CN108361061A - 低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置及方法 - Google Patents
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Abstract
低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置，包括脉冲放电反应器、电缆、高压脉冲发生器、压裂管、抽采管、高压胶管、微波发射器、同轴波导、微波转换器、微波发生器、第一封孔器、第二封孔器、注氮管、水箱、高压水泵、液氮泵和液氮罐；本发明还公开了低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透方法。本发明将水力压裂技术、电爆震技术、液氮冻融技术以及微波技术相融洽的结合起来，极大程度上的提高了煤层的渗透率、孔隙度，能够使煤层裂隙增多，提高液氮冻融效率，并进行循环作业，有利于裂隙中的冰溶化，大大改善低渗透煤层的渗透性，有助于提高瓦斯抽排的效果，大幅度减短瓦斯抽采所需的预计时间，为矿井的瓦斯抽采提供优越的前提条件。
Description
技术领域
本发明属于低渗透煤层的增透技术领域，尤其涉及一种低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置及方法。
背景技术
瓦斯赋存于矿井煤体之中，但作为一种清洁能源，主要源于我国煤层低渗透、高吸附的影响，在开采的过程中不仅投入的成本高，并且瓦斯出采率也相对较低。为了提高瓦斯抽采率，国内外相继提出多种增透方法：水力压裂增透方法、水力割缝增透方法、高能气体增透方法、控制爆破增透方法、水力冲孔增透方法等。但随着井下的深度开采，现有的增透方法将逐渐无法满足矿井的生产需求。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种将水力压裂技术、电爆震技术、液氮冻融技术以及微波技术结合起来提高增透效果的低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置，包括脉冲放电反应器、电缆、高压脉冲发生器、压裂管、抽采管、高压胶管、微波发射器、同轴波导、微波转换器、微波发生器、第一封孔器、第二封孔器、注氮管、水箱、高压水泵、液氮泵和液氮罐；
压裂管、电缆、同轴波导和注氮管伸入到冻融钻孔内，抽采管伸入到抽采钻孔内，冻融钻孔和抽采钻孔平行且相距3-8m，第一封孔器设置在冻融钻孔的孔口处将压裂管、电缆、同轴波导和注氮管外部进行密封；第二封孔器设置在抽采钻孔的孔口处将抽采管的外部进行密封，脉冲放电反应器和微波发射器均位于冻融钻孔内；
脉冲放电反应器通过连接架固定设置在压裂管的出口端，电缆在冻融钻孔内部的一端与脉冲放电反应器连接，电缆在冻融钻孔外部的一端与高压脉冲发生器连接，压裂管的进口端通过高压胶管与水箱连接，高压水泵设置在压裂管上并邻近水箱，注氮管的进口端与液氮罐连接，液氮泵设置在注氮管上并邻近液氮罐，微波发射器与同轴波导的微波输出端连接，同轴波导的微波输入端与微波转换器的微波输出端连接，微波转换器的微波输入端与微波发生器的微波输出端连接。
压裂管上设置有注水阀和压力表，注氮管上设置有注氮阀，抽采管上设置有抽采阀，注水阀和注氮阀均位于在冻融钻孔外部，抽采阀位于抽采钻孔外部。
在封孔器的外部到压裂管的出口端之间，电缆沿压裂管的外壁设置并通过防水胶布粘接，电缆与脉冲放电反应器的连接处绝缘密封，微波发射器与同轴波导之间的连接处绝缘密封。
低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置的冻融增透方法，包括以下步骤：
（1）、选择施工地点的低渗煤层，向低渗煤层施工钻出一个冻融钻孔和一个抽采钻孔，冻融钻孔和抽采钻孔平行且相距3-8m；
（2）、将脉冲放电反应器通过连接架装在压裂管的一端，将电缆一端与脉冲放电反应器连接，然后将电缆沿压裂管的长度方向使用防水胶布固定到压裂管上，将同轴波导的微波输出端与微波发射器连接，将压裂管装有脉冲放电反应器的一端、同轴波导装有微波发射器的一端和注氮管的出口端一起送入冻融钻孔中，同时将抽采管的抽采端送入到抽采钻孔内，采用第一封孔器在冻融钻孔的孔口处进行封孔，采用第二封孔器在抽采钻孔的孔口处进行封孔；
