CN108194070A - 一种超声激励与水力割缝一体化装置、复合强化瓦斯抽采系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声激励与水力割缝一体化装置、复合强化瓦斯抽采系统及方法，包括套管，套管顶部固定有水力割缝钻头，水力割缝钻头的周向上设有若干水力割缝钻头射流孔，套管底部通过高压软管连接至高压泵，水力割缝钻头的下部设置有超声波换能器，且超声波换能器套设在套管上，所述超声波换能器通过电缆连接至超声波发生器。本发明通过超声激励与水力割缝的有机结合，实现了两种单项技术的优势互补，有效促进煤层瓦斯解吸，提高煤层渗透率，解决矿井瓦斯抽采技术难题，且适用于各种复杂地质条件，应用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯治理技术领域，具体涉及一种超声激励与水力割缝一体化装置、复合强化瓦斯抽采系统及方法。
背景技术
我国煤层瓦斯赋存地质条件复杂，煤层渗透率低、瓦斯含量高，导致瓦斯难于抽采，严重制约了矿井的安全高效回采，同时，我国煤层气埋深2000m 以内的储量约3.146×1013m3，该部分资源的开发利用既可以有效降低大气温室效应，又可以降低煤矿瓦斯灾害。
为了高效抽采煤层瓦斯，国内外学者开展了大量的煤层瓦斯激励开采技术研究，主要包括：人工造穴、水力割缝、水力压裂、注气和物理场激励等，但各种单项技术都有其优缺点，不能满足各种各样的复杂瓦斯地质条件。
超声波在促进煤层瓦斯解吸扩散方面，其作用机理主要是超声波的机械振动、热效应作用。首先，超声波在煤体内传播过程中产生机械振动，煤体质点发生位移并易破碎，使煤体中产生新的裂缝网，造成煤的裂隙和孔隙增多，有利于煤层气的扩散和渗流；其次，实验表明，声波热效应可以促进瓦斯解吸扩散，降低煤对瓦斯的吸附能力。但受机械波特性限制，超声波在煤体内的传播衰减速度快，因此其造缝效果有限。
水力割缝技术利用高压水射流切割一条具有一定宽度和厚度的水平卸压槽，形成煤体裂隙通道，但伴随着裂隙形成的过程，大量的压裂水进入到煤体的裂隙通道内，水浸润煤体后，堵塞煤体内微观孔隙，不利于瓦斯解吸，同时煤体裂隙通道内的水也阻碍了煤层瓦斯的扩散。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声激励与水力割缝一体化装置、复合强化瓦斯抽采系统及方法，用于解决现有技术的问题，本发明通过超声激励与水力割缝技术的有机结合，不仅能够解决各个单项技术存在的问题，而且能够进一步提高瓦斯抽采效果。一方面超声波借助水媒介能够得到有效传播，利于提高水力割缝后煤体微裂隙的进一步拓展；另一方面，超声波能够有效解除水封现象，破碎雾化煤体裂隙内的水分，疏通瓦斯裂隙通道，有利于瓦斯的扩散。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超声激励与水力割缝一体化装置，包括套管，套管顶部固定有水力割缝钻头，水力割缝钻头的周向上设有若干水力割缝钻头射流孔，套管底部通过高压软管连接至高压泵，水力割缝钻头的下部设置有超声波换能器，且超声波换能器套设在套管上，所述超声波换能器通过电缆连接至超声波发生器。
进一步地，超声波换能器内侧与套管外侧之间设有滚珠轴承。
进一步地，套管外侧设有螺纹。
一种基于超声激励与水力割缝一体化装置的复合强化瓦斯抽采系统，包括设置在煤层上的措施钻孔，水力割缝钻头及超声波换能器设置在措施钻孔中，措施钻孔的两侧对称设置有抽采钻孔，抽采钻孔中设置有瓦斯抽采管路，瓦斯抽采管路的底部连接有瓦斯输送管路。
进一步地，瓦斯抽采管路上设置有采样口，采样口上设置有截止阀。
进一步地，瓦斯抽采管路的底部通过法兰盘连接有瓦斯输送管路。
一种复合强化瓦斯抽采系统的瓦斯抽采方法，包括以下步骤：
步骤一：在煤层取煤样进行不同频率超声波作用下瓦斯解吸实验，确定最佳频率范围f0～f1；
步骤二：在煤层内施工措施钻孔，措施钻孔施工完毕后，将超声激励与水力割缝一体化装置放入措施钻孔内，进行水力割缝；
