CN106321048A - 一种基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置及方法，其中基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置包括充气阀、储液管、加热器和射流孔等，储液管一端与充气阀连接，构成密闭的腔体结构，加热器嵌于储液管内且位于充气阀一侧，加热器、充气阀均与储液管同轴分布，其使用方法包括液态二氧化碳通过充气阀充装到储液管内；基于气相压裂的技术工艺包括确定储液管有效容积，储液管定位，液态二氧化碳充装，起爆及设备拆除等步骤。所述基于气相压裂的技术工艺作用煤层后可在煤层中形成大量人工裂缝，同时开始煤层原始裂缝，在气相压裂钻孔周围形成裂隙卸压圈，均化地应力场和瓦斯压力场，缓解或消除煤与瓦斯突出危险性，防止煤与瓦斯突出。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置及方法，属于煤矿安全和消除煤与瓦斯突出危险性技术领域。
背景技术
在煤矿开采过程中，瓦斯是安全生产的最大威胁，目前，煤与瓦斯突出机理尚不清楚，预测预报工作难以满足煤矿安全生产要求，消除煤与瓦斯突出危险性是煤矿安全生产的重要保证。我国煤层地质开采条件复杂，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，消除煤与瓦斯突出危险性工作愈发棘手。
传统消除煤与瓦斯突出危险性的方法存在很多缺点及弊病，如密集钻孔卸压技术，虽然可以缓解突出危险性，但密集钻孔打钻过程本身就存在突出危险性；炸药爆破卸压技术适应条件受限，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。
因此，现有技术有待进一步改进和发展。
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基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置及方法，能有效地缓解或消除掘进巷道、石门揭煤、井筒揭煤及工作面回采过程中发生的煤与瓦斯突出现象。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置，包括储液管、加热器、充气阀及控压泄流装置，其中储液管一端与充气阀连接，并构成密闭的腔体结构，加热器通过悬挂方式置于储液管内充气阀一侧，加热器直径不大于储液管有效直径的2/3，加热器、充气阀均与储液管同轴分布，液态二氧化碳通过充气阀充装到储液管内。
进一步的，所述的储液管侧壁上均布若干射流孔，且所述的射流孔孔径与储液管最小内径比为1:100—1000，且射流孔总面积不小于储液管表面积的1/50。
进一步的，所述的射流孔为盲孔及透孔中的任意一种，且当射流孔为盲孔时，射流孔对应的储液管壁厚为储液管正常壁厚的1/5—4/5；当射流孔为透孔时，射流孔与储液管间放置控压装置，控制射流压力在40-400MPa。
一种基于气相压裂技术的消除瓦斯突出方法，包括：
第一步，确定储液管有效容积，根据气相压裂作业钻孔有效容积确定储液管的有效容积，其中储液管的有效容积为为1:1.1—10，然后将加热器安装到储液管内，其中加热器驱动电压不低于9V，发热量不低于5KJ/g；
第二步，储液管定位，将至少一个储液管放置到气相压裂作业钻孔内，并与气相压裂作业钻孔通过封孔装置形成密闭压裂空间，储液管直径与气相压裂作业钻孔直径的比例不小于1.1；
第三步，液态二氧化碳充装，将液态二氧化碳通过充气阀充装到储液管中，液态二氧化碳充装效率为0.5-5Kg/min，且充装后，液态二氧化碳温度不高于31.4℃，压力不低于7.8MPa，加热器与液态二氧化碳体积比为1:3—20；根据气相压裂装置的不同类型，可以适时调整液态二氧化碳充装作业与储液管定位步骤顺序；
第四步，起爆：通过控制装置向加热器输入驱动控制信号，使加热器升温，同时驱动液态二氧化碳气化，且液态二氧化碳气化时间为10—80ms，气化温度不低于31.4℃，完全气化后气态二氧化碳温度为40℃—150℃，液态二氧化碳气化前的体积与完全气化后的二氧化碳体积比为1:500—800，完全气化后的二氧化碳气体通过储液管的射流孔喷向气相压裂作业钻孔并对气相压裂作业钻孔壁施加压力，且每个射流孔的气态二氧化碳压力为40-300MPa，并在1-30s时间内完成二氧化碳气体喷射；
