CN109252846B - 高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及煤矿井下低渗煤层增透技术，高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，其中致裂装备包括高压气体释放管、封孔胶囊和高压双层输送管，高压双层输送管包括内层的高压双层输气内管和外层的高压双层输水外管，高压双层输气内管连接高压气体释放管，且高压气体释放管上分布有若干单向气体释放孔，封孔胶囊设置在高压双层输送管外壁靠近高压气体释放管的位置；充水装置与所述高压双层输水外管连通并可向致裂孔输水；充气装置与所述封孔胶囊和高压双层输气内管连通，并可切换的向封孔胶囊或致裂孔输气，且封孔胶囊在充气后能够径向膨胀封孔。本发明还提出结合此煤体增透系统使用的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法。

Description

高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统及方法

技术领域

本发明专利涉及煤矿井下低渗煤层增透技术，是一种强化煤层瓦斯抽采方法，具体为高压气液两相混合脉动致裂方法。

背景技术

开发利用煤层气(煤层瓦斯)不仅能增加洁净能源供应量，优化能源结构，而且是保障煤矿区高瓦斯煤层安全开采的根本举措。目前，煤矿区煤层气开发主要有地面井开发、地面井上下联合开发和井下开发三种形式，其中井下开发能力约占总开发量的80％以上，其地位不可动摇。

我国煤矿约42％的开采煤层属于难抽煤层，约占煤炭产量三分之一的高瓦斯突出矿井是煤矿区煤层气开发的主体，其中约61％的煤层属于难抽煤层，95％的高瓦斯突出矿井都具有难抽煤层。随着煤矿开采深度不断延伸，煤层致密程度逐渐升级，封闭瓦斯应力大幅叠加，导致煤层透气性极差，瓦斯抽采难度加大，抽采效率极低，直接影响煤层气开发和瓦斯灾害治理效果。

面对开产现状，煤层致裂增透促抽环节显得尤为重要，目前井下常用增透技术有：深孔预裂爆破、水力化增透、传统高压空气炮、二氧化碳相变致裂等，深孔预裂爆破长钻孔装药和封孔工艺存在的问题仍然未解决，并且炸药受到严格的管制，审批、购买、运输程序复杂，给生产带来严重的不便；水力化增透技术中的水力割缝、水力压裂、水力冲孔均因操作工艺复杂、影响范围小、适用范围有限，或易形成局部高瓦斯应力集中危险区等不能广泛应用；高压空气炮和二氧化碳相变致裂具有操作简单、安全性高，无火花、低成本、无污染等优点，但因以气体作为能量传递介质，高压气体在冲击煤体接触面时自身高倍数压缩，损耗过多能量，冲击力度大减，同时还因致裂自由面小，增透效果难以发挥。

脉冲形式的压裂技术以高压水力脉动压裂应用最为广泛，较恒压下的水力压裂技术，其可利用脉冲波叠加效应增强冲击强度，提高致裂增透效果，根据能量波传递叠加原理可知，脉冲叠加后的冲击波压力一般是初始输出压力的1.4倍以上，而且具有高频震荡扰动效应，影响范围更广，扰动致裂更充分，同时实现了低压输出高压冲击致裂的目的，有效降低了经济投入、装备要求，安全性也有一定提升。但目前高压水力脉动压裂仍需采用30MPa以上的输出水压，封孔强度、致裂设备性能、水资源利用量等投入仍不小，设备庞大、操作复杂，井下复杂地质构造附近很难实施，因此，利用成本低、操作简单的高压空气作为脉冲能量源，结合水介质传递能量的优越性，不仅能提升增透效果，还能极大缩减工艺、减少经济成本，便于井下环境的应用推广。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统其可解决低渗煤层瓦斯流动阻力大、抽采影响范围小、抽采时效短、抽采能力低、抽采成本高等问题。另外，本发明还提出一种高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，本发明提出高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，包括充水装置、充气装置和致裂装备，所述致裂装备包括高压气体释放管、封孔胶囊和高压双层输送管，高压双层输送管包括内层的高压双层输气内管和外层的高压双层输水外管，高压双层输气内管端部连接高压气体释放管，且高压气体释放管上分布有若干单向气体释放孔，所述封孔胶囊设置在高压双层输送管外壁靠近高压气体释放管的位置；

