CN103806934A - 一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统及方法，其包括预裂装置，所述预裂装置包括排气外壳，所述排气外壳上均匀布置有多个排气孔，所述排气外壳后部设置有爆破管，所述爆破管内设置有液态二氧化碳储液管道，所述液态二氧化碳储液管道进入所述排气区域的前端头处封堵有一切变盘，所述液态二氧化碳储液管道内设置有加热元件；所述液态二氧化碳储液管道后端设置有注液端头，所述注液端头上设置有注液口，所述注液口与所述液态二氧化碳储液管道相连通，所述注液端头上设置有用于通向外部的电极，所述电极与所述加热元件线路连接。可有效增大煤体裂隙密度和范围，改变煤体原生裂隙的状态，提高了抽放瓦斯的效率与安全性。

Description

一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿采掘工作面灾害防治领域，尤其涉及一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统及方法。

背景技术

在煤矿采掘过程中，瓦斯是最大的威胁之一，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出灾害制约我国煤矿行业安全生产，瓦斯抽放是解决这种威胁最有效的措施，钻孔抽放瓦斯作为我国对瓦斯的治理利用最主要的方法，能从根本上消除或降低工作面瓦斯的来源，同时抽放出来的瓦斯可以集约利用。我国煤层地质开采条件复杂，相对于国外的煤层，具有强度低、透气性差等特点。随着煤矿开采强度和深度的不断增加，高地应力条件下，使得煤层瓦斯抽放的难度更大。

传统的增透技术存在很多的缺点，如水力增透技术采用高压水泵注水虽然拓宽了适用范围，但水泵提供的压力有限，产生的微裂隙少，很难达到理想的效果；此外注水泵的压力越高，设备的运行、维护和管理成本越高。炸药爆破增透技术适应条件受限，操作工艺复杂，且安全系数低，不能排除哑炮的可能，爆破产生的热量，容易引燃引爆煤体中贮存的瓦斯，在高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井中是禁用的。密集交叉钻孔法工程量大，对煤体次生裂隙的发育影响小，增透效果差。

因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统及方法，能有效地对煤矿深部开采中的高应力低孔隙率煤层进行预裂增透，提高抽放瓦斯的效率与安全性。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统，其包括预裂装置，所述预裂装置包括排气外壳，其中，所述排气外壳上均匀布置有多个排气孔，形成排气区域，所述排气外壳后部设置有爆破管，所述爆破管内设置有液态二氧化碳储液管道，所述液态二氧化碳储液管道进入所述排气区域的前端头处封堵有一切变盘，所述液态二氧化碳储液管道内设置有加热元件；所述液态二氧化碳储液管道后端设置有注液端头，所述注液端头上设置有注液口，所述注液口与所述液态二氧化碳储液管道相连通，所述注液端头上设置有用于通向外部的电极，所述电极与所述加热元件线路连接；所述电极给所述加热元件通电，所述加热元件瞬间产生高温，所述液态二氧化碳储液管道内液态二氧化碳迅速吸热产生冲击波冲破所述切变盘，使二氧化碳自所述排气区域剧烈喷出。

所述的系统，其中，所述系统还包括分装装置，所述分装装置包括分装支架，所述分装支架上设置有高压灌装泵、液态二氧化碳钢瓶，所述预裂装置设置在所述分装支架上，所述预裂装置的注液口通过充灌软管分别与所述高压灌装泵、所述液态二氧化碳钢瓶相连通。

所述的系统，其中，所述预裂装置通过推送杆送入对应的预先开凿的增透钻孔内，所述预裂装置放入对应增透钻孔内后，通过封孔单元封堵对应增透钻孔。

一种使用所述系统进行抽放瓦斯的方法，其包括以下步骤：

确定预裂增透煤体的力学参数，然后确定液态二氧化碳装填量的参数与加热元件的参数，然后按照液态二氧化碳装填量的参数与加热元件的参数向预裂装置内填充液态二氧化碳与加热元件，通过推送杆将预裂装置送入对应的预先开凿的增透钻孔内，所述预裂装置放入对应增透钻孔内后，通过封孔单元封堵对应增透钻孔；电极给加热元件通电，所述加热元件瞬间产生高温，液态二氧化碳储液管道内液态二氧化碳迅速吸热产生冲击波冲破切变盘，使二氧化碳自所述排气区域剧烈喷出，将煤体沿天然裂缝切开。

本发明提供的一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统及方法，是一种相对缓慢的、膨胀的、扩散及有剪切效果的过程，可以使释放的二氧化碳气体沿煤体天然裂缝剪切开来，可有效增大煤体裂隙密度和范围，改变煤体原生裂隙的状态，增加煤体次生裂隙的发育，为煤层瓦斯抽放创造良好的条件，整个预裂增透过程中无火花外露，且二氧化碳自身具备阻燃特性，技术操作具有较高的安全性；此外，本发明有效释放煤体的弹性势能，降低工作面冲击地压危险性，且依靠高压二氧化碳气体的膨胀所产生的压力，将周边煤体中赋存的瓦斯置换驱替，通过抽放钻孔在瓦斯富集区域进行瓦斯抽放，减小工作面发生煤与瓦斯突出灾害的危险。尤其是液态二氧化碳分装工作仅需1～3分钟，起爆至结束仅需1秒以内，需要安全警戒距离短，无安全隐患，预裂装置1回收方便，可连续使用3000次以上，降低了增透成本。

