CN109915199B - 逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置，包括注水泵、水箱、超声波发射器、超声波控制开关、超声波发生器、液氮泵、制氮机、抽采泵和储气罐，煤层内钻设有至少两个冻融钻孔，相邻两个冻融钻孔中间的煤层内钻设有一个瓦斯抽采钻孔；每个冻融钻孔内均插设有一根注水管和液氮管，各根注水管与注水泵连接，注水泵与水箱连接；超声波发射器在每个冻融钻孔内均设置有若干个并与超声波控制开关连接，超声波控制开关与超声波发生器连接；各根液氮管与液氮泵连接，液氮泵与制氮机连接；瓦斯抽采钻孔内均插设有一根抽采管，抽采管与抽采泵连接，抽采泵与储气罐连接。本发明能够使煤层裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，增加煤层透气性，提供良好的瓦斯抽采条件。

Description

逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及煤层瓦斯抽采技术领域，具体的说，涉及一种逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置及其使用方法。

背景技术

我国是一个煤炭资源大国，富含充足的煤层气资源。煤层气储量与天然气相当，随着全球变暖问题的严重性，煤层气作为一种清洁能源受到越来越多的关注。美国、加拿大等国家以低阶煤煤层气开发为主，其煤层气产业发展好。而我国煤层气开发主要集中于高阶煤，煤层气产业发展较落后。由于高阶煤埋藏深、地压高，煤的渗透率低，瓦斯大多集中于微小孔隙，瓦斯抽采效果很差，导致我国煤层气产业相对落后。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、气体爆炸增透方法、松动爆破增透方法、水力冲孔增透方法等。但随着井下的深部开采，现有的增透方法已经无法满足现代矿井的生产需求。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置及其使用方法，本发明能够使煤层裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，增加煤层透气性，提供良好的瓦斯抽采条件。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置，包括水力压裂模块、超声波致裂模块、液氮冻融模块和瓦斯抽采模块，煤层内间隔钻设有至少两个冻融钻孔，相邻两个冻融钻孔中间的煤层内钻设有一个瓦斯抽采钻孔，冻融钻孔和瓦斯抽采钻孔的外端均通过封孔器封堵；

水力压裂模块包括注水泵和水箱，每个冻融钻孔内沿冻融钻孔的长度方向均插设有一根注水管，每根注水管的外端均穿过对应的封孔器并伸出对应的冻融钻孔，各根注水管的外端并联并与注水泵的出口端连接，注水泵的出口端设有注水控制阀门，注水泵的进口端与水箱连接；

超声波致裂模块包括超声波发射器、超声波控制开关和超声波发生器，超声波发射器分别在每个冻融钻孔内沿冻融钻孔的长度方向均匀布置有若干个，每个冻融钻孔内的各个超声波发射器通过导线依次并联并与超声波控制开关连接，超声波控制开关与超声波发生器连接；

液氮冻融模块包括液氮泵和制氮机，每个冻融钻孔内沿冻融钻孔的长度方向均插设有一根液氮管，每根液氮管的外端均穿过对应的封孔器且伸出对应的冻融钻孔，各根液氮管的外端并联并与液氮泵的出口端连接，液氮泵的出口端设有液氮控制阀门，液氮泵的进口端与制氮机连接；

瓦斯抽采模块包括抽采泵和储气罐，每个瓦斯抽采钻孔内沿瓦斯抽采钻孔的长度方向均插设有一根抽采管，每根抽采管的外端均穿过对应的封孔器并伸出对应的瓦斯抽采钻孔，各根抽采管的外端并联并与抽采泵的进口端连接，抽采泵的进口端设有抽采控制阀门，抽采泵的出口端与储气罐连接。

每个冻融钻孔内沿冻融钻孔的长度方向安装有一根支撑管，支撑管的一端插接在封孔器上，每个冻融钻孔内的各个超声波发射器等间距安装在支撑管的外侧壁上，导线穿设在支撑管内部；注水管的出口端和支撑管的另一端位于冻融钻孔的内端顶部，液氮管的出口端位于封孔器内侧且临近封孔器。