第五步，设备拆除，完成起爆后，对气相压裂作业钻孔进行相应的固定强化作业后，将剩余的储液管、加热器、充气阀从气相压裂作业钻孔中拆除即可。
进一步的，所述的第二步中储液管放置时，若储液管为两个或连个以上时，则各储液管均同轴分布，相邻的两储液管间通过万向轴连接。
进一步的，所述的第二步中储液管放置时，可向气相压裂作业钻孔内注入气体或水。
本发明设备结构简单，使用方法安全性高且灵活方便，且使用成本低廉，物料回收利用率高，一方面可有效的提高对煤层实施气相压裂作业的工作效率和气相压裂工作的质量，另一方面可有效的避免传统气相压裂设备工作过程中易引发的明火、控制精度差等危险情况发生，从而有效的提高气相压裂作业的工作安全性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明
图1为本发明结构原理示意图；
图2为本发明的工作状态示意图;
图3为本发明实施方法工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1和2所示，一种基于液态二氧化碳气相压裂装置，包括充气阀1、储液管2、加热器3、射流孔4及液态二氧化碳5，其中储液管2一端与充气阀1连接，并构成密闭的腔体结构，加热器3嵌于储液管2内且位于充气阀1一侧，加热器3直径不大于储液管2有效直径的2/3，加热器3、充气阀1均与储液管2同轴分布，液态二氧化碳5通过充气阀1充装到储液管内。
本实施例中，所述的储液管2侧壁上均布若干射流孔4，且所述的射流孔4孔径与储液管2最小内径比为1:100—1000，且射流孔4总面积不小于储液管表面积的1/50。
本实施例中，所述的射流孔4为盲孔及透孔中的任意一种，且当射流孔4为盲孔时，射流孔4对应的储液管2壁厚为储液管正常壁厚的1/5—4/5；当射流孔4为透孔时，射流孔4与储液管2间放置控压装置，控制射流压力在40-400MPa。
如图3所示，一种基于气相压裂的技术工艺，包括：
第一步，确定储液管有效容积，根据气相压裂作业钻孔有效容积确定储液管2的有效容积，其中储液管2的有效容积为为1:1.1—10，然后将加热器3安装到储液管2内，其中加热器3驱动电压不低于9V，发热量不低于5KJ/g；
第二步，储液管定位，将至少一个储液管2放置到气相压裂作业钻孔内，并与气相压裂作业钻孔通过封孔装置形成密闭压裂空间，储液管2直径与气相压裂作业钻孔直径的比例不小于1.1；
第三步，液态二氧化碳充装，将液态二氧化碳5通过充气阀1充装到储液管2中，液态二氧化碳5充装效率为0.5-5Kg/min，且充装后，液态二氧化碳5温度不高于31.4℃，压力不低于7.8MPa，加热器3与液态二氧化碳5体积比为1：3—20；根据气相压裂装置的不同类型，可以适时调整液态二氧化碳5充装作业与储液管定位步骤顺序；
第四步，起爆：通过控制装置向加热器3输入驱动控制信号，使加热器3升温，同时驱动液态二氧化碳5气化，且液态二氧化碳5气化时间为10—80ms，气化温度不低于31.4℃，完全气化后气态二氧化碳温度为40℃—150℃，液态二氧化碳5气化前的体积与完全气化后的二氧化碳体积比为1：500—800，完全气化后的二氧化碳气体通过储液管的射流孔4喷向气相压裂作业钻孔并对气相压裂作业钻孔壁施加压力，且每个射流孔4的气态二氧化碳压力为40-300MPa，并在1-30s时间内完成二氧化碳气体喷射；
第五步，设备拆除，完成起爆后，对气相压裂作业钻孔进行相应的固定强化作业后，将剩余的储液管2、加热器3、充气阀1从气相压裂作业钻孔中拆除即可。
本实施例中，所述的第二步中储液管2放置时，若储液管2为两个或连个以上时，则各储液管2均同轴分布，相邻的两储液管间通过万向轴连接。
本实施例中，所述的第二步中储液管2放置时，可向气相压裂作业钻孔内注入气体或水。
本发明还提供了一种使用所述技术工艺消除煤与瓦斯突出危险性的方法，其包括以下步骤：
确定作业区域煤体瓦斯参数、力学参数，然后确定液态二氧化碳充装量与加热器参数，按照所述技术工艺方法，将气相压裂装置放置于钻空中，通过控制信号引爆气相压裂装置，使二氧化碳气体沿射流孔迅速喷出，作用于气相压裂钻孔壁6。