附图说明

图1为本发明中预裂装置的结构示意图；

图2为本发明中分装装置的结构示意图；

图3为本发明中预裂装置的工作状态示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统及方法，如图1与图2所示的，其包括预裂装置1，所述预裂装置包括排气外壳2，其中，所述排气外壳2上均匀布置有多个排气孔3，形成排气区域，所述排气外壳2后部设置有爆破管4，所述爆破管4内设置有液态二氧化碳储液管道5，所述液态二氧化碳储液管道5进入所述排气区域的前端头处封堵有一切变盘6，所述液态二氧化碳储液管道5内设置有加热元件7；所述液态二氧化碳储液管道后端设置有注液端头8，所述注液端头8上设置有注液口9，所述注液口9与所述液态二氧化碳储液管道5相连通，所述注液端头8上设置有用于通向外部的电极10，所述电极10与所述加热元件7线路连接。如图3所示的，所述电极10给所述加热元件7通电，所述加热元件7瞬间产生高温，所述液态二氧化碳储液管道5内液态二氧化碳迅速吸热产生冲击波冲破所述切变盘6，使二氧化碳自所述排气区域剧烈喷出，对周边煤体产生巨大冲击力，使煤体沿天然裂缝剪切开来，增大了煤体裂隙密度和范围，实现了预裂增透效果。

在本发明的另一较佳实施例中，所述系统还包括分装装置，所述分装装置包括分装支架11，所述分装支架11上设置有高压灌装泵12、液态二氧化碳钢瓶13，所述预裂装置1设置在所述分装支架11上，所述预裂装置1的注液口9通过充灌软管14分别与所述高压灌装泵12、所述液态二氧化碳钢瓶13相连通，使液态二氧化碳分装工作仅需1～3分钟即可完成。

更进一步的，如图3所示的，所述预裂装置1通过推送杆15送入对应的预先开凿的增透钻孔16内，所述预裂装置1放入对应增透钻孔16内后，通过封孔单元17封堵对应增透钻孔16。

本发明还提供了一种使用所述系统进行抽放瓦斯的方法，其包括以下步骤：

确定预裂增透煤体的力学参数，然后确定液态二氧化碳装填量的参数与加热元件的参数，然后按照液态二氧化碳装填量的参数与加热元件的参数向预裂装置1内填充液态二氧化碳与加热元件，通过推送杆15将预裂装置1送入对应的预先开凿的增透钻孔16内，所述预裂装置1放入对应增透钻孔16内后，通过封孔单元17封堵对应增透钻孔16；电极10给加热元件7通电，所述加热元件7瞬间产生高温，液态二氧化碳储液管道5内液态二氧化碳迅速吸热产生冲击波冲破切变盘6，使二氧化碳自所述排气区域剧烈喷出，将煤体沿天然裂缝切开。

为了更进一步描述本发明，以下列举更详尽的实施例进行说明。

步骤1，确定预裂增透煤体的力学性质

在采掘工作面现场采集煤样，进行煤样工业性试验，确定煤体的物理力学参数。所要获得的煤体力学参数主要包括：煤体的抗压强度、抗拉强度、泊松比。

表1工作面煤体物理力学参数记录表

所测区域

煤体抗压强

煤体抗拉强

泊松比

	度	度
				某采煤工作面	13.2MPa	1.12MPa	0.33

步骤2，确定增透工艺参数

①液态二氧化碳的装填量

根据极限分析计算，结合现场实际情况，由公式(1)求解最小破煤压力值p_min：

$p_{\min }=k{\mathrm{\σ}}_t\ln \frac{W}{r_0}$      公式(1)

式中：σ_t——煤体抗压强度，MPa；

W——最小抵抗线；

r₀——钻孔半径；

p_min——破煤压力值，MPa；

k——为压力值修正系统数，k>1。

确定最小破煤压力值p_min为21MPa，即预裂装置1内部应达到的压强值

等于21MPa。

预裂装置1内部初始温度为常温(300K)，预裂装置1启动后，所述加热元件7瞬间爆发，放出热量，将液态二氧化碳汽化，按照气体相变规律，推算出所需充灌的液态二氧化碳质量为5.2kg。

②加热化学品装填量

根据公式(2)计算预裂装置1中加热元件装填的化学品的物质量n：

$n=\frac{m_{{\mathrm{co}}_2}{Q}_1}{Q_2}$      公式(2)