相邻两个冻融钻孔的间距为6m，冻融钻孔和瓦斯抽采钻孔的间距为3m。

超声波发生器的工作频率为20-30kHz，最大输出功率1000W。

冻融钻孔和瓦斯抽采钻孔长度为30-100m，直径为80-110mm。

逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）钻孔作业：对所在煤层间隔钻设至少两个冻融钻孔，相邻两个冻融钻孔中间的煤层钻设一个瓦斯抽采钻孔，相邻两冻融钻孔的间距为6m，冻融钻孔和瓦斯抽采钻孔的间距为3m；

（2）在冻融钻孔内安装超声波致裂模块和液氮冻融模块的相应构件，在瓦斯抽采钻孔内安装瓦斯抽采模块的相应构件；

（3）开启注水控制阀门和注水泵，注水泵通过注水管将水箱中的水抽至每个冻融钻孔内，直至每个冻融钻孔内的水压达到10MPa，停止向冻融钻孔注水并关闭注水控制阀门和注水泵，冻融钻孔内的水对煤层进行初次致裂；

（4）然后启动超声波发生器并接通超声波控制开关，每个冻融钻孔内的各个超声波发射器对所在煤层持续发射超声波，时间持续15min，对煤层进行二次致裂，以达到冲击煤层使之产生新的裂隙效果后断开超声波控制开关并关闭超声波发生器；

（5）开启液氮控制阀门、液氮泵和制氮机，通过液氮管向每个冻融钻孔内注入液氮，从而使冻融钻孔内的水冻融成冰，对煤层进行三次裂化；

（6）重复步骤（5）多次，使冻融钻孔和煤层内的水完全冻融，对煤层进行充分致裂，使煤层裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，增加煤层透气性，使煤层中的瓦斯聚集至瓦斯抽采钻孔中；

（7）打开抽采泵、储气罐及抽采控制阀门，抽采泵通过抽采管将瓦斯抽采钻孔中的瓦斯抽至储气罐内。

步骤（2）具体为：冻融钻孔和瓦斯抽采钻孔施工完成后，在每个冻融钻孔内均沿冻融钻孔的轴线方向分别插入一根注水管、一根液氮管和一根支撑管，支撑管的外侧壁上沿支撑管的长度方向等间距安装若干个超声波发射器，同时在每个瓦斯抽采钻孔内均沿瓦斯抽采钻孔的轴线方向分别插入一根抽采管管，再封孔器将冻融钻孔与瓦斯抽采钻孔的外端封堵，注水管、液氮管和支撑管分别穿过对应的封孔器并伸出对应的冻融钻孔，抽采管穿过对应的封孔器并伸出对应的瓦斯抽采钻孔；

将各根抽采管的外端并联并与抽采泵的进口端连接，抽采泵的出口端与储气罐连接，将每个冻融钻孔内的各个超声波发射器通过导线依次并联并与超声波控制开关连接，超声波控制开关与超声波发生器连接，将各根注水管的外端并联并与注水泵的出口端连接，注水泵的进口端与水箱连接，将各根液氮管的外端并联并与液氮泵的出口端连接，液氮泵的进口端与制氮机连接，在抽采泵的进口端的管道上安装抽采控制阀门，在注水泵的出口端的管道上安装注水控制阀门，在液氮泵的出口端的管道上安装液氮控制阀门。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明将水力压裂技术、超声波致裂技术、液氮冻融技术巧妙的结合起来，对所在煤层间隔钻设至少两个冻融钻孔，相邻两个冻融钻孔中间的煤层钻设一个瓦斯抽采钻孔，通过注水泵向每个冻融钻孔内注入一定压力的水，对煤层进行初次致裂；然后启动超声波发生器，每个冻融钻孔内的各个超声波发射器对所在煤层持续发射超声波，对煤层进行二次致裂；最后打开液氮泵，通过液氮管向每个冻融钻孔内注入液氮，从而使冻融钻孔内的水冻融成冰，对煤层进行三次裂化，并多次向每个冻融钻孔内注入液氮，使冻融钻孔和煤层内的水完全冻融，对煤层进行充分致裂，使煤层裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，有利于增加煤层透气性，提供良好的瓦斯抽采条件。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1所示，逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置，包括水力压裂模块、超声波致裂模块、液氮冻融模块和瓦斯抽采模块，煤层1内间隔钻设有两个冻融钻孔2，两个冻融钻孔2中间的煤层1内钻设有一个瓦斯抽采钻孔3，冻融钻孔2和瓦斯抽采钻孔3的外端均通过封孔器4封堵；

