CN110578549B - 一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统及方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统及方法。该系统包括超高压水射流发生系统、电爆震致裂系统、微波注热系统和瓦斯抽采系统。工作时，钻机夹持绝缘套管的尾端。绝缘套管的首端伸入到瓦斯抽采孔中。钻机的旋转密封装置的输入端与超高压水泵通过纳米流体管道连接，输出端与绝缘套管的尾端连接。该系统的使用方法包括施工瓦斯抽采孔、注入纳米流体悬浮液、放电和加热等步骤。该系统将电致裂与微波注热相结合，实现了煤层致裂与热驱瓦斯的协同效果，显著提高了瓦斯解吸效率，达到了防治瓦斯灾害的目的，实现了煤炭资源的高效、安全开采。

Description

一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统及方法

技术领域

本发明涉及煤层瓦斯抽采技术领域，特别涉及一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统及方法。

背景技术

我国深部煤层普遍具有煤层透气性低、吸附瓦斯浓度大的特点，这种特点严重制约着我国煤炭资源的安全、高效开采。

利用各种措施致裂煤层增大煤层透气性，成为了治理瓦斯问题的根本方法之一。国内外学者通过模拟实验、现场实践等方法，探索出电爆震、电脉冲等措施致裂煤体。然而，煤层导电性低的特点使得电爆震、电脉冲等致裂手段的工程效果不理想，难以达到高效开采瓦斯的目的。

此外，瓦斯的产出是一个解吸、扩散与渗流的复杂过程，而温度是这一过程的主控因素之一。因此煤体温度越高，瓦斯解吸、扩散速率就会越快，使游离瓦斯的浓度增加，从而提高煤层瓦斯的抽采效率。近年来有不少学者提出了利用微波辐射对煤层进行注热的措施，微波注热可促进煤层瓦斯解吸，并在煤层内催生出微孔隙，但由于注热效率低、注热致裂效果不明显等问题，使微波注热抽采瓦斯的工程应用效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统，包括超高压水射流发生系统、电爆震致裂系统、微波注热系统和瓦斯抽采系统。

所述瓦斯抽采系统包括孔口密封器、气渣分离器和瓦斯抽采管道。所述孔口密封器为管状体。所述孔口密封器的前端开口，并固定在瓦斯抽采孔孔口的孔壁上，后端与气渣分离器连接。所述气渣分离器和瓦斯抽采管道相连。所述气渣分离器和瓦斯抽采管道之间的管路上安装有瓦斯浓度检测器和瓦斯抽采管道阀门。

所述超高压水射流发生系统包括超高压水泵和纳米流体储藏罐。所述超高压水泵和纳米流体储藏罐之间的高压管路上设置有纳米流体管道阀门。

所述电爆震致裂系统包括依次连接的放电开关、储能装置和直流电发生装置，以及电缆、放电装置、绝缘套管和封孔器。所述绝缘套管为尾端敞口首端封闭的中空管状结构。所述绝缘套管的侧壁上对称设置有两个供高压水射出的流道。所述流道的出口方向与绝缘套管的轴向垂直。所述流道与绝缘套管的内腔连通。所述放电装置通过连接架固定设置在绝缘套管的首端。所述电缆一端与放电装置，另一端与放电开关连接。工作时，钻机夹持绝缘套管的尾端。绝缘套管的首端伸入到瓦斯抽采孔中。钻机的旋转密封装置的输入端与超高压水泵通过纳米流体管道连接，输出端与绝缘套管的尾端连接。所述封孔器设置在瓦斯抽采孔的孔口处，对瓦斯抽采孔与绝缘套管之间的空隙进行密封。

所述微波注热系统包括依次连接的波导转换器、矩形波导、微波发生器、同轴波导和微波天线。所述同轴波导的外侧套设有绝热套管。所述微波天线固定设置在绝热套管的首端。所述波导转换器固定设置在绝热套管的尾端。所述微波天线的外壁上设设置有环式往复密封器。工作时，所述绝热套管的首端从孔口密封器的后端伸入瓦斯抽采孔中。所述环式往复密封器可对瓦斯抽采孔与微波天线之间的空隙进行往复式密封。

