CN109404039A - 一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备，包括：液态低温介质槽车、低温介质增压箱体、制冷管、耐低温单向阀门、液化器，在所述制冷管的内部设置有液氮回形管。所述液态低温介质槽车连接低温介质增压箱体入口，低温介质增压箱出口通过耐低温阀门一连接液氮回形管入口；所述耐低温单向阀门入口连接液氮回形管出口，耐低温单向阀门出口连接液化器入口和扩散器入口，扩散器出口连接制冷肋板；制冷肋板通过耐低温阀门二连接液氮回形管入口。采用上述设备进行抽采，可以保证在长期抽采过程中煤体的结构稳定，有效减少松软煤层瓦斯抽采钻孔施工难度，保证成孔率，提高抽采效率。
Description
技术领域
本发明涉及煤层钻孔塌孔防治技术领域，尤其是一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备及方法。
背景技术
软弱煤层因其自身煤体松软，结构强度低，在抽采孔壁周围应力集中区极易发生破碎，造成抽采孔的坍塌，造成松软煤层瓦斯抽采流量降低，纯量降低的负面效应。为了实现软弱煤层高效、长时间抽采，国内防止塌孔采用了很多探放措施和先进的施工工艺，但由于煤层赋存条件不尽相同无法实现低成本的有效防治。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备，包括：液态低温介质槽车、低温介质增压箱体、制冷管、耐低温单向阀门、液化器，在所述制冷管的内部设置有液氮回形管。
所述液态低温介质槽车通过槽车总阀门连接低温介质增压箱体入口，低温介质增压箱出口通过耐低温阀门一连接液氮回形管入口；所述耐低温单向阀门入口连接液氮回形管出口，耐低温单向阀门出口通过增压器一、制冷器一、增压器二、制冷器二连接液化器入口和扩散器入口，扩散器出口连接制冷肋板；制冷肋板通过耐低温阀门二连接液氮回形管入口，且扩散器出口连接增压器一入口，液化器出口连接低温介质增压箱体入口。
进一步，一增压泵连接低温介质增压箱体的入口。
进一步，所述制冷管外壁上设有多个翅片，内部为圆柱体空腔，空腔内设置液氮回形管。
进一步，所述制冷管外壁设有多个注水口。
进一步，在制冷管的一端设有注水接口，一煤层注水装置通过注水阀门连接注水接口。
进一步，在所述制冷管内设有铠装温度传感器一，用来监测制冷管温度。
本发明还提供了一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的方法，通过上述基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备进行防治煤层钻孔塌孔，包括以下步骤：
步骤1，在煤层中，利用水射流割缝装备在煤层中施工形成制冷钻孔和多排导向缝槽；
步骤2，打开注水阀门，利用煤层注水装置通过制冷管上的注水口对煤体进行注水。注水完成后关闭注水阀门4～5小时，待水渗入煤体微小裂隙体内并很好储留于煤体；
步骤3，打开耐低温阀门二，制冷肋板出口氮气通过制冷管上的注水口对制冷管进行残留水的吹扫；
步骤4，关闭耐低温阀门二，打开槽车总阀门，将液氮注入低温介质增压箱体内，低温介质增压箱体内液氮压力稳定后通过增压泵对液氮增压；
步骤5，打开耐低温阀门一，液氮进入制冷管中，在制冷管腔体内的液氮回形管内吸热气化，温度通过制冷管管壁外侧翅片对制冷钻孔进行降温，煤体也随之降温，煤体内水分随着煤体温度进一步降低，发生冻结；
步骤6，持续注入液氮，气化的液氮发生相变成为氮气，通过耐低温单向阀门(5)依次经过增压器一、制冷器一、增压器二、制冷器二后分别通过扩散器和液化器，液化后的液氮通入低温介质增压箱体，通过扩散器的氮气返回增压器；
步骤7，随时通过制冷管内的铠装温度传感器一监测制冷管温度，温度高于预定值时增加液氮流量，通过抽采孔内铠装温度传感器二监测抽采孔内温度，一旦低于预设值，降低制冷管温度，并可重复步骤2、3对煤层进行重复注水。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，有以下优点：
采用本发明的设备和方法，可以保证在长期抽采过程中煤体的结构稳定，有效减少松软煤层瓦斯抽采钻孔施工难度，保证成孔率，提高抽采效率。
本发明主要消耗材料为液氮，液氮气化潜热为5.56kJ/mol，气化时可吸收周围大量热量。液氮具有制备简单、原料来源广泛等优点，同时本发明施工工艺简单，自动化程度高，能较经济地解决软煤层瓦斯抽采塌孔问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明制冷管的结构示意图；
图3是图2中B部分的放大图；
图4是本发明制冷管横向剖视图；
