CN110485979B - 基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法 - Google Patents

基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法，共包括六个步骤；通过气源系统向位于钻孔外的二氧化碳致裂器注入二氧化碳液体；通过高压软管将高压增压注入机构、大流量中低压注入机构串联后再与二氧化碳致裂器的注入孔相连，高压增压注入机构、大流量中低压注入机构与气源系统相连；通过液压推送机将二氧化碳致裂器及囊袋式封孔器推入钻孔内，将钻孔密封；通过气源系统、高压增压注入机构向二氧化碳致裂器内注入压力为60MPa以上的二氧化碳液体；通过气源系统、大流量中低压注入机构向二氧化碳致裂器内注入压力为常压—10MPa的二氧化碳气体或液体。安全性高，操作方便，且瓦斯抽采效率高。

Description

基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法
技术领域
本发明属于煤层瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法。
背景技术
二氧化碳致裂器是应用液态二氧化碳受热气化膨胀，快速释放高压气体破断煤层，解决了以往用炸药爆破开采，预裂中毁坏性大及风险性高的缺陷，在一定程度上提高了煤矿开采和预裂的安全性，因此广泛适用于煤矿作业。
二氧化碳致裂的原理是：二氧化碳在低于31℃时以液态存在，而超越31℃时开始气化，并且随着温度的变化压力也在不断的变化。利用二氧化碳这一特点，在致裂器主管内充装一定量的液态二氧化碳(通常为1.5kg左右)，同时在致裂器主管内还安装有点火头、燃烧棒和定压破裂片，利用起爆器控制点火头引起燃烧棒燃烧，从而对液态二氧化碳加热，使液态二氧化碳瞬间气化收缩并产生高压，体积收缩600倍以上。当压力到达设定极限值时，定压破裂片破断，高压气体从释放管上的释放孔释放，作用在煤(岩)体上，从而达到煤层致裂的目的。
现有的二氧化碳致裂器相比炸药爆炸致裂，虽然在一定程度上提高了煤矿开采作业的安全性，但由于采用点火燃烧的方式，而煤层中瓦斯气体较多，对于煤矿安全生产仍存在一定的安全隐患。另外，二氧化碳致裂器内自带的液态二氧化碳较少，仅够用于煤层致裂使用。
另外，煤层致裂后还需要另外钻孔利用负压进行煤层抽采，抽采到的瓦斯气体量与煤层中实际储存的瓦斯气体量的比值较低。
发明内容
针对现有二氧化碳致裂器通过燃烧的化学方式致裂，对煤层开采仍存在一定的安全隐患，并且二氧化碳致裂器自带液态二氧化碳量较少，仅够用于煤层致裂，同时煤层中瓦斯抽采量有限的问题，本发明拟提供一种基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法，包括以下步骤：
步骤一，通过气源系统向位于钻孔外的二氧化碳致裂器注入二氧化碳液体，所述二氧化碳致裂器带有定压破裂片和释放管，内腔中不含燃烧棒、点火头及二氧化碳液体，二氧化碳致裂器预充液后的压力小于定压破裂片的设定破裂压力，预充液完成后，拆开气源系统与二氧化碳致裂器的连接；
步骤二，在二氧化碳致裂器的尾端设置有一个注入孔，通过高压软管将高压增压注入机构、大流量中低压注入机构串联后再与二氧化碳致裂器的注入孔相连，且高压增压注入机构、大流量中低压注入机构与高压软管相连的出口端各配备有一个截止阀，高压增压注入机构、大流量中低压注入机构分别通过管路与所述气源系统相连；
步骤三，通过液压推送机将二氧化碳致裂器及囊袋式封孔器推入钻孔内，囊袋式封孔器位于二氧化碳致裂器的后方，向囊袋式封孔器充气从而将钻孔密封；
步骤四，关闭大流量中低压注入机构出口端上的截止阀，打开高压增压注入机构出口端上的截止阀，通过气源系统、高压增压注入机构向二氧化碳致裂器内注入压力为60MPa以上的二氧化碳液体，使二氧化碳致裂器内的定压破裂片破裂实现高压增压物理起爆，从而实现开采煤层的致裂；
步骤五，关闭高压增压注入机构出口端上的截止阀，打开大流量中低压注入机构出口端上的截止阀，通过气源系统、大流量中低压注入机构向二氧化碳致裂器内注入压力为常压—10MPa的二氧化碳气体或液体，通过二氧化碳致裂器的释放孔排入致裂后的开采煤层内，通过二氧化碳将煤层中的瓦斯气体驱替出来，与此同时，通过另外设置的瓦斯气体抽采孔进行瓦斯气体抽采；
步骤六，持续不断地向二氧化碳致裂器内注入压力为常压—10MPa的二氧化碳气体或液体，同时进行瓦斯气体的驱替和抽采，直至抽采完毕
