CN110485980B - 本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统，包括二氧化碳致裂器、气源系统、高压增压注入机构、大流量中低压注入机构、第一矿用高压软管和第二矿用高压软管，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，气源系统能向位于钻孔外的二氧化碳致裂器注入二氧化碳气体；在二氧化碳致裂器的尾端设置有两个大小不同的注入孔，小注入孔与高压增压注入机构相连，大注入孔与大流量中低压注入机构相连，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。能采用物理方法起爆二氧化碳致裂器实现开采煤层的致裂，并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。

Description

本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统

技术领域

本发明属于煤层瓦斯抽采设备技术领域，具体涉及一种安全型的二氧化碳致裂及驱替一体系统。

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。

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，仅够用于煤层致裂的局限性，本发明拟提供一种本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统，包括二氧化碳致裂器、气源系统、高压增压注入机构、大流量中低压注入机构、第一矿用高压软管和第二矿用高压软管，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，第二矿用高压软管的内径大于第一矿用高压软管的内径，所述气源系统能向位于钻孔外的二氧化碳致裂器注入二氧化碳液体，且二氧化碳致裂器预充液后的压力小于定压破裂片设定破裂压力；在所述二氧化碳致裂器的尾端设置有两个大小不同的注入孔，当二氧化碳致裂器的小注入孔通过第一矿用高压软管与高压增压注入机构相连，二氧化碳致裂器的大注入孔通过第二矿用高压软管与大流量中低压注入机构相连，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，且二氧化碳致裂器被推送入钻孔内时，气源系统、高压增压注入机构能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；气源系统、大流量中低压注入机构能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进行瓦斯驱替。

作为上述方案的优选，所述第一矿用高压软管、第二矿用高压软管上分别设置有单向截止阀，当气源系统、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时，第一矿用高压软管上的单向截止阀处于打开状态，第二矿用高压软管上的单向截止阀处于关闭状态；当气源系统、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时，第二矿用高压软管上的单向截止阀处于打开状态，第一矿用高压软管上的单向截止阀处于关闭状态。

进一步优选为，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，所述二氧化碳致裂器释放管上至少有两个同轴设置的释放孔，每个释放孔内设置有一个水囊，所述水囊的破裂压力小于定压破裂片的破裂压力。增设水囊，当大流量中低压的二氧化碳气体或液体开始通过释放孔时，会撞击水囊使水囊瞬间破裂形成射流，从而提高流体的瞬间动能，最终提高瓦斯的驱替效果。

本发明的有益效果：能通过气源系统对在钻孔外的二氧化碳致裂器进行预充液，通常预充液后的压力比定压破裂片的破裂压力小10Mpa左右，再将二氧化碳致裂器推送入钻孔内继续充液直至达到定压破裂片的破裂压力，实现采用物理方法起爆二氧化碳致裂器使开采煤层致裂；之后再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；摒弃了传统的化学燃烧起爆的方式，安全性高，操作方便，由于煤层对CO₂的吸附能力是瓦斯的50倍，瓦斯抽采效率高。

附图说明

图1为气源系统与位于钻孔外的二氧化碳致裂器直接相连的状态。

图2为气源系统与位于钻孔外的二氧化碳致裂器间接相连的状态。

图3为二氧化碳致裂器、封孔器、液压推送机、增压泵的布置示意图。

图4为二氧化碳致裂器的结构示意图。

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1—图3所示，一种本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统，主要由二氧化碳液化模块1、二氧化碳储运罐2、二氧化碳灌装组件3、二氧化碳致裂器4、高压增压注入机构5、大流量中低压注入机构6、液压推送机7、封孔器8、增压泵9、第一矿用高压软管10、第二矿用高压软管11组成。

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)。

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，气源系统能向位于钻孔外的二氧化碳致裂器4注入二氧化碳气体(如图1所示)，且二氧化碳致裂器4预充液后的压力小于定压破裂片设定破裂压力。通过气源系统向钻孔外的二氧化碳致裂器4进行预充液，，预充液完成后，拆开气源系统与二氧化碳致裂器4的连接。