本发明是一种相对缓慢的、膨胀的、扩散且有剪切效果的过程，高压气体从射流孔喷出后作用于煤层，在煤层中形成大量人工裂缝和同时开启煤层原始天然裂缝，在气相压裂钻孔周围形成裂隙卸压圈。裂隙卸压圈内煤层原有地应力集中状态得以均化，应力集中区向深部转移；大量二氧化碳气体向煤层深部扩散，利用二氧化碳与煤层的强吸附效果，可以加速瓦斯在煤层中的解吸-扩散-渗流过程，引导瓦斯快速排出煤层，将低煤层中瓦斯压力梯度，均化瓦斯压力场，最终缓解或消除煤与瓦斯突出危险性，防止煤与瓦斯突出。
本发明设备结构简单，使用方法安全性高且灵活方便，且使用成本低廉，物料回收利用率高，一方面可有效的提高对煤层实施气相压裂作业的工作效率和气相压裂工作的质量，另一方面可有效的避免传统气相压裂设备工作过程中易引发的明火、控制精度差等危险情况发生，从而有效的提高气相压裂作业的工作安全性。
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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置，其特征在于，所述的基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置包括储液管、加热器、充气阀及控压泄流装置，其中所述的储液管一端与充气阀连接，并构成密闭的腔体结构，所述的加热器置于储液管内充气阀一侧，并与储液管内表面滑动连接，所述的加热器直径不大于储液管有效直径的2/3，所述的加热器、充气阀均与储液管同轴分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置，其特征在于，所述的储液管侧壁上均布若干射流孔，且所述的射流孔孔径与储液管最小内径比为1:100—1000，且射流孔总面积不小于储液管表面积的1/50。
3.根据权利要求1所述的一种基于气相压裂技术的消除瓦斯突出装置，其特征在于，所述的射流孔为盲孔或透孔中的任意一种，且当射流孔为盲孔时，射流孔对应的储液管壁厚为储液管正常壁厚的1/5—4/5；当射流孔为透孔时，射流孔与储液管间放置控压装置，控制射流压力在40-400MPa。
4.一种基于气相压裂技术的消除瓦斯突出方法，其特征在于，所述的基于气相压裂的技术工艺包括：
第一步，确定储液管有效容积：根据气相压裂作业钻孔容积确定储液管有效容积，其中储液管有效容积与钻孔容积比为1:1.1—10；然后将加热器安装到储液管内，其中加热器驱动电压不低于9V，发热量不低于5KJ/g；然后加装充气阀和控压泄流装置，保证储液管腔体的密闭性能；
第二步，储液管定位：将至少一个储液管放置到气相压裂作业钻孔内，并与气相压裂作业钻孔通过封孔装置形成密闭压裂空间，储液管直径与气相压裂作业钻孔直径的比例不小于1.1；
第三步，液态二氧化碳充装：将液态二氧化碳通过充气阀充装到储液管中，液态二氧化碳充装效率为0.5-5Kg/min，且充装后，液态二氧化碳温度不高于31.4℃，压力不低于7.8MPa，加热器与液态二氧化碳体积比为1:3—20；根据气相压裂装置的不同类型，可以适时调整液态二氧化碳充装作业与储液管定位步骤顺序；
第四步，起爆：通过控制装置向加热器输入驱动控制信号，使加热器升温，同时驱动液态二氧化碳气化，且液态二氧化碳气化时间为10—80ms，气化温度不低于31.4℃，完全气化后气态二氧化碳温度为40℃—150℃，液态二氧化碳气化前的体积与完全气化后的二氧化碳体积比为1:500—800，完全气化后的二氧化碳气体通过储液管的射流孔喷向气相压裂作业钻孔并对气相压裂作业钻孔壁施加压力，且每个射流孔的气态二氧化碳压力为40-300MPa，并在1-30s时间内完成二氧化碳气体喷射；
第五步，设备拆除：完成起爆后，对气相压裂作业钻孔进行相应的固定强化作业，同时将气相压裂装置从作业钻孔中拆除。
5.根据权利要求4所述的一种基于气相压裂的技术工艺，其特征在于，所述的第二步中储液管放置时，若储液管为两个以上时，则各储液管均同轴分布，相邻的两储液管间通过万向轴连接。
6.根据权利要求4所述的一种基于气相压裂的技术工艺，其特征在于，所述的第二步中储液管放置时，可向气相压裂作业钻孔内注入气体或水。
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