（3）、将电缆另一端与外面的高压脉冲发生器连接，将同轴波导的微波输入端与微波转换器连接，将压裂管、高压水泵和水箱连接，并在压裂管上安装注水阀和压力表，将注氮管、液氮泵和液氮罐相连，在液氮罐上安装注氮阀，将抽采管的另一端与煤矿井下的瓦斯抽釆管网连接；
（4）、开启注水阀，启动高压水泵，高压水泵将水由高压胶管和压裂管向冻融钻孔内注水，当压力表显示压力达到8Mpa时停止注水，关闭高压水泵和注水阀；
（5）、开启高压脉冲发生器的电源，对脉冲放电反应器进行充电，电压达到30-350KV时，脉冲放电反应器开始放电，在冻融钻孔内水电之间产生液电效应，发出冲击波，冲击波对低渗煤层进行破坏，形成裂隙网，放电40-60次后关闭高压脉冲发生器；
（6）、再次开启注水阀，启动高压水泵，高压水泵将水由高压胶管和压裂管向冻融钻孔内注水，当压力表显示压力再增加8Mpa后停止注水，关闭高压水泵和注水阀；
（7）、按步骤（5）和（6）重复几次使冻融钻孔内的水压不断升高至40MPa后停止；
（8）、根据压力表的指示，等待冻融钻孔内的水压再由40MPa直至到降至8MPa后，向冻融钻孔内注入液态氮使水凝结为冰；
（9）、开启微波发生器，微波通过微波转换器和同轴波导传送至微波发射器，微波发射器向冻融钻孔内辐射微波使冻结的冰迅速气化而形成高温高压水再次使低渗煤层裂化；
（10）、重复步骤（8）和（9），直至达到预定的增透效果和增透范围；
（11）、打开抽采阀，煤矿井下的瓦斯抽釆管网通过抽采管对抽采钻孔内的瓦斯进行抽采。
步骤（8）中向冻融钻孔内注入液态氮使水凝结为冰的具体过程为：开启注氮阀，启动液氮泵，液氮泵将液氮由注氮管向冻融钻孔内注入液氮，使产生裂隙网的低渗煤层形成温度梯度，低温液氮和水分接触，液氮迅速汽化，汽化的氮气体积膨胀冲击煤壁；冻融钻孔内的液氮量达到能够使低渗煤层中的水全部冻结成冰，关闭注氮阀，停止注液氮，增透低渗煤层。
采用上述技术方案，本发明将水力压裂技术、电爆震（电脉冲）技术、液氮冻融技术以及微波技术相融洽的结合起来，将水力压裂作为基础，以高能电爆震对水形成冲击波致裂煤层，接着将液氮冻融技术相结合再次致裂煤层，再将微波技术以达到辐射能对冰迅速气化再次致裂煤层，使煤层裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，同时极大程度上的提高了煤层的渗透率、孔隙度，能够使煤层裂隙增多，提高液氮冻融效率，并进行循环作业，有利于裂隙中的冰溶化，大大改善低渗透煤层的渗透性，有助于提高瓦斯抽排的效果，大幅度减短瓦斯抽采所需的预计时间，为矿井的瓦斯抽采提供优越的前提条件，在瓦斯抽采技术领域具有良好的应用前景和广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置，包括脉冲放电反应器1、电缆2、高压脉冲发生器3、压裂管4、抽采管5、高压胶管6、微波发射器7、同轴波导8、微波转换器9、微波发生器10、第一封孔器11、第二封孔器12、注氮管13、水箱14、高压水泵15、液氮泵16和液氮罐17；
压裂管4、电缆2、同轴波导8和注氮管13伸入到冻融钻孔18内，抽采管5伸入到抽采钻孔19内，冻融钻孔18和抽采钻孔19平行且相距3-8m，第一封孔器11设置在冻融钻孔18的孔口处将压裂管4、电缆2、同轴波导8和注氮管13外部进行密封；第二封孔器12设置在抽采钻孔19的孔口处将抽采管5的外部进行密封，脉冲放电反应器1和微波发射器7均位于冻融钻孔18内；
脉冲放电反应器1通过连接架固定设置在压裂管4的出口端，电缆2在冻融钻孔18内部的一端与脉冲放电反应器1连接，电缆2在冻融钻孔18外部的一端与高压脉冲发生器3连接，压裂管4的进口端通过高压胶管6与水箱14连接，高压水泵15设置在压裂管4上并邻近水箱14，注氮管13的进口端与液氮罐17连接，液氮泵16设置在注氮管13上并邻近液氮罐17，微波发射器7与同轴波导8的微波输出端连接，同轴波导8的微波输入端与微波转换器9的微波输出端连接，微波转换器9的微波输入端与微波发生器10的微波输出端连接。