所述充水装置与所述高压双层输水外管连通并可向致裂孔输水；所述充气装置与所述封孔胶囊和高压双层输气内管连通，并可切换的向封孔胶囊或致裂孔输气，且封孔胶囊在充气后能够径向膨胀封孔。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述充水装置包括高压储水泵、高压输水胶管、所述高压储水泵的出水端通过高压输水胶管与所述高压双层输水外管连通。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述充气装置包括高压空气加压泵站、高压储气装置、高压输气胶管和分支气管，所述高压空气加压泵站与高压储气装置连通，并向高压储气装置输送高压气体，所述高压储气装置通过高压输气胶管与所述高压双层输气内管连通，所述分支气管两端分别连通双层输气内管和封孔胶囊，所述双层输气内管临近封孔胶囊位置设有高压环形截止阀，所述分支气管上设有高压转换阀和高压转向阀，所述高压输气胶管上设有高压背压阀。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述煤体增透系统还包括高压三通导向阀，所述高压三通导向阀三个接口分别与高压输气胶管、高压输水胶管、以及高压双层输气内管和高压双层输水外管总体的端口连通。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述高压储气装置和/或高压输气胶管上设有压力传感器；所述高压储水泵的储水腔设有压力表；高压储水泵的出水口处具有高压截止阀。

在第二个技术方案中，本发明提出高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法，使用第一个技术方案中的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，所述高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法包括如下步骤：

步骤1、在井下岩巷底板岩层中施工穿层致裂孔进入目标煤层，在钻孔完成后利用井下压风冲洗钻孔残屑，将高压气体释放管送入钻孔指定位置，并将封孔胶囊设置在致裂孔孔口位置，封孔胶囊封堵长度大于巷道松动圈宽度；

步骤2、设定高压背压阀出口压力P1，利用高压输气胶管连接高压转换阀，并打开高压转换阀；旋转高压三通导向阀使高压双层输气内管和高压输气胶管连通，输水通道关闭；启动高压空气加压泵站，将压缩的35MPa-60MPa高压空气储存到高压储气装置中，当高压储气装置内空气压力超过P1时，高压背压阀自动打开，高压气体沿输气管路进入封孔胶囊，封孔胶囊13开始膨胀封孔，待封孔胶囊内气体压力达预定封堵压力Pf，迅速关闭高压空气加压泵，关紧高压转换阀，封孔工作完成；

步骤3、调节高压三通导向阀使高压双层输水外管路连通，高压双层输气内管截止，打开高压环形截止阀；将井下水管连入高压储水泵，或者将井下压风系统和充水装置混合接入高压储水泵，通过高压储水泵向致裂孔充填液态水，高压输水胶管压力Ps应大于致裂孔的最大静水压力0.01h水压，h为致裂孔的垂高，保证液态水达到致裂孔底；当压力表示数稳定后，且表压大于静水压0.01h，表明致裂孔内已充满液态水，关闭高压环形截止阀和高压截止阀，输水工作完成；

步骤4、再次调节高压三通导向阀使高压双层输气内管连通，高压双层输水外管截止；重新设定高压背压阀压力P2，P2应大于目标煤层起裂压力P3，小于封孔胶囊内的封堵压力Pf；启动高压空气加压泵站工作系统，设定输气周期，当高压储气装置内空气压力大于高压背压阀压力P2，高压空气沿高压双层输气内管突破单向气体释放孔进入致裂孔，气体能量在水介质中向煤孔裸面锤击，造成煤体疲劳损伤；

步骤5、当致裂孔内压力稳定一段时间后出现下降趋势，表明致裂孔周围卸压漏水，煤体已经被高压空气脉充水波击破，新生大量交织裂隙网；此时打开高压转换阀卸除封孔胶囊。

在第二个技术方案中，作为优选的，在步骤5后还包括：

步骤6、利用高压空气脉动水波冲洗孔内煤体裂缝中残留的煤屑，并将软煤全部冲出致裂孔外，扩大致裂孔的卸压空间，提升煤体卸压效果。

使用本发明的有益效果是：

(1)该技术集高压空气炮和水力增透的优势为一体，针对传统高压空气炮的气相介质压缩倍数高、高压气体在钻孔内释放后因自身压缩损失能量大、冲击能力削弱的问题，提出以液相替代气相作为能量传递介质，利用液体不可压缩特性降低介质输送过程中的能量损耗，最大化激发能量冲破煤体的能力。

(2)高倍压缩气体以脉冲式高压空气释放，在液相介质中传递高压气体能量，经过反复交替叠加形成高频振荡波，实现煤体周期性锤击，直至煤岩疲劳损伤程度超越自身抵抗能力，发生剪切破坏，新生大量裂隙，有效沟通原生裂隙，大幅增加煤层透气性。脉充水波叠加后的冲击压力一般是传统高压气体压力的1.4～2倍，破坏力更强，扰动范围更大。