水力压裂模块包括注水泵5和水箱6，每个冻融钻孔2内沿冻融钻孔2的长度方向均插设有一根注水管7，每根注水管7的外端均穿过对应的封孔器4并伸出对应的冻融钻孔2，各根注水管7的外端并联并与注水泵5的出口端连接，注水泵5的出口端设有注水控制阀门8，注水泵5的进口端与水箱6连接；

超声波致裂模块包括超声波发射器9、超声波控制开关10和超声波发生器11，超声波发射器9分别在每个冻融钻孔2内沿冻融钻孔2的长度方向均匀布置有若干个，每个冻融钻孔2内的各个超声波发射器9通过导线12依次并联并与超声波控制开关10连接，超声波控制开关10与超声波发生器10连接；

液氮冻融模块包括液氮泵13和制氮机14，每个冻融钻孔2内沿冻融钻孔2的长度方向均插设有一根液氮管15，每根液氮管15的外端均穿过对应的封孔器4且伸出对应的冻融钻孔2，各根液氮管15的外端并联并与液氮泵13的出口端连接，液氮泵13的出口端设有液氮控制阀门16，液氮泵13的进口端与制氮机14连接；

瓦斯抽采模块包括抽采泵17和储气罐18，瓦斯抽采钻孔3内沿瓦斯抽采钻孔3的长度方向插设有一根抽采管19，抽采管19的外端穿过对应的封孔器4并伸出瓦斯抽采钻孔3，抽采管19的外端与抽采泵17的进口端连接，抽采泵17的进口端设有抽采控制阀门20，抽采泵17的出口端与储气罐18连接。

每个冻融钻孔2内沿冻融钻孔2的长度方向安装有一根支撑管21，支撑管21的一端插接在封孔器4上，每个冻融钻孔2内的各个超声波发射器9等间距安装在支撑管21的外侧壁上，导线12穿设在支撑管21内部；注水管7的出口端和支撑管21的另一端位于冻融钻孔2的内端顶部，液氮管15的出口端位于封孔器4内侧且临近封孔器4。

两个冻融钻孔2的间距为6m，冻融钻孔2和瓦斯抽采钻孔3的间距为3m。

超声波发生器10的工作频率为20-30kHz，最大输出功率1000W。

冻融钻孔2和瓦斯抽采钻孔3长度为30-100m，直径为80-110mm。

逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）钻孔作业：对所在煤层1间隔钻设至少两个冻融钻孔2，相邻两个冻融钻孔2中间的煤层1钻设一个瓦斯抽采钻孔3，相邻两冻融钻孔2的间距为6m，冻融钻孔2和瓦斯抽采钻孔3的间距为3m；

（2）在冻融钻孔2内安装超声波致裂模块和液氮冻融模块的相应构件，在瓦斯抽采钻孔3内安装瓦斯抽采模块的相应构件；

（3）开启注水控制阀门8和注水泵5，注水泵5通过注水管7将水箱6中的水抽至每个冻融钻孔2内，直至每个冻融钻孔2内的水压达到10MPa，停止向冻融钻孔2注水并关闭注水控制阀门8和注水泵5，冻融钻孔2内的水对煤层1进行初次致裂；

（4）然后启动超声波发生器10并接通超声波控制开关10，每个冻融钻孔2内的各个超声波发射器9对所在煤层1持续发射超声波，时间持续15min，对煤层1进行二次致裂，以达到冲击煤层1使之产生新的裂隙效果后断开超声波控制开关10并关闭超声波发生器10；

（5）开启液氮控制阀门16、液氮泵13和制氮机14，通过液氮管15向每个冻融钻孔2内注入液氮，从而使冻融钻孔2内的水冻融成冰，对煤层1进行三次裂化；

（6）重复步骤（5）多次，使冻融钻孔2和煤层1内的水完全冻融，对煤层1进行充分致裂，使煤层1裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，增加煤层1透气性，使煤层1中的瓦斯聚集至瓦斯抽采钻孔3中；