压裂管4上设置有注水阀20和压力表21，注氮管13上设置有注氮阀22，抽采管5上设置有抽采阀23，注水阀20和注氮阀22均位于在冻融钻孔18外部，抽采阀23位于抽采钻孔19外部。
在封孔器的外部到压裂管4的出口端之间，电缆2沿压裂管4的外壁设置并通过防水胶布粘接，电缆2与脉冲放电反应器1的连接处绝缘密封，微波发射器7与同轴波导8之间的连接处绝缘密封。
低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置的冻融增透方法，包括以下步骤：
（1）、选择施工地点的低渗煤层24，向低渗煤层24施工钻出一个冻融钻孔18和一个抽采钻孔19，冻融钻孔18和抽采钻孔19平行且相距3-8m；
（2）、将脉冲放电反应器1通过连接架装在压裂管4的一端，将电缆2一端与脉冲放电反应器1连接，然后将电缆2沿压裂管4的长度方向使用防水胶布固定到压裂管4上，将同轴波导8的微波输出端与微波发射器7连接，将压裂管4装有脉冲放电反应器1的一端、同轴波导8装有微波发射器7的一端和注氮管13的出口端一起送入冻融钻孔18中，同时将抽采管5的抽采端送入到抽采钻孔19内，采用第一封孔器11在冻融钻孔18的孔口处进行封孔，采用第二封孔器12在抽采钻孔19的孔口处进行封孔；
（3）、将电缆2另一端与外面的高压脉冲发生器3连接，将同轴波导8的微波输入端与微波转换器9连接，将压裂管4、高压水泵15和水箱14连接，并在压裂管4上安装注水阀20和压力表21，将注氮管13、液氮泵16和液氮罐17相连，在液氮罐17上安装注氮阀22，将抽采管5的另一端与煤矿井下的瓦斯抽釆管网连接；
（4）、开启注水阀20，启动高压水泵15，高压水泵15将水由高压胶管6和压裂管4向冻融钻孔18内注水，当压力表21显示压力达到8Mpa时停止注水，关闭高压水泵15和注水阀20；
（5）、开启高压脉冲发生器3的电源，对脉冲放电反应器1进行充电，电压达到30-350KV时，脉冲放电反应器1开始放电，在冻融钻孔18内水电之间产生液电效应，发出冲击波，冲击波对低渗煤层24进行破坏，形成裂隙网，放电40-60次后关闭高压脉冲发生器3；
（6）、再次开启注水阀20，启动高压水泵15，高压水泵15将水由高压胶管6和压裂管4向冻融钻孔18内注水，当压力表21显示压力再增加8Mpa后停止注水，关闭高压水泵15和注水阀20；
（7）、按步骤（5）和（6）重复几次使冻融钻孔18内的水压不断升高至40MPa后停止；
（8）、根据压力表21的指示，等待冻融钻孔18内的水压再由40MPa直至到降至8MPa后，向冻融钻孔18内注入液态氮使水凝结为冰；
（9）、开启微波发生器10，微波通过微波转换器9和同轴波导8传送至微波发射器7，微波发射器7向冻融钻孔18内辐射微波使冻结的冰迅速气化而形成高温高压水再次使低渗煤层24裂化；
（10）、重复步骤（8）和（9），直至达到预定的增透效果和增透范围；
（11）、打开抽采阀23，煤矿井下的瓦斯抽釆管网通过抽采管5对抽采钻孔19内的瓦斯进行抽采。
步骤（8）中向冻融钻孔18内注入液态氮使水凝结为冰的具体过程为：开启注氮阀22，启动液氮泵16，液氮泵16将液氮由注氮管13向冻融钻孔18内注入液氮，使产生裂隙网的低渗煤层24形成温度梯度，低温液氮和水分接触，液氮迅速汽化，汽化的氮气体积膨胀冲击煤壁；冻融钻孔18内的液氮量达到能够使低渗煤层24中的水全部冻结成冰，关闭注氮阀22，停止注液氮，增透低渗煤层24。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置，其特征在于：包括脉冲放电反应器、电缆、高压脉冲发生器、压裂管、抽采管、高压胶管、微波发射器、同轴波导、微波转换器、微波发生器、第一封孔器、第二封孔器、注氮管、水箱、高压水泵、液氮泵和液氮罐；
压裂管、电缆、同轴波导和注氮管伸入到冻融钻孔内，抽采管伸入到抽采钻孔内，冻融钻孔和抽采钻孔平行且相距3-8m，第一封孔器设置在冻融钻孔的孔口处将压裂管、电缆、同轴波导和注氮管外部进行密封；第二封孔器设置在抽采钻孔的孔口处将抽采管的外部进行密封，脉冲放电反应器和微波发射器均位于冻融钻孔内；