步骤三：割缝完成后，进行封孔，开启超声波换能器，频率调整至步骤一确定的频率范围内f0～f1，进行超声波激励；
步骤四：在措施钻孔两侧施工抽采钻孔，并连接瓦斯抽采系统进行瓦斯抽采，同时对瓦斯抽采浓度及流量进行监测；
步骤五：待监测抽采钻孔内瓦斯抽采指标降低至规定值后，关闭超声波换能器，停止超声激励，将超声激励与水力割缝一体化装置后退距离d，再次进行水力割缝，然后进行超声激励，并观测两侧钻孔内瓦斯抽采情况；
步骤六：循环进行步骤五中的操作，直至超声激励与水力割缝一体化装置彻底退出措施钻孔。
进一步地，所述步骤一中确定最佳频率范围f0～f1的方法为：在煤层取煤样，装入实验室瓦斯吸附解吸装置，进行不同频率超声波作用下煤的瓦斯吸附解吸实验，得到瓦斯解吸曲线，根据瓦斯解吸情况，确定最佳频率范围f0～f1。
进一步地，所述步骤二及步骤五中水力割缝压力为8～20MPa，水量为 9～18m3/h。
进一步地，所述步骤三中采用胶囊型封孔器进行封孔。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明装置通过超声激励与水力割缝的有机结合，实现了两种单项技术的优势互补。首先，通过水力割缝技术，在煤层内形成了较大裂隙，且裂隙通道内充满了水媒介；而后，超声波借助水媒介得到有效传播，在初级裂隙的基础上，形成大量、密集的微裂隙，同时，超声波的高频振动作用及热效应作用，促进水从煤体内分离甚至挥发排出，最终实现了煤层瓦斯高效抽采，本发明能够有效促进煤层瓦斯解吸，提高煤层渗透率，解决矿井瓦斯抽采技术难题，且适用于各种复杂地质条件，应用范围较广。
进一步地，超声波换能器内侧设有滚珠轴承，可以确保套管及水力割缝钻头转动过程中超声波换能器固定，避免电缆缠绕。
进一步地，套管外表面设有螺纹，便于水力割缝过程中顺利排渣。
本发明方法通过超声激励与水力割缝的有机结合，实现了两种单项技术的优势互补。超声波是振动频率很高的机械波，利用超声波的能量特性可以产生机械振动破坏煤体结构和空化作用来改变物质内部结构或变化过程，使物质发生物理、化学和生物性质的改变，由于超声波的机械振动作用，促使煤层内瓦斯解吸，并能够有效提高作用范围内的渗透率；同时，超声波产生的热效应也有利于煤层内瓦斯的进一步解吸，但受其机械波特性的限制，超声波在煤层内的传播距离有限，作用范围较小；水力割缝通过钻机带动钻杆和切缝钻头旋转，将高压水通过切缝钻头细射流沿钻孔煤壁切割，在钻孔煤孔段中割出一条(或数条)一定宽度、高度的扁平缝槽，从而在煤孔形成直径远大于初始直径的缝槽，以此改变煤体结构，造成新裂隙及局部卸压条件，达到提高煤层透气性、提高预抽率的目的。但由于水力割缝借助了大量的水媒介，水浸润煤体后，堵塞裂隙通道，不利于瓦斯的解吸和运移，本发明首先通过水力割缝技术，在煤层内形成了较大裂隙，且裂隙通道内充满了水媒介；而后超声波借助水媒介得到有效传播，在初级裂隙的基础上，形成大量、密集的微裂隙，同时，超声波的高频振动作用及热效应作用，促进水从煤体内分离甚至挥发排出，最终实现了煤层瓦斯高效抽采，本发明能够有效促进煤层瓦斯解吸，提高煤层渗透率，解决矿井瓦斯抽采技术难题，且适用于各种复杂地质条，应用范围较广。
附图说明
图1为本发明强化瓦斯抽采装置示意图；
图2为本发明超声激励与水力割缝一体化装置示意图；
图3为本发明水力割缝钻头主视图；
图4为本发明水力割缝钻头侧视图；
图5为本发明超声波换能器侧视图；
其中，1-煤层；2-措施钻孔；3-水力割缝钻头；4-超声波换能器；5-电缆；6-超声波发生器；7-高压软管；8-高压泵；9-封孔段；10-套管；11-瓦斯抽采管路；12-法兰盘；13-截止阀；14-瓦斯输送管路；15-水力割缝钻头射流孔； 16-滚珠轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图5，一种超声激励与水力割缝一体化瓦斯抽采增透装置，包括超声波发生器6、电缆5、超声波换能器4、水力割缝钻头3、套管10、高压软管7、高压泵8；水力割缝钻头3固定在套管10顶端，水力割缝钻头 