（7）打开抽采泵17、储气罐18及抽采控制阀门20，抽采泵17通过抽采管19将瓦斯抽采钻孔3中的瓦斯抽至储气罐18内。

步骤（2）具体为：冻融钻孔2和瓦斯抽采钻孔3施工完成后，在每个冻融钻孔2内均沿冻融钻孔2的轴线方向分别插入一根注水管7、一根液氮管15和一根支撑管21，支撑管21的外侧壁上沿支撑管21的长度方向等间距安装若干个超声波发射器9，同时在每个瓦斯抽采钻孔3内均沿瓦斯抽采钻孔3的轴线方向分别插入一根抽采管19，再封孔器4将冻融钻孔2与瓦斯抽采钻孔3的外端封堵，注水管7、液氮管15和支撑管21分别穿过对应的封孔器4并伸出对应的冻融钻孔2，抽采管19穿过对应的封孔器4并伸出对应的瓦斯抽采钻孔3；

（2）将各根抽采管19的外端并联并与抽采泵17的进口端连接，抽采泵17的出口端与储气罐18连接，将每个冻融钻孔2内的各个超声波发射器9通过导线12依次并联并与超声波控制开关10连接，超声波控制开关10与超声波发生器10连接，将各根注水管7的外端并联并与注水泵5的出口端连接，注水泵5的进口端与水箱6连接，将各根液氮管15的外端并联并与液氮泵13的出口端连接，液氮泵13的进口端与制氮机14连接，在抽采泵17的进口端的管道上安装抽采控制阀门20，在注水泵5的出口端的管道上安装注水控制阀门8，在液氮泵13的出口端的管道上安装液氮控制阀门16。

本发明通过将水力压裂技术、超声波致裂技术、液氮冻融技术巧妙的结合起来，对所在煤层1间隔钻设至少两个冻融钻孔2，相邻两个冻融钻孔2中间的煤层1钻设一个瓦斯抽采钻孔3，通过注水泵5向每个冻融钻孔2内注入一定压力的水，对煤层1进行初次致裂；然后启动超声波发生器10，每个冻融钻孔2内的各个超声波发射器9对所在煤层1持续发射超声波，对煤层1进行二次致裂；最后打开液氮泵13，通过液氮管15向每个冻融钻孔2内注入液氮，从而使冻融钻孔2内的水冻融成冰，对煤层1进行三次裂化，并多次向每个冻融钻孔2内注入液氮，使冻融钻孔2和煤层1内的水完全冻融，对煤层1进行充分致裂，使煤层1裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，有利于增加煤层1透气性，提供良好的瓦斯抽采条件。

本发明中封孔器4、超声波发射器9、超声波控制开关10、超声波发生器11以及制氮机14均为现有常规部件，具体构造和工作原理不再赘述。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置，其特征在于：包括水力压裂模块、超声波致裂模块、液氮冻融模块和瓦斯抽采模块，煤层内间隔钻设有至少两个冻融钻孔，相邻两个冻融钻孔中间的煤层内钻设有一个瓦斯抽采钻孔，冻融钻孔和瓦斯抽采钻孔的外端均通过封孔器封堵；

水力压裂模块包括注水泵和水箱，每个冻融钻孔内沿冻融钻孔的长度方向均插设有一根注水管，每根注水管的外端均穿过对应的封孔器并伸出对应的冻融钻孔，各根注水管的外端并联并与注水泵的出口端连接，注水泵的出口端设有注水控制阀门，注水泵的进口端与水箱连接；

超声波致裂模块包括超声波发射器、超声波控制开关和超声波发生器，超声波发射器分别在每个冻融钻孔内沿冻融钻孔的长度方向均匀布置有若干个，每个冻融钻孔内的各个超声波发射器通过导线依次并联并与超声波控制开关连接，超声波控制开关与超声波发生器连接；

液氮冻融模块包括液氮泵和制氮机，每个冻融钻孔内沿冻融钻孔的长度方向均插设有一根液氮管，每根液氮管的外端均穿过对应的封孔器且伸出对应的冻融钻孔，各根液氮管的外端并联并与液氮泵的出口端连接，液氮泵的出口端设有液氮控制阀门，液氮泵的进口端与制氮机连接；