作为上述方案的优选，所述气源系统包括二氧化碳液化模块、二氧化碳储运罐、二氧化碳灌装组件，三者集成在同一箱体内构成气源系统。气源系统具有液化、储运和灌装功能，并采用集成式一体设计，便于管理，并且搬运到野外进行煤层抽采作业时也更加方便。
进一步优选为，沿着所述二氧化碳致裂器的释放管的长度方向和圆周方向设置有若干释放孔，一方面能进一步减少驱替的时间，提高驱替效率；另一方面也确保从各个方向进行无死角的瓦斯驱替，提高煤层中的瓦斯抽采量。
本发明的有益效果：首先对二氧化碳致裂器在钻孔外进行预充液，再采用物理方法起爆二氧化碳致裂器实现开采煤层的致裂；最后借用二氧化碳致裂器进行瓦斯气体的驱替，实现了二氧化碳致裂器的一物两用，安全性高，操作方便，且瓦斯抽采效率高。
附图说明
图1为步骤一的状态。
图2为步骤四、步骤五的状态。
图3为步骤三的状态。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
结合图1—图3所示，一种基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法，包括以下步骤：
步骤一，通过气源系统向位于钻孔外的二氧化碳致裂器4注入二氧化碳液体，二氧化碳致裂器4带有定压破裂片和释放管，内腔中不含燃烧棒、点火头及二氧化碳液体，二氧化碳致裂器4预充液后的压力小于定压破裂片设定破裂压力，预充液完成后，拆开气源系统与二氧化碳致裂器4的连接。
最好是，气源系统包括二氧化碳液化模块1、二氧化碳储运罐2、二氧化碳灌装组件3，三者集成在同一箱体内构成气源系统。该气源系统具有二氧化碳液化、储运和灌注功能，既能单独为二氧化碳致裂器4在钻孔外预先灌注二氧化碳液体(如图1所示的状态)，又能通过不同的管路与高压增压注入机构5、大流量中低压注入机构6相连，为高压增压注入机构5灌注二氧化碳液体，为大流量中低压注入机构6灌注二氧化碳液体或气体(如图2所示的状态)。
步骤二，在二氧化碳致裂器4的尾端设置有注入孔，在二氧化碳致裂器4预充液完成后，并在放入钻孔前，通过高压软管10将高压增压注入机构5、大流量中低压注入机构6串联后再与二氧化碳致裂器4的注入孔相连，高压增压注入机构5、大流量中低压注入机构6与高压软管10相连的出口端各配备有一个截止阀。高压增压注入机构5、大流量中低压注入机构6分别通过管路与气源系统相连，如图2所示。高压软管10将高压增压注入机构5、大流量中低压注入机构6串联后再与二氧化碳致裂器4的注入孔相连，减化了连接管路，降低了设备成本，且便于安装连接。
步骤三，通过液压推送机7将二氧化碳致裂器4及囊袋式封孔器8推入钻孔内，囊袋式封孔器8位于二氧化碳致裂器4的后方，向囊袋式封孔器8充气从而将钻孔密封，最好是，通过手摇增压泵9向囊袋式封孔器8充气。
步骤四，关闭大流量中低压注入机构6出口端上的截止阀，打开高压增压注入机构5出口端上的截止阀，通过气源系统、高压增压注入机构5向二氧化碳致裂器4内注入压力为60MPa以上的二氧化碳液体，使二氧化碳致裂器4内的定压破裂片破裂实现高压增压物理起爆，从而实现开采煤层的致裂。
步骤五，关闭高压增压注入机构5出口端上的截止阀，打开大流量中低压注入机构6出口端上的截止阀，通过气源系统、大流量中低压注入机构6向二氧化碳致裂器4内注入压力为常压—10MPa的二氧化碳气体或液体，通过二氧化碳致裂器4的释放孔排入致裂后的开采煤层内，通过二氧化碳将煤层中的瓦斯气体驱替出来，与此同时，通过另外设置的瓦斯气体抽采孔进行瓦斯气体抽采。
沿着二氧化碳致裂器4的释放管的长度方向和圆周方向设置有若干释放孔。
步骤六，持续不断地向二氧化碳致裂器4内注入压力为常压—10MPa的二氧化碳气体或液体，同时进行瓦斯气体的驱替和抽采，直至抽采完毕。
传统的二氧化碳致裂器内装有点火头、燃烧棒、定压破裂片和释放管，同时还盛放有液态二氧化碳，通过钻孔外的爆破控制装置进行点火，起爆后使煤层致裂，但仍需要通过钻孔利用负压抽煤层里的瓦斯气体。本发明中所用的二氧化碳致裂器4与传统的二氧化碳致裂器不同，省略了传统二氧化碳致裂器中的点火头、燃烧棒和启动控制装置，通过气源系统、高压增压注入机构5向二氧化碳致裂器4内注入高压二氧化碳液体，实现高压增压物理起爆，从而实现开采煤层的致裂。通过气源系统、大流量中低压注入机构6向二氧化碳致裂器4内注入大量的中低压二氧化碳气体或气体，通过二氧化碳致裂器4的释放孔排入致裂后的开采煤层内，实现瓦斯气体的驱替。由于煤层吸附二氧化碳气体的能力远远大于吸附瓦斯气体的能力，因此能快速将煤层中的瓦斯驱替出来，便于煤层瓦斯气体的高效抽采。

