CN106968705A - 一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置及增透方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置，包括承载底座、行走机构、液氮储存钢瓶、气态氮气储存钢瓶、存水罐、热风机、增压泵组、氮气加热管、水冷管及液氮降温管，承载底座下表面与行走机构连接，液氮储存钢瓶、气态氮气储存钢瓶、存水罐、热风机及增压泵组均通过滑轨与承载底座上表面滑动连接，每一条氮气加热管、一条水冷管和一条液氮降温管构成一个压裂冲击组，压裂冲击组分别与两个增压泵组相互连通；其增透方法包括开设钻孔，压裂冲击组预制，冲击压裂作业及抽采作业等四步。本发明一方面提高了钻孔瓦斯抽采效率，降低瓦斯抽采成本，另一方面提高了瓦斯抽采作业安全性和可靠性的目的。

Description

一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置及增透方法

技术领域

本发明涉一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置及增透方法，属瓦斯抽采技术领域。

背景技术

目前在对煤层瓦斯气等气体资源进行采集回收作业时，主要是通过对钻孔表面进行压裂处理，在增加煤层裂缝数量、宽度和深度后在进行负压抽采作业，当前在对钻孔进行压裂作业时，为了提高作业的安全性和经济性，主要是由低温高压惰性气体在钻孔内进行高压冲击压力钻孔壁，实现对钻孔壁煤层进行压裂作业的需要，虽然较传动的炸药爆破、高压空气、高压水压裂作业可有效的提高钻孔压裂作业的安全性和工作效率，但在实际的使用中发现，当前的通过低温高压惰性气体对钻孔压裂作业时，往往存在着诸如：对钻孔冲击作用范围定量测定难度大且精度差；惰性气体冷冻和高压冲击增透作用范围有限，煤层裂缝数量相对较少，裂缝数量、深度及宽度均相对较小，从而导致当前钻孔抽采瓦斯时存在瓦斯流量小、抽采效率低下、抽采覆盖范围小、钻孔抽采作业的周期段等弊端，严重制约了瓦斯气抽采作业的工作效率，并增加了抽采作业的成本，同时当前的通过低温高压惰性气体对钻孔压裂作业时，对前期钻孔内的瓦斯气体的稀释、压制作用相对不足，易造成瓦斯气泄漏后在通风巷内堆积，从而严重威胁瓦斯气抽采作业及矿井井下煤炭资源开采作业的安全性，因此针对这一问题，迫切需要开发一种全新的煤层气抽采增透装置及基于该装置的煤层气抽采工艺，以满足实际使用的需要。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置及增透方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置，包括承载底座、行走机构、液氮储存钢瓶、气态氮气储存钢瓶、存水罐、热风机、增压泵组、氮气加热管、水冷管及液氮降温管，承载底座下表面与行走机构连接，且所述的行走机构环绕承载底座轴线分布，液氮储存钢瓶、气态氮气储存钢瓶、存水罐、热风机及增压泵组均通过滑轨与承载底座上表面滑动连接，气态氮气储存钢瓶通过热风机与增压泵组相互连通，增压泵组与氮气加热管相互连通，存水罐为密闭腔体结构，其内表面均布若干半导体制冷装置，且各半导体制冷装置均环绕存水罐轴线均布，存水罐通过增压泵组与水冷管相互连通，液氮储存钢瓶至少一个，并分别通过增压泵组与液氮降温管相互连通，增压泵组至少两组，且两增压泵组间相互并联，氮气加热管、水冷管及液氮降温管均若干条，且每一条氮气加热管、一条水冷管和一条液氮降温管构成一个压裂冲击组，压裂冲击组至少两个，并分别与两个增压泵组相互连通，且每个增压泵组均与至少一个压裂冲击组相互连通，压裂冲击组中的氮气加热管、水冷管及液氮降温管间相互平行分布，并均采用筛管结构，其中氮气加热管的筛孔孔径为水冷管筛孔孔径的1—5倍，为液氮降温管筛孔孔径的1.5—3倍。

进一步的，所述的滑轨与承载底座上表面通过转台机构铰接。

进一步的，所述的增压泵组包括汇流管、分流管、氮气增压泵、增压水泵、液氮增压泵及控制阀，其中所述的氮气增压泵、增压水泵、液氮增压泵均一个，并相互并联，所述的氮气增压泵、增压水泵、液氮增压泵分别通过汇流管与热风机、存水罐及液氮储存钢瓶相互连通，所述的氮气增压泵、增压水泵、液氮增压泵分别通过分流管与氮气加热管、水冷管及液氮降温管相互连通，且所述的汇流管、分流管均通过控制阀分别与液氮储存钢瓶、存水罐、热风机、氮气加热管、水冷管及液氮降温管相互连通。