如图2所示，在二氧化碳致裂器4的尾端设置有两个大小不同的注入孔，当二氧化碳致裂器4的小注入孔通过第一矿用高压软管10与高压增压注入机构5相连，二氧化碳致裂器4的大注入孔通过第二矿用高压软管11与大流量中低压注入机构6相连，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，且二氧化碳致裂器4被推送入钻孔内时，气源系统、高压增压注入机构5能向二氧化碳致裂器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。气源系统、大流量中低压注入机构6能向二氧化碳致裂器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的驱替出来，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。第二矿用高压软管11的内径大于第一矿用高压软管10的内径。

二氧化碳致裂器4在钻孔外预充液完成后，并在放入钻孔前，将二氧化碳致裂器4、第一矿用高压软管10、高压增压注入机构5、第二矿用高压软管11、大流量中低压注入机构6、气源系统均连接完毕。连接完毕后，如图3所示，通过液压推送机7将二氧化碳致裂器4及封孔器8推入钻孔内，封孔器8固定连接在二氧化碳致裂器4的后方。最好是，封孔器8采用囊袋式结构，并通过手摇增压泵9向囊袋式封孔器8充气。第一矿用高压软管10、第二矿用高压软管11穿过封孔器8与二氧化碳致裂器4相连。比如，二氧化碳致裂器4放入钻孔内深度约为50m，囊袋式封孔器8放入钻孔内深度约为40m。采用囊袋式封孔器8进行钻孔密封，能避免煤层驱替过程中的二氧化碳气体经钻孔流出。在煤层致裂及驱替过程中，二氧化碳致裂器4及囊袋式封孔器8均位于钻孔内，而气源系统、高压增压注入机构5、大流量中低压注入机构6、手摇增压泵9均位于钻孔外。

最好是，第一矿用高压软管10、第二矿用高压软管11上分别设置有单向截止阀，当气源系统、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时，第一矿用高压软管10上的单向截止阀处于打开状态，第二矿用高压软管11上的单向截止阀处于关闭状态；当气源系统、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时，第二矿用高压软管11上的单向截止阀处于打开状态，第一矿用高压软管10上的单向截止阀处于关闭状态。

如图4所示，二氧化碳致裂器4的主体由爆破筒4b和释放管4c通过螺纹旋合而成，在螺纹旋合的根部装有定压破裂片4d和四氟垫片4e。二氧化碳致裂器4释放管上至少有两个同轴设置的释放孔4a，每个释放孔4a内设置有一个水囊12，水囊12的破裂压力小于定压破裂片的破裂压力。增设水囊，当大流量中低压的二氧化碳气体或液体开始通过释放孔时，会撞击水囊使水囊瞬间破裂形成射流，从而提高流体的瞬间动能，最终提高瓦斯的驱替效果。

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，能通过气源系统、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气体，实现高压增压物理起爆，从而实现开采煤层的致裂。能通过气源系统、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，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 (4)

1.一种本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统，包括二氧化碳致裂器，其特征在于：还包括气源系统、高压增压注入机构、大流量中低压注入机构、第一矿用高压软管和第二矿用高压软管，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，第二矿用高压软管的内径大于第一矿用高压软管的内径，所述气源系统能向位于钻孔外的二氧化碳致裂器注入二氧化碳液体，且二氧化碳致裂器预充液后的压力小于定压破裂片设定破裂压力；在所述二氧化碳致裂器的尾端设置有两个大小不同的注入孔，当二氧化碳致裂器的小注入孔通过第一矿用高压软管与高压增压注入机构相连，二氧化碳致裂器的大注入孔通过第二矿用高压软管与大流量中低压注入机构相连，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，且二氧化碳致裂器被推送入钻孔内时，气源系统、高压增压注入机构能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；气源系统、大流量中低压注入机构能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进行瓦斯驱替。

2.按照权利要求1所述的本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统，其特征在于：所述第一矿用高压软管、第二矿用高压软管上分别设置有单向截止阀，当气源系统、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时，第一矿用高压软管上的单向截止阀处于打开状态，第二矿用高压软管上的单向截止阀处于关闭状态；当气源系统、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时，第二矿用高压软管上的单向截止阀处于打开状态，第一矿用高压软管上的单向截止阀处于关闭状态。

3.按照权利要求1所述的本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统，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。

4.按照权利要求1所述的本质安全型二氧化碳致裂及驱替一体系统，其特征在于：所述二氧化碳致裂器释放管上至少有两个同轴设置的释放孔，每个释放孔内设置有一个水囊，所述水囊的破裂压力小于定压破裂片的破裂压力。

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