瓦斯移动更加顺畅；同时，煤体中的瓦斯在外界脉冲振动的扰动作用下其赋存状态发生变化，原有的吸附瓦斯与游离瓦斯的动态平衡发生改变，大量的吸附瓦斯转变成游离瓦斯，致使煤体内的气压升高，从而加速了瓦斯从微孔隙解吸、扩散和流动，进一步加速瓦斯气体的抽采，大大提高钻孔瓦斯抽采效率。经试验证明，通过本发明提供的方法，钻孔瓦斯抽采效率能提高约400%。因此将该发明提供的方法的技术方案应用于煤矿行业的钻孔瓦斯抽采，能大大提高钻孔瓦斯抽采效率，极大的降低钻孔瓦斯抽采成本，且方法中用到的装置占用空间小、本质安全、操作简单方便、可行性高，可真正做到“变废为宝，变害为利”，值得大范围推广使用。

附图说明

图1是本发明的可控脉冲振动装置结构示意图。

图2为本发明的方法中所记录到的温度、压差、流速及浓度原始数据图。

图3为本发明的振动影响下流速及浓度变化曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

为验证本发明提供的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法的可靠性，本申请人实地到淮南矿业集团潘三矿现场依据本发明提供的方法做了试验，淮南矿业集团潘三矿是煤与瓦斯突出矿井。

本试验的方法步骤如下：

a.本试验选取的是潘三矿11-2煤层，11-2煤层是完整的待开采的目标煤层3，位于11-2目标煤层3上方的是顶板2，顶板2主要为砂质泥岩及粉砂质泥岩，纵波速度约为3100m/s，有利于振动能量的传递。参见图1，在目标煤层3上方，距离目标煤层3法距18米的岩层中开设的瓦斯治理巷道5中，选取完整的目标煤层3上方的顶板2，,在该位置点的瓦斯治理巷道5中布置本发明提供的可控脉冲振动装置，可控脉冲振动装置包括绞车1、钢丝绳7、固定在瓦斯治理巷道5顶部的定滑轮8、锤体6及能量传递装置4，钢丝绳7一端与绞车1连接并由绞车1控制其收放，钢丝绳7另一端绕过定滑轮8后连接锤体6，锤体6下方的顶板2上挖有一个直径大于锤体6的基坑，基坑底部中间设有一个能量传递装置4，能量传递装置4底端伸入顶板内、顶端伸出基坑底部，锤体6落下时正好击打在能量传递装置4的顶端上。本试验所选用的能量传递装置4为一根圆钢，圆钢直径为120mm、长度为2.5m，圆钢顶端凸出基坑底部0.1-0.2m；本试验施工的基坑直径为1.2m、深度为1m；为便于在井下运输及适应各种质量要求，锤体6优选为组合式锤体，组合式锤体由至少两个单元锤体组合而成，组合式锤体总质量为1吨以上。本试验所选用的锤体6质量为2.02吨。

b.在可控脉冲振动装置的振动影响区域内，在基坑周围施工多个瓦斯抽采孔，并布置实施瓦斯抽采所需的抽采装置，然后开始实施瓦斯抽采，并采用钻孔多级流量计在线记录温度、压差及瓦斯流速的变化，采用管道高浓瓦斯传感器在线记录瓦斯浓度的变化；本试验瓦斯抽采采用下向穿层钻孔瓦斯抽采技术实施抽采。

c.对可控脉冲振动装置实施脉冲冲击振动，即利用绞车1控制将可控脉冲振动装置的锤体6提升到设定高度，先松离合，再松制动，使锤体6自由落体击打基坑中的能量传递装置4，基坑中的能量传递装置4将振动所产生的能量传递到顶板下的目标煤层3，利用矿井地震仪记录振动所产生的振动特征。本试验实施振动的具体操作为：将锤体6提升至离基坑底部约为3m，然后使锤体6自由落体，对基坑内的圆钢实施脉冲冲击振动，连续实施了三次脉冲冲击振动，连续实施三次脉冲冲击振动的时间点分别为：第一次15：26，第二次15：35，第三次15：42，第一次与第二次之间间隔9分钟，第二次与第三次之间间隔7分钟。同时利用钻孔多级流量计及管道高浓瓦斯传感器观测记录振动前后煤层中瓦斯抽采的流速及浓度变化情况。

由图2可以看出，在数据监测时间内，数据质量良好，温度基本保持在29.5℃左右，压差维持在18.5KPa上下，而浓度和流速是变化的。为便于对浓度和流速进行直观观察，将图2中的浓度和流速数据在一张图上进行相应的处理，即得到浓度和流速的变化曲线图，图3为振动影响下流速及浓度变化曲线图。其中，图2和图3中流速单位均为10L/min。从图3可以看出，总体上随着每一次的脉冲冲击振动，都会导致浓度的上升与流速的升高。但浓度与流速的变化各有特点，浓度变化上：第一次脉冲冲击振动15：26时浓度上升很快，短时间内浓度值几乎提高了一倍；第二次脉冲冲击振动15：35及第三次15：42脉冲冲击振动均使浓度有不同程度的提高，但不如第一次脉冲冲击振动提高的效果显著；流速变化上：流速在以上三个脉冲冲击振动点都有明显的反应，在实施振动的短短的半小时内，流速的特征是总体趋势向上，流速从约70L/min升到了近140L/min，增加了近一倍。由图3可看出，抽采瓦斯的流速与浓度的峰值出现在时间点15：52前后，在时间点16：22前后两者均衰减到约为振动前的水平。考虑到瓦斯的纯流量是浓度与流速的乘积，所以，在可控脉冲冲击振动后，实际钻孔瓦斯抽采速度最高提高了近4倍，抽采效率最高提高了近400%。