进一步的，所述的液氮储存钢瓶另通过导流支管与存水罐相互连通，所述的导流支管与液氮储存钢瓶和存水罐连接位置处设控制阀。

进一步的，所述的氮气加热管、水冷管及液氮降温管与增压泵组间分别通过柔性保温管相互连通。

一种基于煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置的增透方法，包括如下步骤：

第一步，开设钻孔，首先根据设计及开采作业的需要，在煤层上开始若干抽采用钻孔，所开设的钻孔轴线与煤层外表面垂直分布，相邻两钻孔间间距为2—8米，且各钻孔间呈阵列结构分布；

第二步，压裂冲击组预制，在完成第一步的操作后，将各压裂冲击组分别与增压泵组相互连接，在每一个压裂冲击组中增加一条抽采管，且抽采管轴线与压裂冲击组轴线平行分布，然后由压力自适应囊袋对压裂冲击组和抽采管的前端进行包覆，然后压裂冲击组和抽采管一同嵌如到钻孔中，并使压裂冲击组和抽采管与钻孔同轴分布，然后由压力自适应囊袋对钻孔进行密封，并在完成密封后静置5—10分钟，然后将钻孔内的空气排空，使得钻孔内气压低于0.5个标准大气压；

第三步，冲击压裂作业，在完成第二步作业后，首先启动热风机、增压泵组运行，由热风机将气态氮气储存钢瓶氮气升温至400℃—600℃，然后由增压泵组增压至5MPa—10MPa，通过压裂冲击组中的氮气加热管对钻孔内壁增压加热，并保温保压4—10分钟，然后通过增压泵组将钻孔内的高温氮气排出，并在钻孔内压力为0.5—1.5个标准大气压时，由增压泵组将存水罐内经过半导体制冷装置和导流支管降温后的低温水增压，并使低温水压力达到0.6—1.2 MPa，通过压裂冲击组的水冷管直接喷淋到钻孔内壁上，喷淋时低温水的流量为8—10L/min，温度为0℃—10℃，喷淋时间为1—5分钟，然后通过增压泵组将钻孔内的低温水排出，并在钻孔内压力为0.5—1.5个标准大气压时，并由增压泵组将液氮储存钢瓶内的液氮调压至10 MPa—20 MPa后通过压裂冲击组的液氮降温管喷淋到钻孔内壁上，并持续喷淋3—8分钟，然后通过增压泵组将钻孔内的氮气排出，并在钻孔内压力为0.5—1.5个标准大气压时即可完成冲击压裂作业；

第四步，抽采作业，在完成第三步作业后，通过位于钻孔内的抽采管对钻孔内的瓦斯气体进行负压抽采作业，当钻孔内部瓦斯浓度低于20 %时，则再次返回到第三步进行冲击压裂作业，并直至钻孔内瓦斯流量为1.5L/min后，完成对钻孔瓦斯抽采作业，然后将压裂冲击组从钻孔中取出，将抽采管保留在钻孔中，并由封孔材料对钻孔进行再次密封即可完成对钻孔冷热冲击压力和持续瓦斯抽采作业的需要。

进一步的，所述的第一步中，在进行钻孔开设时，各钻孔间以矩形整列或环形阵列结构排布。

进一步的，所述的第一步开设的各钻孔间，在进行第二步和第三步操作时，相邻两个钻孔的第二步和第三步操作均采用同步进行和间隔进行两种方式中的任意一种进行实施。

本发明设备结构及实施方法简单灵活，运行成本低廉，一方面有效克服了传统钻孔压裂设备及工艺操作中易出现的压裂作用力不足，钻孔内煤层裂缝分布少和裂缝深度不足的缺陷，从而极大的提高了钻孔瓦斯抽采流量、抽采效率、增加了钻孔煤层瓦斯气抽采作业有效覆盖范围，在延长了抽采周期的同时，有效达到降低瓦斯抽采成本的目的，另一方面可有效的对钻孔瓦斯抽采提供可靠的设计理论依据，便于规范钻孔瓦斯抽采作业的规范性和抽采技术的积累和交流，同时还可有效的降低钻孔前期内部瓦斯气体浓度，便于对钻孔前期内部的瓦斯气体解吸和抑制，从而达到提高了瓦斯抽采作业安全性和可靠性的目的。