(3)致裂孔填充静压状态下的液态水，不采用高压水，不但能够发挥类似水力增透技术以水作为能量传递介质的优势，还减省了高压水力设备的使用，极大降低经济成本投入，简略操作工艺，提高安全和生产效率。

附图说明

图1为本发明煤体增透系统的现场施工作业平面图。

图2为本发明煤体增透系统中致裂孔安设致裂装备的放大图。

附图标记包括：

1-高压空气加压泵站；2-高压储气装置；3-压力传感器；4-高压输气胶管；5-高压背压阀；6-高压三通导向阀；7-高压转向阀；8-高压转换阀；9-高压双层输气内管；10-高压双层输水外管；11-高压环形截止阀；12-致裂孔；13-封孔胶囊；14-高压气体释放管；15-单向气体释放孔；16-底板岩层；17-目标煤层；18-液态水；19-压力表；20-接口；21-高压储水泵；22-高压截止阀；23-高压输水胶管。

具体实施方式

以下结合附图1、附图2对本发明进行详细的描述。

实施例1

本实施例提出高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，包括充水装置、充气装置和致裂装备，致裂装备包括高压气体释放管14、封孔胶囊13和高压双层输送管，高压双层输送管包括内层的高压双层输气内管9和外层的高压双层输水外管10，高压双层输气内管9端部连接高压气体释放管14，且高压气体释放管14上分布有若干单向气体释放孔15，封孔胶囊13设置在高压双层输送管外壁靠近高压气体释放管14的位置；充水装置与高压双层输水外管10连通并可向高压双层输水外管10输水；充气装置与封孔胶囊13和高压双层输气内管9连通，并可切换的向封孔胶囊13或高压双层输气内管9输气，且封孔胶囊13在充气后能够径向膨胀封孔。

本系统通过封孔胶囊13设置在致裂孔12孔口，然后通过充气装置向致裂装备向封孔胶囊13充气，通过封孔胶囊13封堵致裂孔12孔口，然后通过充水装置和致裂装备向致裂孔12内充水，最后通过充气装置和致裂装备向致裂孔12内脉冲充气，气体能量在水介质中向煤孔裸面锤击，以脉动水波式不断叠加累积造成目标煤层17破裂。

在本实施例中，充水装置包括高压储水泵21、高压输水胶管23、高压储水泵21的出水端通过高压输水胶管23与高压双层输水外管10连通。高压储水泵21和高压输水胶管23的连接处安装高压截止阀22。高压储水泵21可控制的向高压双层输水外管10输送液态水18。

充气装置包括高压空气加压泵站1、高压储气装置2、高压输气胶管4和分支气管，高压空气加压泵站1与高压储气装置2连通，并向高压储气装置2输送高压气体，高压储气装置2通过高压输气胶管4与高压双层输气内管9连通，分支气管两端分别连通双层输气内管和封孔胶囊13，双层输气内管临近封孔胶囊13位置设有高压环形截止阀11，分支气管上设有高压转换阀8和高压转向阀7，高压输气胶管4上设有高压背压阀5。

本装置通过高压空气加压泵站1向高压储气装置2输送高压气体，高压气体被存放在高压储气装置2内，高压储气装置2通过高压输气胶管4向致裂装备中的封孔胶囊13或高压双层输气内管9输送高压气体，其中高压输气胶管4上设置的高压背压阀5，可控制气体输送压力。

煤体增透系统还包括高压三通导向阀6，高压三通导向阀6三个接口分别与高压输气胶管4、高压输水胶管23、以及高压双层输气内管9和高压双层输水外管10总体端口连通。通过高压三通导向阀6可切换向致裂设备输送高压气和液态水18。

高压储气装置2和/或高压输气胶管4上设有压力传感器3，压力传感器3可检测气体压力；高压储水泵21的储水腔设有压力表19，可监控高压储水泵21内储水压力；高压储水泵21的出水口处具有高压截止阀22，控制高压储水泵21出水。接口20用于向高压储水泵21接入外来水。

实施例2

本实施例提出高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法，使用实施例1中的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法包括如下步骤：