d.若实施上述脉冲冲击振动所得到的的浓度与流速的提高不理想，可继续调整可控脉冲振动装置的锤体6质量及振动作用频率并实施脉冲冲击振动，分析不同锤体6质量的振波、不同振动作用频率以及不同初速度的振动频谱特征、振幅等振动特征，同时观测钻孔多级流量计上抽采瓦斯的流速的变化特征以及管道高浓瓦斯传感器上抽采瓦斯的浓度的变化特征，对应不同的瓦斯抽采效率；

e.将上述采集的不同振动的振动特征的数据利用地震处理软件分析，并与钻孔多级流量计的流速变化以及管道高浓瓦斯传感器的浓度变化做好对应关系，总结出某一特定地点不同振动特征的振动对应瓦斯流速及浓度的值，瓦斯流速及浓度乘积最高的值即对应该地点的最优脉冲振动特征，如本试验中时间点15:52前后出现了流速与浓度的峰值，因此该时间点15:52的振动特征即对应该地点的最优脉冲振动特征，从而利用该最优脉冲振动特征实施振动并进行瓦斯抽采，便可大大提高钻孔瓦斯抽采效率，降低钻孔瓦斯抽采成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.在已有的目标煤层的上方，距离煤层法距约15-30米的岩层中开设的瓦斯治理巷道中，选取完整的目标煤层上方的顶板，在该位置点的瓦斯治理巷道中布置可控脉冲振动装置，可控脉冲振动装置包括绞车、钢丝绳、固定在瓦斯治理巷道顶部的定滑轮、锤体及能量传递装置，钢丝绳一端与绞车连接并由绞车控制其收放，钢丝绳另一端绕过定滑轮后连接锤体，锤体下方的顶板上挖有一个直径大于锤体的基坑，基坑底部中间设有一个能量传递装置，能量传递装置底端伸入顶板内、顶端伸出基坑底部，锤体落下时正好击打在能量传递装置的顶端上；

b.在可控脉冲振动装置的振动影响区域内，在基坑周围施工多个瓦斯抽采孔，并布置实施瓦斯抽采所需的抽采装置，然后开始实施瓦斯抽采，并采用钻孔多级流量计在线记录温度、压差及瓦斯流速的变化，采用管道高浓瓦斯传感器在线记录瓦斯浓度的变化；

c.对可控脉冲振动装置实施脉冲冲击振动，即利用绞车控制将可控脉冲振动装置的锤体提升到设定高度，先松离合，再松制动，使锤体自由落体击打基坑中的能量传递装置，基坑中的能量传递装置将振动所产生的能量传递到顶板下的目标煤层，利用矿井地震仪记录振动所产生的振动特征，利用钻孔多级流量计及管道高浓瓦斯传感器观测振动前后煤层中瓦斯抽采的流速及浓度变化情况；

d.调整可控脉冲振动装置的锤体质量及振动作用频率并实施脉冲冲击振动，分析不同锤体质量的振波、不同振动作用频率以及不同初速度的振动频谱特征、振幅等振动特征，同时观测钻孔多级流量计上抽采瓦斯的流速的变化特征以及管道高浓瓦斯传感器上抽采瓦斯的浓度的变化特征，对应不同的瓦斯抽采效率；

e.将上述采集的不同振动的振动特征的数据利用地震处理软件分析，并与钻孔多级流量计的流速变化以及管道高浓瓦斯传感器的浓度变化做好对应关系，总结出某一特定地点不同振动特征的振动对应瓦斯流速及浓度的值，瓦斯流速及浓度乘积最高的值即对应该地点的最优脉冲振动特征，从而利用该最优脉冲振动特征实施振动并进行瓦斯抽采。

2.如权利要求1所述的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法，其特征在于，所述能量传递装置为一根圆钢。

3.如权利要求2所述的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法，其特征在于，所述圆钢直径为120mm、长度为2.5m，所述圆钢顶端凸出基坑底部0.1-0.2m。

4.如权利要求3所述的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法，其特征在于，所述基坑直径1.2m、深度为1m。

5.如权利要求1所述的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法，其特征在于，所述锤体为组合式锤体，所述组合式锤体由至少两个单元锤体组合而成，所述组合式锤体总质量为1吨以上。

6.如权利要求1所述的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的方法，其特征在于，所述瓦斯抽采采用下向穿层钻孔瓦斯抽采技术实施抽采。

7.如权利要求1至6任一所述的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的装置，其特征在于，所述装置为可控脉冲振动装置，所述可控脉冲振动装置设置在待开采的目标煤层上方的瓦斯治理巷道中，目标煤层与瓦斯治理巷道之间为顶板，所述可控脉冲振动装置包括绞车、钢丝绳、固定在瓦斯治理巷道顶部的定滑轮、锤体及能量传递装置，钢丝绳一端与绞车连接并由绞车控制其收放，钢丝绳另一端绕过定滑轮后连接锤体，锤体下方的顶板上挖有一个直径大于锤体的基坑，基坑底部中间设有一个能量传递装置，能量传递装置底端伸入顶板内、顶端伸出基坑底部，锤体落下时正好击打在能量传递装置的顶端上。

8.如权利要求7所述的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的装置，其特征在于，所述能量传递装置为一根圆钢，所述圆钢直径为120mm、长度为2.5m，所述圆钢顶端凸出基坑底部0.1-0.2m。

9.如权利要求8所述的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的装置，其特征在于，所述基坑直径1.2m、深度为1m。

10.如权利要求7所述的一种提高钻孔瓦斯抽采效率的装置，其特征在于，所述锤体为组合式锤体，所述组合式锤体由至少两个单元锤体组合而成，所述组合式锤体总质量为1吨以上。

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