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为本发明结构示意图；

图2为本发明钻孔内部结构意图；

图3为本发明使用方法流程图。

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所述的一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置，包括承载底座1、行走机构2、液氮储存钢瓶3、气态氮气储存钢瓶4、存水罐5、热风机6、增压泵组7、氮气加热管8、水冷管9及液氮降温管10，承载底座1下表面与行走机构2连接，且行走机构2环绕承载底座1轴线分布，液氮储存钢瓶3、气态氮气储存钢瓶4、存水罐5、热风机6及增压泵组7均通过滑轨11与承载底座1上表面滑动连接，气态氮气储存钢瓶4通过热风机6与增压泵组7相互连通，增压泵组7与氮气加热管8相互连通，存水罐5为密闭腔体结构，其内表面均布若干半导体制冷装置12，且各半导体制冷装置12均环绕存水罐5轴线均布，存水罐5通过增压泵组7与水冷管9相互连通，液氮储存钢瓶3至少一个，并分别通过增压泵组7与液氮降温管10相互连通，增压泵组7至少两组，且两增压泵组7间相互并联，氮气加热管8、水冷管9及液氮降温管10均若干条，且每一条氮气加热管8、一条水冷管9和一条液氮降温管10构成一个压裂冲击组，压裂冲击组至少两个，并分别与两个增压泵组7相互连通，且每个增压泵组7均与至少一个压裂冲击组相互连通，压裂冲击组中的氮气加热管8、水冷管9及液氮降温管10间相互平行分布，并均采用筛管结构，其中氮气加热管8的筛孔孔径为水冷管9筛孔孔径的1—5倍，为液氮降温管10筛孔孔径的1.5—3倍。

本实施例中，所述的滑轨11与承载底座1上表面通过转台机构12铰接。

本实施例中，所述的增压泵组7包括汇流管71、分流管72、氮气增压泵73、增压水泵74、液氮增压泵75及控制阀76，其中所述的氮气增压泵73、增压水泵74、液氮增压泵75均一个，并相互并联，所述的氮气增压泵73、增压水泵74、液氮增压泵75分别通过汇流管71与热风机6、存水罐5及液氮储存钢瓶3相互连通，所述的氮气增压泵73、增压水泵74、液氮增压泵75分别通过分流管72与氮气加热管8、水冷管9及液氮降温管10相互连通，且所述的汇流管71、分流管72均通过控制阀76分别与液氮储存钢瓶3、存水罐5、热风机6、氮气加热管8、水冷管9及液氮降温管10相互连通。

本实施例中，所述的液氮储存钢瓶3另通过导流支管13与存水罐5相互连通，所述的导流支管13与液氮储存钢瓶3和存水罐5连接位置处设控制阀76。

本实施例中，所述的氮气加热管8、水冷管9及液氮降温管10与增压泵组7间分别通过柔性保温管14相互连通。

如图3所示，一种基于煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置的增透方法，包括如下步骤：

第一步，开设钻孔，首先根据设计及开采作业的需要，在煤层上开始若干抽采用钻孔17，所开设的钻孔17轴线与煤层18外表面垂直分布，相邻两钻孔17间间距为2—8米，且各钻孔17间呈阵列结构分布；

第二步，压裂冲击组预制，在完成第一步的操作后，将各压裂冲击组分别与增压泵组7相互连接，在每一个压裂冲击组中增加一条抽采管15，且抽采管15轴线与压裂冲击组轴线平行分布，然后由压力自适应囊袋16对压裂冲击组和抽采管15的前端进行包覆，然后压裂冲击组和抽采管15一同嵌如到钻孔17中，并使压裂冲击组和抽采管15与钻孔17同轴分布，然后由压力自适应囊袋16对钻孔17进行密封，并在完成密封后静置5—10分钟，然后将钻孔内的空气排空，使得钻孔内气压低于0.5个标准大气压；