图5是本发明制冷管的纵向剖视图。
标注说明：
1、液态低温介质槽车；2、低温介质增压箱体；4、制冷管；5、耐低温单向阀门；6、液化器；1-1、槽车总阀门；2-1、增压泵；3-1、耐低温阀门一；3-2、注水阀门；3-3、耐低温阀门二；4-1、注水口；4-2、翅片；4-3、液氮回形管；4-4、温度传感器一；4-5、注水接口；6-1、增压器一；6-2、制冷器一；6-3、增压器二；6-4、制冷器二；6-5、扩散器；6-6、制冷肋板；7、煤层注水装置；8、制冷钻孔；8-1、抽采孔；8-3、导向缝槽；8-4、温度传感器二；9、煤层；10、水射流割缝装备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细介绍。
请参见图1～5，本发明提供了一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备，包括：液态低温介质槽车1、低温介质增压箱体2、制冷管4、耐低温单向阀门5、液化器6，制冷管4的内部设置有液氮回形管4-3。
液态低温介质槽车1通过槽车总阀门1-1连接低温介质增压箱体2入口，低温介质增压箱2出口通过耐低温阀门一3-1连接液氮回形管4-3入口；一增压泵2-1连接低温介质增压箱体2的入口。
耐低温单向阀门5入口连接液氮回形管4-3出口，耐低温单向阀门5出口通过增压器一6-1、制冷器一6-2、增压器二6-3、制冷器二6-4连接液化器6入口和扩散器6-5入口，扩散器6-5出口连接制冷肋板6-6。制冷肋板6-6通过耐低温阀门二3-3连接液氮回形管4-3入口，且扩散器6-5出口连接增压器一6-1入口，液化器6出口连接低温介质增压箱体2入口。
制冷管4外壁上设有多个翅片4-2，翅片4-2呈星型排列，可以增加液氮的气化速率。制冷管4内部为圆柱体空腔，在制冷管4内部的空腔中设置有液氮回形管4-3，可以增加液氮流动路径长度，增强气化制冷效果。优选的，液氮回形管4-3有六个。
在制冷管4外壁上设有多个注水口4-1，制冷管4的内部空腔注水后，水可沿注水口4-1均匀导流至煤体，增加煤体含水率，为后期煤体冻结提供有利条件。
在制冷管4的一端设有注水接口4-5，一煤层注水装置7通过注水阀门3-2连接注水接口4-5。在制冷管4内设有铠装温度传感器一4-4，用来监测制冷管4温度。
本发明通过上述设备进行防治煤层钻孔塌孔，包括以下步骤：
步骤1，在煤层9中，利用水射流割缝装备10在煤层中施工形成制冷钻孔8和多排导向缝槽8-3，导向缝槽8-3的导向长度可以采用多次并排割缝进行控制。
步骤2，对在制冷钻孔8中施工布置的制冷管4进行高压封孔，注浆封孔段8-2长度为5-20m。打开注水阀门3-2，利用煤层注水装置7通过制冷管4上的注水口4-1对煤体进行注水；注水完成后关闭注水阀门3-2 4～5小时，待水渗入煤体微小裂隙体内并很好储留于煤体。
步骤3，打开耐低温阀门二3-3，制冷肋板6-6出口氮气通过制冷管4上的注水口4-1对制冷管进行残留水的吹扫，可以防止制冷过程中残留水冻结堵塞管路，后期无法对煤体补充性注水。
步骤4，关闭耐低温阀门二3-3，打开槽车总阀门1-1，将液氮注入低温介质增压箱体2内，低温介质增压箱体2内液氮压力稳定后通过增压泵2-1对液氮增压。
步骤5，打开耐低温阀门一3-1，液氮进入制冷管4中，在制冷管4腔体内的液氮回形管4-3内吸热气化，温度通过制冷管4管壁外侧翅片4-2对制冷钻孔8进行降温，煤体也随之降温，煤体内水分随着煤体温度进一步降低，发生冻结。制冷钻孔8周围煤体强度增加，让抽采过程中不易发生塌孔。
步骤6，持续注入液氮，气化的液氮发生相变成为氮气，通过耐低温单向阀门5依次经过增压器一6-1、制冷器一6-2、增压器二6-3、制冷器二6-4后分别通过扩散器6-5和液化器6，液化后的液氮通入低温介质增压箱体2，通过扩散器6-5的氮气返回增压器6-1。
步骤7，随时通过制冷管4内的铠装温度传感器一4-4监测制冷管4温度，温度高于预定值时增加液氮流量，通过抽采孔8-1内铠装温度传感器二8-4监测抽采孔8-1内温度，一旦低于预设值，降低制冷管4温度，并可重复步骤2、3对煤层进行重复注水。
通过采用上述设备和方法，本发明有以下有益效果：
(1)本发明中，把液氮超低温特性与煤层气抽采结合，把煤层注水与冻结技术结合，利用水冻结后对煤体结构的加固作用，高效快速解决松软煤体瓦斯抽采钻孔容易塌孔的难题。
(2)利用液氮作为低温介质，利用其较高的气化前热值的特点可快速使制冷管达到预设温度，气化的液氮可作为惰性气体对本系统进行吹扫除水，即实现了原料的多级利用也帮助设备延长使用寿命，提高制冷效率。
(3)通过氮气的多级加压冷却工艺可使气化后的氮气重新液化，实现原材料的循环利用，节约成本，提高设备工作效率。