3上设有水力割缝钻头射流孔15，水力割缝钻头3的周向上对称设置有三个水力割缝钻头射流孔15；超声波换能器4以套筒形式安装在水力割缝钻头3 下方，并通过电缆5与超声波发生器6连接；高压泵8通过高压软管7与套管10的内腔连接，本装置配套不通射流孔孔径的水力割缝钻头3，可根据不同需求调换钻头，高压泵8与外部静压水连接，将水输送至套管内腔，为水力割缝钻头3提供高压动力水，使用时通过套管10旋转带动水力割缝钻头3 旋转，套管10外表面设有螺纹，便于水力割缝过程中顺利排渣，超声波换能器4内圈设有滚珠轴承16，确保套管10及水力割缝钻头3转动过程中超声波换能器4固定，避免电缆5缠绕，超声波换能器4可输出不同频率、强度的超声波信号，连接超声波发生器6与超声波换能器4的电缆5为铠装防爆电缆。
一种基于超声激励与水力割缝一体化装置的复合强化瓦斯抽采系统，包括设置在煤层1上的措施钻孔2，水力割缝钻头3及超声波换能器4设置在措施钻孔2中，措施钻孔2的两侧对称设置有抽采钻孔，抽采钻孔中设置有瓦斯抽采管路11，瓦斯抽采管路11的底部通过法兰盘12连接有瓦斯输送管路14，瓦斯抽采管路11上设置有采样口，采样口上设置有截止阀13。
一种基于超声激励与水力割缝一体化装置的复合强化瓦斯抽采方法，包括如下步骤：
步骤一：现场取煤样进行不同频率超声波作用下瓦斯解吸实验，确定最佳频率范围f0～f1；确定最佳频率范围f0～f1的方法为：现场采取煤样，装入实验室瓦斯吸附解吸装置，进行不同频率超声波作用下煤的瓦斯吸附解吸实验，得到瓦斯解吸曲线，根据瓦斯解吸情况，确定最佳频率范围f0～f1；
步骤二：在煤层内施工措施钻孔2，措施钻孔2施工完毕后，将超声激励与水力割缝一体化装置放入措施钻孔2内，连接高压泵8，进行水力割缝，水力割缝压力为8～20MPa，水量为9～18m3/h；
步骤三：割缝完成后，采用胶囊型封孔器进行封孔，开启超声波换能器 4，频率调整至步骤一确定的频率范围内f0～f1，进行超声波激励；采用胶囊型封孔器进行封孔可以防止超声波向巷道内传播造成声强损失及人员设备损害，且封孔器能够回收重复利用；
步骤四：在割缝钻孔两侧施工抽采钻孔，并连接抽采系统进行瓦斯抽采，同时对瓦斯抽采浓度及流量进行监测；
步骤五：待监测抽采钻孔内瓦斯抽采指标降低至规定值后，关闭超声波换能器4，停止超声激励，将一体化装置后退一定距离d，再次进行水力割缝，水力割缝压力为8～20MPa，水量为9～18m3/h，然后进行超声激励，并观测两侧钻孔内瓦斯抽采情况；
步骤六：循环进行步骤五中的操作，直至一体化装置彻底退出钻孔，超声激励与水力割缝作用完成。
下面结合实施例对本发明的做详细描述：
首先在煤层1内采取煤样进行不同频率超声波作用下瓦斯解吸实验，确定最佳频率范围f0～f1；，而后在煤层1内施工超声激励与水力割缝措施钻孔2，措施钻孔2施工完毕后，将超声激励与水力割缝一体化装置放入措施钻孔2 内，通过高压软管7连接高压泵8，高压水经过套管10内腔进入水力割缝钻头3，并通过水力割缝钻头射流孔15作用于煤体，通过套管10的转动带动水力割缝钻头3在措施钻孔2内旋转，超声波换能器4内侧设有滚珠轴承16，保证在套管10及水力割缝钻头3旋转过程中超声波换能器4固定不动，避免电缆5发生缠绕，待水力割缝施工完毕后，采用胶囊型封孔器进行封孔，形成封孔段9，而后开启超声波发生器6，超声波频率调整至f0～f1，通过超声波换能器4作用于煤层，进行超声波激励作用，促进煤层瓦斯解吸；然后在措施钻孔2两侧施工抽采钻孔，抽采钻孔中设置瓦斯抽采管路11，瓦斯抽采管路11底部通过法兰盘12与瓦斯输送管路14连接，进行瓦斯抽采，同时通过抽采钻孔孔口设置的截止阀13进行瓦斯抽采浓度、流量监测，待监测钻孔内瓦斯抽采指标降低至规定值后，关闭超声波换能器4，停止超声激励，将一体化装置后退一定距离d，再次进行水力割缝，然后进行超声激励，并观测两侧钻孔内瓦斯抽采情况，循环以上步骤，直至一体化装置退出措施钻孔2，结束操作。