进一步，所述直流电发生装置的电压在0～50KV之间可调。所述储能装置的电容为8μF。

进一步，所述封孔器采用瓦斯抽采胶囊封孔器。

进一步，所述微波发生器的工作频率为2.2GHZ，功率为2KW。

本发明还公开一种关于上述电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统的使用方法，包括以下步骤：

1)从巷帮向煤层施工瓦斯抽采孔。向纳米流体储藏罐中灌注纳米流体悬浮液。将绝缘套管的首端伸入到瓦斯抽采孔中。

2)用封孔器对瓦斯抽采孔进行密封。

3)打开纳米流体管道阀门，启动超高压水泵。调节超高压水泵的压力至10MPa，同时启动钻机。所述钻机带动绝缘套管围绕轴心线旋转。纳米流体通过流道喷出，并附着在煤层的微孔隙和微裂隙表面。

4)注入纳米流体悬浮液2h后，关闭纳米流体管道阀门、超高压水泵和钻机。调节直流电发生装置的电压至50KV，储能装置储能。待电压稳定，启动放电开关，放电装置释放能量，致裂煤体。

5)放电1h后，关闭放电装置、直流电发生装置和放电开关。

6)重复步骤3)～5)，直至煤体形成致裂卸压带。

7)将绝缘套管与放电装置向孔口方向撤回5～6m，使放电装置与流道位于临近预卸压带处。

8)依次重复步骤3)～7)，直至煤层中最后一条预卸压带致裂完毕。将绝缘套管与封孔器撤出瓦斯抽采孔。

9)将绝热套管伸入瓦斯抽采孔内，微波天线置于第一条致裂卸压带处，环式往复密封器对微波天线上部与周围煤体进行密封。

10)采用孔口密封器对孔口密封，打开瓦斯抽采管道阀门，解吸的瓦斯通至瓦斯抽采管道中。

11)打开微波发生器微波天线对煤层进行热辐射，提高煤体温度。

12)加热4h，当瓦斯浓度检测器显示瓦斯浓度在20％以下后，关闭微波发生器。将绝热套管与微波天线向孔口方向移动5～6m。

13)重复步骤l1)～12)，直至最后一条致裂卸压带处瓦斯浓度在20％以下，撤出绝热套管与微波天线，将瓦斯抽采管道直接与瓦斯抽采孔连接，持续抽采瓦斯。

进一步，所述纳米流体悬浮液采用ZnO纳米流体。

进一步，步骤6)中，重复步骤3)～5)5～7次。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.可实现电爆震高效致裂煤体、瓦斯高效解吸的工程效果，充分发挥煤层致裂和热力驱替的协同作用，显著提高抽采效率。

B.利用超高压水泵将ZnO纳米流体溶液注入煤层，使其吸附在煤层微孔隙、微裂隙表面，提高煤体的导热系数与导电系数，能够显著提高煤体的电致裂效果与注热效果；

C.利用电爆震技术致裂周围煤体，由于ZnO纳米流体的存在，导致电爆震技术致裂煤层的效果较好，瓦斯大量解吸，并产生若干致裂卸压区域；

D.利用微波辐射产生的热量对煤层进行热辐射，提高煤层的温度，加之ZnO纳米流体的存在，大大提升了煤层温度变化速率，使吸附瓦斯快速解吸，达到高效抽采瓦斯的目的；

E.将电致裂与微波注热相结合，实现了煤层致裂与热驱瓦斯的协同效果，显著提高了瓦斯解吸效率，达到了防治瓦斯灾害的目的，实现了煤炭资源的高效、安全开采。

附图说明

图1为电爆震致裂煤层系统示意图；

图2为微波注热抽采瓦斯系统示意图。

图中：煤层1、煤层顶板2、瓦斯抽采孔3、电缆4、钻机5、放电开关6、储能装置7、直流电发生装置8、放电装置9、超高压水泵10、纳米流体管道阀门11、纳米流体储藏罐12、绝缘套管13、流道1301、封孔器16、气渣分离器17、瓦斯浓度检测器18、瓦斯抽采管道阀门19、瓦斯抽采管道20、微波天线21、波导转换器22、矩形波导23、微波发生器24、绝热套管25、同轴波导26、环式往复密封器27。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统，其特征在于：包括钻机5、超高压水射流发生系统、电爆震致裂系统、微波注热系统和瓦斯抽采系统。