第三步，冲击压裂作业，在完成第二步作业后，首先启动热风机6、增压泵组7运行，由热风机6将气态氮气储存钢瓶4氮气升温至400℃—600℃，然后由增压泵组7增压至5MPa—10MPa，通过压裂冲击组中的氮气加热管8对钻孔17内壁增压加热，并保温保压4—10分钟，然后通过增压泵组7将钻孔17内的高温氮气排出，并在钻孔17内压力为0.5—1.5个标准大气压时，由增压泵组7将存水罐5内经过半导体制冷装置12和导流支管13降温后的低温水增压，并使低温水压力达到0.6—1.2 MPa，通过压裂冲击组的水冷管9直接喷淋到钻孔17内壁上，喷淋时低温水的流量为8—10L/min，温度为0℃—10℃，喷淋时间为1—5分钟，然后通过增压泵组7将钻孔17内的低温水排出，并在钻孔17内压力为0.5—1.5个标准大气压时，并由增压泵组7将液氮储存钢瓶3内的液氮调压至10 MPa—20 MPa后通过压裂冲击组的液氮降温管10喷淋到钻孔17内壁上，并持续喷淋3—8分钟，然后通过增压泵组7将钻孔17内的氮气排出，并在钻孔17内压力为0.5—1.5个标准大气压时即可完成冲击压裂作业；

第四步，抽采作业，在完成第三步作业后，通过位于钻孔17内的抽采管15对钻孔17内的瓦斯气体进行负压抽采作业，并在抽采到的钻孔17瓦斯浓度低于20%时，则再次返回到第三步进行冲击压裂作业，并直至钻孔17内瓦斯流量为1.5L/min后，完成对钻孔瓦斯抽采作业，然后将压裂冲击组从钻孔17中取出，将抽采管15保留在钻孔17中，并由封孔材料对钻孔17进行再次密封即可完成对钻孔17冷热冲击压力和持续瓦斯抽采作业的需要。

本实施例中，所述的第一步中，在进行钻孔17开设时，各钻孔17间以矩形整列或环形阵列结构排布。

本实施例中，所述的第一步开始的各钻孔17间，在进行第二步和第三步操作时，相邻两个钻孔17的第二步和第三步操作均采用同步进行和间隔进行两种方式中的任意一种进行实施。

本发明设备结构及实施方法简单灵活，运行成本低廉，一方面有效克服了传统钻孔压裂设备及工艺操作中易出现的压裂作用力不足，钻孔内煤层裂缝分布少和裂缝深度不足的缺陷，从而极大的提高了钻孔瓦斯抽采流量、抽采效率、增加了钻孔煤层瓦斯气抽采作业有效覆盖范围，在延长了抽采周期的同时，有效达到降低瓦斯抽采成本的目的，另一方面可有效的对钻孔瓦斯抽采提供可靠的设计理论依据，便于规范钻孔瓦斯抽采作业的规范性和抽采技术的积累和交流，同时还可有效的降低钻孔前期内部瓦斯气体浓度，便于对钻孔前期内部的瓦斯气体解吸和抑制，从而达到提高了瓦斯抽采作业安全性和可靠性的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理和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。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 (8)

1.一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置，其特征在于：所述的煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置包括承载底座、行走机构、液氮储存钢瓶、气态氮气储存钢瓶、存水罐、热风机、增压泵组、氮气加热管、水冷管及液氮降温管，所述的承载底座下表面与行走机构连接，且所述的行走机构环绕承载底座轴线分布，所述的液氮储存钢瓶、气态氮气储存钢瓶、存水罐、热风机及增压泵组均通过滑轨与承载底座上表面滑动连接，所述的气态氮气储存钢瓶通过热风机与增压泵组相互连通，增压泵组与氮气加热管相互连通，存水罐为密闭腔体结构，其内表面均布若干半导体制冷装置，且各半导体制冷装置均环绕存水罐轴线均布，所述的存水罐通过增压泵组与水冷管相互连通，所述的液氮储存钢瓶至少一个，并分别通过增压泵组与液氮降温管相互连通，所述的增压泵组至少两组，且两增压泵组间相互并联，所述的氮气加热管、水冷管及液氮降温管均若干条，且每一条氮气加热管、一条水冷管和一条液氮降温管构成一个压裂冲击组，所述的压裂冲击组至少两个，并分别与两个增压泵组相互连通，且每个增压泵组均与至少一个压裂冲击组相互连通，所述的压裂冲击组中的氮气加热管、水冷管及液氮降温管间相互平行分布，并均采用筛管结构，其中所述的氮气加热管的筛孔孔径为水冷管筛孔孔径的1—5倍，为液氮降温管筛孔孔径的1.5—3倍。