步骤1、在井下岩巷底板岩层16中施工穿层致裂孔12进入目标煤层17，旁侧可布置控制孔，在钻孔完成后利用井下压风冲洗钻孔残屑，将高压气体释放管14连接到高压双层输水外管10和高压双层输气内管9，然后整体从封孔胶囊13的纵向环心穿过，将高压气体释放管14和封孔胶囊13一起送入致裂孔12内，通过向封孔胶囊13充入高压气体，实现致裂孔12封孔，并将封孔胶囊13牢固在高压双层输送管的合理位置，随后一起送入钻孔指定位置，封孔胶囊13封堵长度必须大于巷道松动圈宽度，一般不小于15m；

步骤2、设定高压背压阀出口压力P1，利用高压输气胶管4连接高压转向阀7和高压转换阀8，并依次将其打开；旋转高压三通导向阀6使高压双层输气内管9连通，输水通道关闭；启动高压空气加压泵站1工作系统，将压缩的35MPa-60MPa高压空气储存到高压储气装置2中，当高压储气装置2内空气压力超过P1时，高压背压阀自动打开，高压气体沿输气管路进入封孔胶囊13，封孔胶囊13开始膨胀封孔，待封孔胶囊13内气体压力达预定封堵压力Pf，迅速关闭高压空气加压泵系统，关紧高压转换阀8和高压转向阀7，封孔工作完成；

步骤3、调节高压三通导向阀6使高压双层输水外管10路连通，高压双层输气内管9截止，打开高压环形截止阀11；将井下水管连入高压储水泵21，或者将井下压风系统和输水系统混合接入高压储水泵21，打开高压截止阀22，向致裂孔12充填液态水18，若水管压力Ps小于致裂孔12的最大静水压力0.01h水压，h为致裂孔12的垂高，保证液态水18达到致裂孔12底；当高压储水泵21上的压力表19示数稳定后，且表压大于静水压0.01h，表明致裂孔12内已充满液态水18，关闭高压环形截止阀11和高压截止阀22，输水工作完成；

步骤4、再次调节高压三通导向阀6使高压双层输气内管9连通，高压双层输水外管10截止；重新设定高压背压阀压力P2，P2应大于目标煤层17起裂压力P3，小于封孔胶囊13内的封堵压力Pf；启动高压空气加压泵站1工作系统，设定输气周期，当高压储气装置2内空气压力大于高压背压阀压力P2，高压空气沿高压双层输气内管9突破单向气体释放孔15进入致裂孔12，气体能量在水介质中向煤孔裸面锤击，造成煤体疲劳损伤；高压储气装置2周期性释放压力为P2的高压空气，空气能量在水介质中以脉动水波式不断叠加累积，形成高频振荡扰动的脉动气液两相冲击波，大规模间歇式扰动、破坏煤体，达到气液两相脉动致裂；

步骤5、当致裂孔12内压力稳定一段时间后出现下降趋势，表明致裂孔12周围卸压漏水，煤体已经被高压空气脉充水波击破，新生大量交织裂隙网；此时打开高压转换阀8卸除封孔胶囊13，利用高压空气脉动水波冲洗孔内煤体裂缝中残留的煤屑，尽量将软煤全部冲出孔外，扩大致裂孔12的卸压空间，提升煤体卸压效果；

最后，增透工艺完成后，卸除所有增透设备，将致裂孔12连入抽采系统，实施抽采。

结合实施例1、实施例2技术方案，本技术具有以下技术效果：

1.该技术集高压空气炮和水力增透的优势为一体，针对传统高压空气炮的气相介质压缩倍数高、高压气体在钻孔内释放后因自身压缩损失能量大、冲击能力削弱的问题，提出以液相替代气相作为能量传递介质，利用液体不可压缩特性降低介质输送过程中的能量损耗，最大化激发能量冲破煤体的能力。

2.高倍压缩气体以脉冲式高压空气释放，在液相介质中传递高压气体能量，经过反复交替叠加形成高频振荡波，实现煤体周期性锤击，直至煤岩疲劳损伤程度超越自身抵抗能力，发生剪切破坏，新生大量裂隙，有效沟通原生裂隙，大幅增加煤层透气性。脉充水波叠加后的冲击压力一般是传统高压气体压力的1.4～2倍，破坏力更强，扰动范围更大。

3.致裂孔12填充静压状态下的液态水18，不采用高压水，不但能够发挥类似水力增透技术以水作为能量传递介质的优势，还减省了高压水力设备的使用，极大降低经济成本投入，简略操作工艺，提高安全和生产效率。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，其特征在于：包括充水装置、充气装置和致裂装备，所述致裂装备包括高压气体释放管、封孔胶囊和高压双层输送管，高压双层输送管包括内层的高压双层输气内管和外层的高压双层输水外管，高压双层输气内管连接高压气体释放管，且高压气体释放管上分布有若干单向气体释放孔，所述封孔胶囊设置在高压双层输送管外壁靠近高压气体释放管的位置；