式中：

——液态二氧化碳的质量，kg；

Q₁——单位质量液态二氧化碳汽化需要吸收的热量；

Q₂——加热元件所用化学品的燃烧热。

步骤3，分装操作

分装装置的操作工序为：将装有液态二氧化碳的钢瓶13、高压灌装泵12，分别固定在分装支架11上各自所属的位置，利用充灌软管14连接液态二氧化碳钢瓶13的瓶阀与高压灌装泵12的进液阀，以及高压灌装泵12的出液阀与注液口9，旋紧连接端口，利用导通测试仪检查管路的导通状况，确认管路导通后，打开高压灌装泵12气体回流阀，对泵体预冷，预冷结束后，启动高压灌装泵12，将质量为的液态二氧化碳由二氧化碳钢瓶13分装至预裂装置1中的液态二氧化碳储液管道5内。

步骤4，增透操作

增透钻孔16的孔径选择在60mm，孔深选择在40m间，用钻机在指定位置钻孔，将预裂装置1和起爆器及电源线携至工作现场，利用推送杆15将预裂装置1推入增透钻孔16中固定，采用聚氨酯形成封孔单元17，封孔单元17长度22m，连接起爆器电源，检查线路连通情况，准备工作完成后设立警戒区并撤离人员。

启动发爆器，脉冲电流通过导线，流经预裂装置1中的加热元件7后，加热元件7内部高能化学品瞬间爆发，产生高温，液态二氧化碳迅速吸热汽化，急速膨胀，产生高压冲击波冲破切变盘6，汽态二氧化碳通过排气外壳2的排气孔3排出，对周边煤体产生巨大冲击力，使煤体沿天然裂缝剪切开来，增大了煤体裂隙密度和范围，实现了预裂增透效果。

经过现场实际观测，实施增透后可在增透钻孔周边形成1～2m的裂隙范围，故相临两个增透钻孔16之间的间距距设为3～4m。

步骤5，抽放瓦斯气体

在两个增透钻孔16所处水平方向的中间位置布置瓦斯抽放钻孔，瓦斯抽放钻孔径选择在90mm之间，瓦斯抽放钻孔深度为增透钻孔16深度的1.5倍即60m。所述瓦斯抽放系统在抽放管路中布置有监测系统，其能够分别监测瓦斯和二氧化碳气体浓度。

通过对瓦斯抽放钻孔内气体浓度的观测得知，预裂增透30分钟后，工作面瓦斯抽放管道内的瓦斯浓度比常规未预裂抽放钻孔瓦斯浓度提高3倍，同时管道内的抽放负压平均降低了3KPa，24小时后，瓦斯抽放管路内的瓦斯浓度保持在增透前的1.5倍左右，表明本发明具有较好的应用效果。

为了保证抽放过程中，仅抽取瓦斯气体，在瓦斯抽放流体中，如果二氧化碳浓度大于10%时，即停止抽放，重新选取瓦斯抽放钻孔位置进行瓦斯抽放，提高了瓦斯抽放效率。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (4)

1.一种高应力低孔隙率煤层预裂增透抽放瓦斯的系统，其包括预裂装置，所述预裂装置包括排气外壳，其特征在于，所述排气外壳上均匀布置有多个排气孔，形成排气区域，所述排气外壳后部设置有爆破管，所述爆破管内设置有液态二氧化碳储液管道，所述液态二氧化碳储液管道进入所述排气区域的前端头处封堵有一切变盘，所述液态二氧化碳储液管道内设置有加热元件；所述液态二氧化碳储液管道后端设置有注液端头，所述注液端头上设置有注液口，所述注液口与所述液态二氧化碳储液管道相连通，所述注液端头上设置有用于通向外部的电极，所述电极与所述加热元件线路连接；所述电极给所述加热元件通电，所述加热元件瞬间产生高温，所述液态二氧化碳储液管道内液态二氧化碳迅速吸热产生冲击波冲破所述切变盘，使二氧化碳自所述排气区域剧烈喷出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括分装装置，所述分装装置包括分装支架，所述分装支架上设置有高压灌装泵、液态二氧化碳钢瓶，所述预裂装置设置在所述分装支架上，所述预裂装置的注液口通过充灌软管分别与所述高压灌装泵、所述液态二氧化碳钢瓶相连通。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预裂装置通过推送杆送入对应的预先开凿的增透钻孔内，所述预裂装置放入对应增透钻孔内后，通过封孔单元封堵对应增透钻孔。

4.一种使用如权利要求1所述系统进行抽放瓦斯的方法，其包括以下步骤：

确定预裂增透煤体的力学参数，然后确定液态二氧化碳装填量的参数与加热元件的参数，然后按照液态二氧化碳装填量的参数与加热元件的参数向预裂装置内填充液态二氧化碳与加热元件，通过推送杆将预裂装置送入对应的预先开凿的增透钻孔内，所述预裂装置放入对应增透钻孔内后，通过封孔单元封堵对应增透钻孔；电极给加热元件通电，所述加热元件瞬间产生高温，液态二氧化碳储液管道内液态二氧化碳迅速吸热产生冲击波冲破切变盘，使二氧化碳自所述排气区域剧烈喷出，将煤体沿天然裂缝切开。

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