Claims (3)

1.一种基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，通过气源系统向位于钻孔外的二氧化碳致裂器注入二氧化碳液体，所述二氧化碳致裂器带有定压破裂片和释放管，内腔中不含燃烧棒、点火头及二氧化碳液体，二氧化碳致裂器预充液后的压力小于定压破裂片的设定破裂压力，预充液完成后，拆开气源系统与二氧化碳致裂器的连接；
步骤二，在二氧化碳致裂器的尾端设置有一个注入孔，通过高压软管将高压增压注入机构、大流量中低压注入机构串联后再与二氧化碳致裂器的注入孔相连，且高压增压注入机构、大流量中低压注入机构与高压软管相连的出口端各配备有一个截止阀，高压增压注入机构、大流量中低压注入机构分别通过管路与所述气源系统相连；
步骤三，通过液压推送机将二氧化碳致裂器及囊袋式封孔器推入钻孔内，囊袋式封孔器位于二氧化碳致裂器的后方，向囊袋式封孔器充气从而将钻孔密封；
步骤四，关闭大流量中低压注入机构出口端上的截止阀，打开高压增压注入机构出口端上的截止阀，通过气源系统、高压增压注入机构向二氧化碳致裂器内注入压力为60MPa以上的二氧化碳液体，使二氧化碳致裂器内的定压破裂片破裂实现高压增压物理起爆，从而实现开采煤层的致裂；
步骤五，关闭高压增压注入机构出口端上的截止阀，打开大流量中低压注入机构出口端上的截止阀，通过气源系统、大流量中低压注入机构向二氧化碳致裂器内注入压力为常压—10MPa的二氧化碳气体或液体，通过二氧化碳致裂器的释放孔排入致裂后的开采煤层内，通过二氧化碳将煤层中的瓦斯气体驱替出来，与此同时，通过另外设置的瓦斯气体抽采孔进行瓦斯气体抽采；
步骤六，持续不断地向二氧化碳致裂器内注入压力为常压—10MPa的二氧化碳气体或液体，同时进行瓦斯气体的驱替和抽采，直至抽采完毕。
2.按照权利要求1所述的基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法，其特征在于：所述气源系统包括二氧化碳液化模块、二氧化碳储运罐、二氧化碳灌装组件，三者集成在同一箱体内构成气源系统。
3.按照权利要求1所述的基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法，其特征在于：沿着所述二氧化碳致裂器的释放管的长度方向和圆周方向设置有若干释放孔。
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