瓦斯抽采模块包括抽采泵和储气罐，每个瓦斯抽采钻孔内沿瓦斯抽采钻孔的长度方向均插设有一根抽采管，每根抽采管的外端均穿过对应的封孔器并伸出对应的瓦斯抽采钻孔，各根抽采管的外端并联并与抽采泵的进口端连接，抽采泵的进口端设有抽采控制阀门，抽采泵的出口端与储气罐连接；

每个冻融钻孔内沿冻融钻孔的长度方向安装有一根支撑管，支撑管的一端插接在封孔器上，每个冻融钻孔内的各个超声波发射器等间距安装在支撑管的外侧壁上，导线穿设在支撑管内部；注水管的出口端和支撑管的另一端位于冻融钻孔的内端顶部，液氮管的出口端位于封孔器内侧且临近封孔器；

逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置的使用方法包括以下步骤：

（1）钻孔作业：对所在煤层间隔钻设至少两个冻融钻孔，相邻两个冻融钻孔中间的煤层钻设一个瓦斯抽采钻孔，相邻两冻融钻孔的间距为6m，冻融钻孔和瓦斯抽采钻孔的间距为3m；

（2）在冻融钻孔内安装超声波致裂模块和液氮冻融模块的相应构件，在瓦斯抽采钻孔内安装瓦斯抽采模块的相应构件；

（3）开启注水控制阀门和注水泵，注水泵通过注水管将水箱中的水抽至每个冻融钻孔内，直至每个冻融钻孔内的水压达到10MPa，停止向冻融钻孔注水并关闭注水控制阀门和注水泵，冻融钻孔内的水对煤层进行初次致裂；

（4）然后启动超声波发生器并接通超声波控制开关，每个冻融钻孔内的各个超声波发射器对所在煤层持续发射超声波，时间持续15min，对煤层进行二次致裂，以达到冲击煤层使之产生新的裂隙效果后断开超声波控制开关并关闭超声波发生器；

（5）开启液氮控制阀门、液氮泵和制氮机，通过液氮管向每个冻融钻孔内注入液氮，从而使冻融钻孔内的水冻融成冰，对煤层进行三次裂化；

（6）重复步骤（5）多次，使冻融钻孔和煤层内的水完全冻融，对煤层进行充分致裂，使煤层裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，增加煤层透气性，使煤层中的瓦斯聚集至瓦斯抽采钻孔中；

（7）打开抽采泵、储气罐及抽采控制阀门，抽采泵通过抽采管将瓦斯抽采钻孔中的瓦斯抽至储气罐内。

2.根据权利要求1所述的逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置，其特征在于：超声波发生器的工作频率为20-30kHz，最大输出功率1000W。

3.根据权利要求2所述的逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置，其特征在于：冻融钻孔和瓦斯抽采钻孔长度为30-100m，直径为80-110mm。

4.根据权利要求1中所述的逐级增透煤层强化瓦斯抽采装置，其特征在于：步骤（2）具体为：冻融钻孔和瓦斯抽采钻孔施工完成后，在每个冻融钻孔内均沿冻融钻孔的轴线方向分别插入一根注水管、一根液氮管和一根支撑管，支撑管的外侧壁上沿支撑管的长度方向等间距安装若干个超声波发射器，同时在每个瓦斯抽采钻孔内均沿瓦斯抽采钻孔的轴线方向分别插入一根抽采管，再封孔器将冻融钻孔与瓦斯抽采钻孔的外端封堵，注水管、液氮管和支撑管分别穿过对应的封孔器伸出对应的冻融钻孔，抽采管穿过对应的封孔器伸出对应的瓦斯抽采钻孔；

将各根抽采管的外端并联并与抽采泵的进口端连接，抽采泵的出口端与储气罐连接，将每个冻融钻孔内的各个超声波发射器通过导线依次并联并与超声波控制开关连接，超声波控制开关与超声波发生器连接，将各根注水管的外端并联并与注水泵的出口端连接，注水泵的进口端与水箱连接，将各根液氮管的外端并联并与液氮泵的出口端连接，液氮泵的进口端与制氮机连接，在抽采泵的进口端的管道上安装抽采控制阀门，在注水泵的出口端的管道上安装注水控制阀门，在液氮泵的出口端的管道上安装液氮控制阀门。