(4)使用介质为水，在抽采结束后不会产生有毒有害物质，保护施工人员安全，不会对井下设备造成损害同时不会对煤体造成污染，安全环保，高效清洁地防治抽采孔塌孔，提高抽采效率。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (7)
1.一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备，其特征在于，包括：液态低温介质槽车(1)、低温介质增压箱体(2)、制冷管(4)、耐低温单向阀门(5)、液化器(6)，在所述制冷管(4)的内部设置有液氮回形管(4-3)；
所述液态低温介质槽车(1)通过槽车总阀门(1-1)连接低温介质增压箱体(2)入口，低温介质增压箱(2)出口通过耐低温阀门一(3-1)连接液氮回形管(4-3)入口；所述耐低温单向阀门(5)入口连接液氮回形管(4-3)出口，耐低温单向阀门(5)出口通过增压器一(6-1)、制冷器一(6-2)、增压器二(6-3)、制冷器二(6-4)连接液化器(6)入口和扩散器(6-5)入口，扩散器(6-5)出口连接制冷肋板(6-6)；制冷肋板(6-6)通过耐低温阀门二(3-3)连接液氮回形管(4-3)入口，且扩散器(6-5)出口连接增压器一(6-1)入口，液化器(6)出口连接低温介质增压箱体(2)入口。
2.根据权利要求1所述的一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备，其特征在于，一增压泵(2-1)连接低温介质增压箱体(2)的入口。
3.根据权利要求1所述的一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备，其特征在于，所述制冷管(4)外壁上设有多个翅片(4-2)，内部为圆柱体空腔，空腔内设置液氮回形管(4-3)。
4.根据权利要求1所述的一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备，其特征在于，所述制冷管(4)外壁设有多个注水口(4-1)。
5.根据权利要求3所述的一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备，其特征在于，在制冷管(4)的一端设有注水接口(4-5)，一煤层注水装置(7)通过注水阀门(3-2)连接注水接口(4-5)。
6.根据权利要求3所述的一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备，其特征在于，在所述制冷管(4)内设有铠装温度传感器一(4-4)，用来监测制冷管(4)温度。
7.一种基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的方法，其特征在于，通过权利要求1～6任一所述的基于液氮冻结法防治煤层钻孔塌孔的设备进行防治煤层钻孔塌孔，包括以下步骤：
步骤1，在煤层(9)中，利用水射流割缝装备(10)在煤层中施工形成制冷钻孔(8)和多排导向缝槽(8-3)；
步骤2，打开注水阀门(3-2)，利用煤层注水装置(7)通过制冷管(4)上的注水口(4-1)对煤体进行注水；注水完成后关闭注水阀门(3-2)4～5小时，待水渗入煤体微小裂隙体内并很好储留于煤体；
步骤3，打开耐低温阀门二(3-3)，制冷肋板(6-6)出口氮气通过制冷管(4)上的注水口(4-1)对制冷管进行残留水的吹扫；
步骤4，关闭耐低温阀门二(3-3)，打开槽车总阀门(1-1)，将液氮注入低温介质增压箱体(2)内，低温介质增压箱体(2)内液氮压力稳定后通过增压泵(2-1)对液氮增压；
步骤5，打开耐低温阀门一(3-1)，液氮进入制冷管(4)中，在制冷管(4)腔体内的液氮回形管(4-3)内吸热气化，温度通过制冷管(4)管壁外侧翅片(4-2)对制冷钻孔(8)进行降温，煤体也随之降温，煤体内水分随着煤体温度进一步降低，发生冻结；
步骤6，持续注入液氮，气化的液氮发生相变成为氮气，通过耐低温单向阀门(5)依次经过增压器一(6-1)、制冷器一(6-2)、增压器二(6-3)、制冷器二(6-4)后分别通过扩散器(6-5)和液化器(6)，液化后的液氮通入低温介质增压箱体(2)，通过扩散器(6-5)的氮气返回增压器(6-1)；
步骤7，随时通过制冷管(4)内的铠装温度传感器一(4-4)监测制冷管(4)温度，温度高于预定值时增加液氮流量，通过抽采孔(8-1)内铠装温度传感器二(8-4)监测抽采孔(8-1)内温度，一旦低于预设值，降低制冷管(4)温度，并可重复步骤2、3对煤层进行重复注水。
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