所述瓦斯抽采系统包括孔口密封器、气渣分离器17和瓦斯抽采管道20。所述孔口密封器为管状体。所述孔口密封器的前端开口，并固定在瓦斯抽采孔3孔口的孔壁上，后端与气渣分离器17连接。所述气渣分离器17和瓦斯抽采管道20相连。所述气渣分离器17和瓦斯抽采管道20之间的管路上安装有瓦斯浓度检测器18和瓦斯抽采管道阀门19。

所述超高压水射流发生系统包括超高压水泵10和纳米流体储藏罐12。所述超高压水泵10和纳米流体储藏罐12之间的高压管路上设置有纳米流体管道阀门11。纳米流体是一种新型流体，在导热、导电等工程领域中具有较大的应用潜能。纳米流体是通过向液体中添加纳米颗粒材料来赋予或改善其特殊性能而获得的。纳米流体一般具有较强的吸附性、亲水性和导热性的特点。将导热性、导热性较强的纳米流体注热煤层，利用纳米流体的微体积性与强吸附性，使其吸附在煤体的微孔隙、微裂隙表面，可提高煤体的导热性与导电性，可显著提高电爆震致裂煤体与微波加热煤层的效率。以达到高效致裂煤体，促进瓦斯解吸的效果，达到提高瓦斯抽采效率的目的。

所述电爆震致裂系统包括依次连接的放电开关6、储能装置7和直流电发生装置8，以及电缆4、放电装置9、绝缘套管13和封孔器16。所述直流电发生装置8的电压在0～50KV之间可调。所述储能装置7的电容为8μF。所述绝缘套管13为尾端敞口首端封闭的中空管状结构。所述绝缘套管13的侧壁上对称设置有两个供高压水射出的流道1301。所述流道1301的出口方向与绝缘套管13的轴向垂直。所述流道1301与绝缘套管13的内腔连通。所述放电装置9通过连接架固定设置在绝缘套管13的首端。所述电缆4伸入在瓦斯抽采孔3内部的一端与放电装置9连接。所述电缆4在瓦斯抽采孔3外部的，另一端与放电开关6连接。工作时，钻机5夹持绝缘套管13的尾端。绝缘套管13的首端伸入到瓦斯抽采孔3中。钻机5的旋转密封装置的输入端与超高压水泵10通过纳米流体管道14连接，输出端与绝缘套管13的尾端连接。所述封孔器16设置在瓦斯抽采孔3的孔口处，对瓦斯抽采孔3与绝缘套管13之间的空隙进行密封。在本实施例中，所述封孔器16采用瓦斯抽采胶囊封孔器。

所述微波注热系统包括依次连接的波导转换器22、矩形波导23、微波发生器24、同轴波导26和微波天线21。所述微波发生器24的工作频率为2.2GHZ，功率为2KW。所述同轴波导26的外侧套设有绝热套管25。所述微波天线21固定设置在绝热套管25的首端。所述波导转换器22固定设置在绝热套管25的尾端。所述微波天线21的外壁上设设置有环式往复密封器27。工作时，所述绝热套管25的首端从孔口密封器的后端伸入瓦斯抽采孔3中。所述环式往复密封器27可对瓦斯抽采孔3与微波天线21之间的空隙进行往复式密封。

实施例2：

本实施例公开一种关于实施例1所述电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统的使用方法，包括以下步骤：

1)从巷帮向煤层1施工瓦斯抽采孔3。待瓦斯抽采孔3钻进至煤层顶板2中预定距离时，停止钻进。向纳米流体储藏罐12中灌注ZnO纳米流体悬浮液。将绝缘套管13的首端伸入到瓦斯抽采孔3中。本实施例利用ZnO纳米流体良好的导电性与导热性，提升了煤体的导电与导热系数，通过电爆震致裂技术与微波注热煤体的协同作用，促使煤层高效致裂与瓦斯高效解吸的实现，有效提升了瓦斯致裂解吸与注热解吸的效果，为煤层瓦斯的高效开采奠定了一定的理论基础。