本发明通过超声激励与水力割缝的有机结合，实现了两种单项技术的优势互补，有效促进煤层瓦斯解吸，提高煤层渗透率，解决矿井瓦斯抽采技术难题，且适用于各种复杂地质条件，应用范围较广。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，包括将超声波与水力压裂进行分体式设计等。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种超声激励与水力割缝一体化装置，其特征在于，包括套管(10)，套管(10)顶部固定有水力割缝钻头(3)，水力割缝钻头(3)的周向上设有若干水力割缝钻头射流孔(15)，套管(10)底部通过高压软管(7)连接至高压泵(8)，水力割缝钻头(3)的下部设置有超声波换能器(4)，且超声波换能器(4)套设在套管(10)上，所述超声波换能器(4)通过电缆(5)连接至超声波发生器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种超声激励与水力割缝一体化装置，其特征在于，超声波换能器(4)内侧与套管(10)外侧之间设有滚珠轴承。
3.根据权利要求1所述的一种超声激励与水力割缝一体化装置，其特征在于，套管(10)外侧设有螺纹。
4.一种基于权利要求1所述的超声激励与水力割缝一体化装置的复合强化瓦斯抽采系统，其特征在于，包括设置在煤层(1)上的措施钻孔(2)，水力割缝钻头(3)及超声波换能器(4)设置在措施钻孔(2)中，措施钻孔(2)的两侧对称设置有抽采钻孔，抽采钻孔中设置有瓦斯抽采管路(11)，瓦斯抽采管路(11)的底部连接有瓦斯输送管路(14)。
5.根据权利要求4所述的一种基于超声激励与水力割缝一体化装置的复合强化瓦斯抽采系统，其特征在于，瓦斯抽采管路(11)上设置有采样口，采样口上设置有截止阀(13)。
6.根据权利要求4所述的一种基于超声激励与水力割缝一体化装置的复合强化瓦斯抽采系统，其特征在于，瓦斯抽采管路(11)的底部通过法兰盘(12)连接有瓦斯输送管路(14)。
7.一种采用权利要求4所述的复合强化瓦斯抽采系统的瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在煤层(1)取煤样进行不同频率超声波作用下瓦斯解吸实验，确定最佳频率范围f0～f1；
步骤二：在煤层(1)内施工措施钻孔(2)，措施钻孔(2)施工完毕后，将超声激励与水力割缝一体化装置放入措施钻孔(2)内，进行水力割缝；
步骤三：割缝完成后，进行封孔，开启超声波换能器(4)，频率调整至步骤一确定的频率范围内f0～f1，进行超声波激励；
步骤四：在措施钻孔(2)两侧施工抽采钻孔，并连接瓦斯抽采系统进行瓦斯抽采，同时对瓦斯抽采浓度及流量进行监测；
步骤五：待监测抽采钻孔内瓦斯抽采指标降低至规定值后，关闭超声波换能器(4)，停止超声激励，将超声激励与水力割缝一体化装置后退距离d，再次进行水力割缝，然后进行超声激励，并观测两侧钻孔内瓦斯抽采情况；
步骤六：循环进行步骤五中的操作，直至超声激励与水力割缝一体化装置彻底退出措施钻孔(2)。
8.根据权利要求7所述的一种复合强化瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤一中确定最佳频率范围f0～f1的方法为：在煤层(1)取煤样，装入实验室瓦斯吸附解吸装置，进行不同频率超声波作用下煤的瓦斯吸附解吸实验，得到瓦斯解吸曲线，根据瓦斯解吸情况，确定最佳频率范围f0～f1。
9.根据权利要求7所述的一种复合强化瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤二及步骤五中水力割缝压力为8～20MPa，水量为9～18m3/h。
10.根据权利要求7所述的一种复合强化瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤三中采用胶囊型封孔器进行封孔。
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