脉冲放电反应器通过连接架固定设置在压裂管的出口端，电缆在冻融钻孔内部的一端与脉冲放电反应器连接，电缆在冻融钻孔外部的一端与高压脉冲发生器连接，压裂管的进口端通过高压胶管与水箱连接，高压水泵设置在压裂管上并邻近水箱，注氮管的进口端与液氮罐连接，液氮泵设置在注氮管上并邻近液氮罐，微波发射器与同轴波导的微波输出端连接，同轴波导的微波输入端与微波转换器的微波输出端连接，微波转换器的微波输入端与微波发生器的微波输出端连接。
2.根据权利要求1所述的低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置，其特征在于：压裂管上设置有注水阀和压力表，注氮管上设置有注氮阀，抽采管上设置有抽采阀，注水阀和注氮阀均位于在冻融钻孔外部，抽采阀位于抽采钻孔外部。
3.根据权利要求2所述的低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置，其特征在于：在封孔器的外部到压裂管的出口端之间，电缆沿压裂管的外壁设置并通过防水胶布粘接，电缆与脉冲放电反应器的连接处绝缘密封，微波发射器与同轴波导之间的连接处绝缘密封。
4.采用如权利要求3所述的低渗煤层电爆震及微波辅助液氮冻融增透装置的冻融增透方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、选择施工地点的低渗煤层，向低渗煤层施工钻出一个冻融钻孔和一个抽采钻孔，冻融钻孔和抽采钻孔平行且相距3-8m；
（2）、将脉冲放电反应器通过连接架装在压裂管的一端，将电缆一端与脉冲放电反应器连接，然后将电缆沿压裂管的长度方向使用防水胶布固定到压裂管上，将同轴波导的微波输出端与微波发射器连接，将压裂管装有脉冲放电反应器的一端、同轴波导装有微波发射器的一端和注氮管的出口端一起送入冻融钻孔中，同时将抽采管的抽采端送入到抽采钻孔内，采用第一封孔器在冻融钻孔的孔口处进行封孔，采用第二封孔器在抽采钻孔的孔口处进行封孔；
（3）、将电缆另一端与外面的高压脉冲发生器连接，将同轴波导的微波输入端与微波转换器连接，将压裂管、高压水泵和水箱连接，并在压裂管上安装注水阀和压力表，将注氮管、液氮泵和液氮罐相连，在液氮罐上安装注氮阀，将抽采管的另一端与煤矿井下的瓦斯抽釆管网连接；
（4）、开启注水阀，启动高压水泵，高压水泵将水由高压胶管和压裂管向冻融钻孔内注水，当压力表显示压力达到8Mpa时停止注水，关闭高压水泵和注水阀；
（5）、开启高压脉冲发生器的电源，对脉冲放电反应器进行充电，电压达到30-350KV时，脉冲放电反应器开始放电，在冻融钻孔内水电之间产生液电效应，发出冲击波，冲击波对低渗煤层进行破坏，形成裂隙网，放电40-60次后关闭高压脉冲发生器；
（6）、再次开启注水阀，启动高压水泵，高压水泵将水由高压胶管和压裂管向冻融钻孔内注水，当压力表显示压力再增加8Mpa后停止注水，关闭高压水泵和注水阀；
（7）、按步骤（5）和（6）重复几次使冻融钻孔内的水压不断升高至40MPa后停止；
（8）、根据压力表的指示，等待冻融钻孔内的水压再由40MPa直至到降至8MPa后，向冻融钻孔内注入液态氮使水凝结为冰；
（9）、开启微波发生器，微波通过微波转换器和同轴波导传送至微波发射器，微波发射器向冻融钻孔内辐射微波使冻结的冰迅速气化而形成高温高压水再次使低渗煤层裂化；
（10）、重复步骤（8）和（9），直至达到预定的增透效果和增透范围；
（11）、打开抽采阀，煤矿井下的瓦斯抽釆管网通过抽采管对抽采钻孔内的瓦斯进行抽采。
5.根据权利要求4所述的冻融增透方法，其特征在于：步骤（8）中向冻融钻孔内注入液态氮使水凝结为冰的具体过程为：开启注氮阀，启动液氮泵，液氮泵将液氮由注氮管向冻融钻孔内注入液氮，使产生裂隙网的低渗煤层形成温度梯度，低温液氮和水分接触，液氮迅速汽化，汽化的氮气体积膨胀冲击煤壁；冻融钻孔内的液氮量达到能够使低渗煤层中的水全部冻结成冰，关闭注氮阀，停止注液氮，增透低渗煤层。
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