2)用封孔器16对瓦斯抽采孔3进行密封。

3)打开纳米流体管道阀门11，启动超高压水泵10。调节超高压水泵10的压力至10MPa，同时启动钻机5。所述钻机5带动绝缘套管13围绕轴心线旋转。ZnO纳米流体通过流道1301喷出，并附着在煤层1的微孔隙和微裂隙表面，增大煤体的导电和导热性能。利用ZnO纳米流体的吸附性与微体积，使其吸附在煤岩体孔隙裂隙的表面，增大煤体的导热系数与导电系数。

4)注入纳米流体悬浮液2h后，关闭纳米流体管道阀门11、超高压水泵10和钻机5。调节直流电发生装置8的电压至50KV，储能装置7储能。待电压稳定，启动放电开关6，放电装置9释放能量，利用煤层1所附着纳米流体良好的导电性能强化致裂煤体，产生高效增透的效果。

5)放电1h后，关闭放电装置9、直流电发生装置8和放电开关6。

6)重复步骤3)～5)大约5-7次，直至使该位置煤体出现大量缝隙，形成致裂卸压带。

7)将绝缘套管13与放电装置9向孔口方向撤回5～6m，使放电装置9与流道1301位于相临预卸压带位置处。

8)依次重复步骤3)～7)，直至煤层1中最后一条预卸压带致裂完毕。将绝缘套管13与封孔器16撤出瓦斯抽采孔3。

9)将绝热套管25伸入瓦斯抽采孔3内，微波天线21置于第一条致裂卸压带处，环式往复密封器27对微波天线21上部与周围煤体进行密封，防止解吸瓦斯在钻孔顶部积聚。

10)采用孔口密封器对孔口密封，打开瓦斯抽采管道阀门19，将解吸的瓦斯通过气渣分离器17、瓦斯浓度检测器18、瓦斯抽采管道阀门19通至瓦斯抽采管道20中。

11)打开微波发生器24，所产生的微波依次通过矩形波导23、波导转换器22和同轴波导26，到达微波天线21，并通过微波天线21对煤层1进行热辐射，提高煤体温度。通过ZnO这种金属纳米颗粒的良好传热作用，增大了微波注热煤体的效率，达到了迅速加热煤体的效果，从而促使吸附瓦斯大量、高效解吸。

12)加热4h，当瓦斯浓度检测器18显示瓦斯浓度在20％以下后，关闭微波发生器24。将绝热套管25与微波天线21向孔口方向移动5～6m，置于临近致裂卸压带处，环式往复密封器27依旧保持在微波天线21上端。

13)重复步骤l1)～12)，直至最后一条致裂卸压带处瓦斯浓度在20％以下，撤出绝热套管25与微波天线21，将瓦斯抽采管道20直接与瓦斯抽采孔连接，持续抽采瓦斯。

Claims (7)

1.一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统，其特征在于：包括超高压水射流发生系统、电爆震致裂系统、微波注热系统和瓦斯抽采系统；

所述瓦斯抽采系统包括孔口密封器、气渣分离器(17)和瓦斯抽采管道(20)；所述孔口密封器为管状体；所述孔口密封器的前端开口，并固定在瓦斯抽采孔(3)孔口的孔壁上，后端与气渣分离器(17)连接；所述气渣分离器(17)和瓦斯抽采管道(20)相连；所述气渣分离器(17)和瓦斯抽采管道(20)之间的管路上安装有瓦斯浓度检测器(18)和瓦斯抽采管道阀门(19)；

所述超高压水射流发生系统包括超高压水泵(10)和纳米流体储藏罐(12)；所述超高压水泵(10)和纳米流体储藏罐(12)之间的高压管路上设置有纳米流体管道阀门(11)；

所述电爆震致裂系统包括依次连接的放电开关(6)、储能装置(7)和直流电发生装置(8)，以及电缆(4)、放电装置(9)、绝缘套管(13)和封孔器(16)；所述绝缘套管(13)为尾端敞口首端封闭的中空管状结构；所述绝缘套管(13)的侧壁上对称设置有两个供高压水射出的流道(1301)；所述流道(1301)的出口方向与绝缘套管(13)的轴向垂直；所述流道(1301)与绝缘套管(13)的内腔连通；所述放电装置(9)通过连接架固定设置在绝缘套管(13)的首端；所述电缆(4)一端与放电装置(9)，另一端与放电开关(6)连接；工作时，钻机(5)夹持绝缘套管(13)的尾端；绝缘套管(13)的首端伸入到瓦斯抽采孔(3)中；钻机(5)的旋转密封装置的输入端与超高压水泵(10)通过纳米流体管道(14)连接，输出端与绝缘套管(13)的尾端连接；所述封孔器(16)设置在瓦斯抽采孔(3)的孔口处，对瓦斯抽采孔(3)与绝缘套管(13)之间的空隙进行密封；