2.根据权利要求1所述的一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置，其特征在于：所述的滑轨与承载底座上表面通过转台机构铰接。

3.根据权利要求1所述的一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置，其特征在于：所述的增压泵组包括汇流管、分流管、氮气增压泵、增压水泵、液氮增压泵及控制阀，其中所述的氮气增压泵、增压水泵、液氮增压泵均一个，并相互并联，所述的氮气增压泵、增压水泵、液氮增压泵分别通过汇流管与热风机、存水罐及液氮储存钢瓶相互连通，所述的氮气增压泵、增压水泵、液氮增压泵分别通过分流管与氮气加热管、水冷管及液氮降温管相互连通，且所述的汇流管、分流管均通过控制阀分别与液氮储存钢瓶、存水罐、热风机、氮气加热管、水冷管及液氮降温管相互连通。

4.根据权利要求1所述的一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置，其特征在于：所述的液氮储存钢瓶另通过导流支管与存水罐相互连通，所述的导流支管与液氮储存钢瓶和存水罐连接位置处设控制阀。

5.根据权利要求1所述的一种煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置，其特征在于：所述的氮气加热管、水冷管及液氮降温管与增压泵组间分别通过柔性保温管相互连通。

6.一种基于煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置的增透方法，其特征在于：所述的基于煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置的增透方法包括如下步骤：

第一步，开设钻孔，首先根据设计及开采作业的需要，在煤层上开始若干抽采用钻孔，所开设的钻孔轴线与煤层外表面垂直分布，相邻两钻孔间间距为2—8米，且各钻孔间呈阵列结构分布；

第二步，压裂冲击组预制，在完成第一步的操作后，将各压裂冲击组分别与增压泵组相互连接，在每一个压裂冲击组中增加一条抽采管，且抽采管轴线与压裂冲击组轴线平行分布，然后由压力自适应囊袋对压裂冲击组和抽采管的前端进行包覆，然后压裂冲击组和抽采管一同嵌入到钻孔中，并使压裂冲击组和抽采管与钻孔同轴分布，然后由压力自适应囊袋对钻孔进行密封，并在完成密封后静置5—10分钟，然后将钻孔内的空气排空，使得钻孔内气压低于0.5个标准大气压；

第三步，冲击压裂作业，在完成第二步作业后，首先启动热风机、增压泵组运行，由热风机将气态氮气储存钢瓶氮气升温至400℃—600℃，然后由增压泵组增压至5MPa—10MPa，通过压裂冲击组中的氮气加热管对钻孔内壁增压加热，并保温保压4—10分钟，然后通过增压泵组将钻孔内的高温氮气排出，并在钻孔内压力为0.5—1.5个标准大气压时，由增压泵组将存水罐内经过半导体制冷装置和导流支管降温后的低温水增压，并使低温水压力达到0.6—1.2 MPa，通过压裂冲击组的水冷管直接喷淋到钻孔内壁上，喷淋时低温水的流量为8—10L/min，温度为0℃—10℃，喷淋时间为1—5分钟，然后通过增压泵组将液氮储存钢瓶内的液氮调压至10 MPa—20 MPa后，通过液氮降温管喷淋到钻孔内壁上，并持续喷淋3—8分钟，然后通过增压泵组将钻孔内的氮气排出，在钻孔内压力为0.5—1.5个标准大气压时即可完成冲击压裂作业；

第四步，抽采作业，在完成第三步作业后，通过位于钻孔内的抽采管对钻孔内的瓦斯气体进行负压抽采作业，当钻孔内部瓦斯浓度低于20%时，则再次返回到第三步进行冲击压裂作业，当钻孔内瓦斯流量低于1.5L/min后，完成对钻孔瓦斯抽采作业，然后将压裂冲击组从钻孔中取出，将抽采管保留在钻孔中，并由封孔材料对钻孔进行再次密封即可完成对钻孔冷热冲击压力和持续瓦斯抽采作业的需要。

7.根据权利要求6所述的一种基于煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置的增透方法，其特征在于：所述的第一步中，在进行钻孔开设时，各钻孔间以矩形整列或环形阵列结构排布。

8.根据权利要求6所述的一种基于煤层抽采钻孔热冷冲击破煤增透装置的增透方法，其特征在于：所述的第一步开设的各钻孔间，在进行第二步和第三步操作时，相邻两个钻孔的第二步和第三步操作均采用同步进行和间隔进行两种方式中的任意一种进行实施。