所述充水装置与所述高压双层输水外管连通并可向致裂孔输水；所述充气装置与所述封孔胶囊和高压双层输气内管连通，并可切换的向封孔胶囊或致裂孔输气，且封孔胶囊在充气后能够径向膨胀封孔。

2.根据权利要求1所述的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，其特征在于：所述充水装置包括高压储水泵、高压输水胶管、所述高压储水泵的出水端通过高压输水胶管与所述高压双层输水外管连通。

3.根据权利要求2所述的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，其特征在于：所述充气装置包括高压空气加压泵站、高压储气装置、高压输气胶管和分支气管，所述高压空气加压泵站与高压储气装置连通，并向高压储气装置输送高压气体，所述高压储气装置通过高压输气胶管与所述高压双层输气内管连通，所述分支气管两端分别连通双层输气内管和封孔胶囊，所述双层输气内管临近封孔胶囊位置设有高压环形截止阀，所述分支气管上设有高压转换阀和高压转向阀，所述高压输气胶管上设有高压背压阀。

4.根据权利要求3所述的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，其特征在于：所述煤体增透系统还包括高压三通导向阀，所述高压三通导向阀三个接口分别与高压输气胶管、高压输水胶管、以及高压双层输气内管和高压双层输水外管总体的端口连通。

5.根据权利要求4所述的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，其特征在于：所述高压储气装置和/或高压输气胶管上设有压力传感器；所述高压储水泵的储水腔设有压力表；高压储水泵的出水口处具有高压截止阀。

6.高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法，其特征在于：使用权利要求5所述的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，所述高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法包括如下步骤：

步骤1、在井下岩巷底板岩层中施工穿层致裂孔进入目标煤层，在钻孔完成后利用井下压风冲洗钻孔残屑，将高压气体释放管送入钻孔指定位置，并将封孔胶囊设置在致裂孔孔口位置，封孔胶囊封堵长度大于巷道松动圈宽度；

步骤2、设定高压背压阀出口压力P1，利用高压输气胶管连接高压转换阀，并打开高压转换阀；旋转高压三通导向阀使高压双层输气内管和高压输气胶管连通，输水通道关闭；启动高压空气加压泵站，将压缩的35MPa-60MPa高压空气储存到高压储气装置中，当高压储气装置内空气压力超过P1时，高压背压阀自动打开，高压气体沿输气管路进入封孔胶囊，封孔胶囊13开始膨胀封孔，待封孔胶囊内气体压力达预定封堵压力Pf，迅速关闭高压空气加压泵，关紧高压转换阀，封孔工作完成；

步骤3、调节高压三通导向阀使高压双层输水外管路连通，高压双层输气内管截止，打开高压环形截止阀；将井下水管连入高压储水泵，或者将井下压风系统和充水装置混合接入高压储水泵，提高输水压力，通过高压储水泵向致裂孔充填液态水，高压输水胶管压力Ps大于致裂孔的最大静水压力0.01h水压，h为致裂孔的垂高，保证液态水达到致裂孔底；当压力表示数稳定后，且表压大于静水压0.01h，表明致裂孔内已充满液态水，关闭高压环形截止阀和高压截止阀，输水工作完成；

步骤4、再次调节高压三通导向阀使高压双层输气内管连通，高压双层输水外管截止；重新设定高压背压阀压力P2，P2应大于目标煤层起裂压力P3，小于封孔胶囊内的封堵压力Pf；启动高压空气加压泵站工作系统，设定输气周期，当高压储气装置内空气压力大于高压背压阀压力P2，高压空气沿高压双层输气内管突破单向气体释放孔进入致裂孔，气体能量在水介质中向煤孔裸面锤击，造成煤体疲劳损伤；

步骤5、当致裂孔内压力稳定一段时间后出现下降趋势，表明致裂孔周围卸压漏水，煤体已经被高压空气脉充水波击破，新生大量交织裂隙网；此时打开高压转换阀卸除封孔胶囊。

7.根据权利要求6所述的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法，其特征在于，在步骤5后还包括：

步骤6、利用高压空气脉动水波冲洗孔内煤体裂缝中残留的煤屑，并将软煤全部冲出致裂孔外，扩大致裂孔的卸压空间，提升煤体卸压效果。