所述微波注热系统包括依次连接的波导转换器(22)、矩形波导(23)、微波发生器(24)、同轴波导(26)和微波天线(21)；所述同轴波导(26)的外侧套设有绝热套管(25)；所述微波天线(21)固定设置在绝热套管(25)的首端；所述波导转换器(22)固定设置在绝热套管(25)的尾端；所述微波天线(21)的外壁上设置有环式往复密封器(27)；工作时，所述绝热套管(25)的首端从孔口密封器的后端伸入瓦斯抽采孔(3)中；所述环式往复密封器(27)可对瓦斯抽采孔(3)与微波天线(21)之间的空隙进行往复式密封。

2.根据权利要求1所述的一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统，其特征在于：所述直流电发生装置(8)的电压在0～50KV之间可调；所述储能装置(7)的电容为8μF。

3.根据权利要求1所述的一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统，其特征在于：所述封孔器(16)采用瓦斯抽采胶囊封孔器。

4.根据权利要求1所述的一种电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统，其特征在于：所述微波发生器(24)的工作频率为2.2GHZ，功率为2KW。

5.一种关于权利要求1所述电爆震致裂协同微波热驱瓦斯抽采系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)从巷帮向煤层(1)施工瓦斯抽采孔(3)；向纳米流体储藏罐(12)中灌注纳米流体悬浮液；将绝缘套管(13)的首端伸入到瓦斯抽采孔(3)中；

2)用封孔器(16)对瓦斯抽采孔(3)进行密封；

3)打开纳米流体管道阀门(11)，启动超高压水泵(10)；调节超高压水泵(10)的压力至10MPa，同时启动钻机(5)；所述钻机(5)带动绝缘套管(13)围绕轴心线旋转；纳米流体通过流道(1301)喷出，并附着在煤层(1)的微孔隙和微裂隙表面；

4)注入纳米流体悬浮液2h后，关闭纳米流体管道阀门(11)、超高压水泵(10)和钻机(5)；调节直流电发生装置(8)的电压至50KV，储能装置(7)储能；待电压稳定，启动放电开关(6)，放电装置(9)释放能量，致裂煤体；

5)放电1h后，关闭放电装置(9)、直流电发生装置(8)和放电开关(6)；

6)重复步骤3)～5)，直至煤体形成致裂卸压带；

7)将绝缘套管(13)与放电装置(9)向孔口方向撤回5～6m，使放电装置(9)与流道(1301)位于相临预卸压带位置处；

8)依次重复步骤3)～7)，直至煤层(1)中最后一条预卸压带致裂完毕；将绝缘套管(13)与封孔器(16)撤出瓦斯抽采孔(3)；

9)将绝热套管(25)伸入瓦斯抽采孔(3)内，微波天线(21) 置于第一条致裂卸压带处，环式往复密封器(27)对微波天线(21)上部与周围煤体进行密封；

10)采用孔口密封器对孔口密封，打开瓦斯抽采管道阀门(19)，解吸的瓦斯通至瓦斯抽采管道(20)中；

11)打开微波发生器(24)微波天线(21)对煤层(1)进行热辐射，在金属纳米颗粒的辅助下，迅速提高煤体温度及传热范围；

12)加热4h，当瓦斯浓度检测器(18)显示瓦斯浓度在20％以下后，关闭微波发生器(24)；将绝热套管(25)与微波天线(21)向孔口方向移动5～6m；

13)重复步骤l1)～12)，直至最后一条致裂卸压带处瓦斯浓度在20％以下，撤出绝热套管(25)与微波天线(21)，将瓦斯抽采管道(20)直接与瓦斯抽采孔连接，持续抽采瓦斯。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述纳米流体悬浮液采用ZnO纳米流体。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤6)中，重复步骤3)～5)5～7次。

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