CN110617047A - 基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法，属于瓦斯治理技术领域。该方法在回采工作面上顺槽布置倾向钻孔，然后将倾向钻孔并入抽采管网进行瓦斯抽采；待工作面瓦斯抽采量发生衰减后，对倾向钻孔进行检测，标识抽采失效的钻孔，同时在回采工作面回撤通道或回风大巷内沿煤层走向方向施工长距离定向钻孔作为液氮的注入孔，然后将液氮注入到长距离定向钻孔内，通过检测标识抽采失效的钻孔内的温度判断该钻孔是否为液氮影响钻孔，若为液氮影响钻孔，则将高温空气注入到该钻孔内，使钻孔周围煤体在急冻遇热的条件下发生破裂，提高煤体渗透特性。本发明提高了瓦斯抽采量，且工艺简单，作业成本低。

Description

基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法

技术领域

本发明属于瓦斯治理技术领域，涉及一种基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法。

背景技术

煤炭工业作为经济社会发展提供了重要支撑。尽管新能源产业方兴未艾，但目前市场份额较小，并未动摇煤炭行业的主力优势。煤矿瓦斯(又称“煤层气”)是煤伴生且主要以吸附状态储集于煤层中的一种非常规天然气，其主要成分为甲烷，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。瓦斯是威胁矿井安全生产的主要因素，但同时又是一种清洁能源。在国际能源局势趋紧的情况下，作为一种优质高效清洁的能源，煤矿抽采瓦斯大规模开发利用的前景诱人。煤矿抽采瓦斯的开发利用还发挥着一举多得的效果：①提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；②有效减排温室气体，产生良好的环保效应；③作为一种高效、洁净的能源，能产生巨大的经济效益。然而，我国诸多高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井的煤层瓦斯地质条件复杂，且渗透性较差，致使常规的工作面瓦斯治理工作往往与煤巷掘进、煤炭的生产呈现“短兵相接”的局面，不仅降低了矿井瓦斯治理的效率，而且易造成矿井采掘比例严重失调。

因此，研究高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井高效抽采瓦斯技术，使得瓦斯灾害防控与煤矿井下的采、掘作业相得益彰，已成为新形势下我国煤炭工业发展亟需解决的关键问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂联合抽采煤层瓦斯的方法，解决高瓦斯或具有煤与瓦斯突出危险性的回采工作面瓦斯抽采量衰减快的问题。该方法可提高煤体的渗透特性，快速降低工作面煤体瓦斯含量，解决高瓦斯或煤与瓦斯突出煤层高效抽采瓦斯的难题，使煤巷快速掘进与瓦斯高效抽采相得益彰，不仅能够提高矿井的安全生产水平，还能保障高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井“采、掘、抽”的有序衔接。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法，具体包括以下步骤：

S1：在回采工作面上顺槽掘进期间，沿回采工作面的倾向方向，施工大面积的倾向钻孔或定向钻孔对工作面煤体以及相邻工作面上顺槽区域内的煤体进行预抽，并在抽采管道内安设瓦斯流量和浓度的测定装置，用于监测工作面瓦斯抽采情况；

S2：预抽一定时间后，工作面煤体瓦斯抽采量将发生衰减，此时对回采工作面上顺槽内施工的瓦斯抽采钻孔进行检测，若钻孔抽采瓦斯浓度偏低，且抽采瓦斯量小，则判断该钻孔为抽采失效钻孔，并关闭该钻孔；然后在回采工作面的回撤通道或回风大巷内，沿工作面的走向方向施工2～3个长距离定向钻孔作为液氮的注入孔；

S3：待液氮的注入孔施工完毕后，将煤矿井下的压风管放置在孔口，并向其内部注入高压空气将钻孔内的水排出；然后向液氮的注入孔的内部注入液氮；

S4：对回采工作面上顺槽内的失效钻孔再次进行检测，若钻孔内的温度低于或接近于0℃，则判断该钻孔为受注入液氮影响的有效钻孔；然后将经由地面输送至井下的高温空气与受注入液氮影响的有效钻孔连接，使其进入到钻孔内，进而导致煤体在急冻的情况下因遇热而产生大量的次生裂隙，从而提高煤体的渗透特性；

S5：将注入高温空气后的钻孔与煤矿井下的瓦斯抽采管道连接，对煤体继续实施瓦斯抽采；

S6：若抽采一定时间后，发现工作面煤体瓦斯抽采量仍发生明显的衰减，则重复步骤S2～S5，其中重复步骤S2时，依据现场情况决定是否施工新的液氮的注入孔；若瓦斯抽采效果好，则无需施工新的液氮的注入孔；反之亦然。

进一步，所述步骤S1中，所述施工大面积的倾向钻孔或定向钻孔，其钻孔的孔底应位于相邻工作面上顺槽沿倾向方向的80m范围以外，且在施工完毕后，随即对其进行封孔，封孔深度及长度需保证30m以上；所述施工大面积的倾向钻孔或定向钻孔，其钻孔的孔口需设置“十”字形的连接装置。

进一步，所述“十”字形的连接装置一端上安设有法兰与钻孔内的抽采管连接，一端与气水分离装置连接，一端上安设有蝶阀与瓦斯抽采管道连接，且其表面开设有检测口，用于采集瓦斯气体，测定其浓度；另一端安设有蝶阀，抽采瓦斯时则关闭该蝶阀。

进一步，所述步骤S2具体包括：

S21：工作面瓦斯抽采钻孔与煤矿井下的抽采管道连接后，通过测定抽采管道上的瓦斯抽采量与浓度，实现瓦斯抽采效果的监测；若瓦斯抽采量发生明显的衰减后，则判断此时工作面应采取提高瓦斯抽采的措施；

S22：对回采工作面上顺槽内施工的瓦斯抽采钻孔进行检测为应用浓度检测装置对检测口内的瓦斯气体进行取样，并测定其浓度；若该钻孔的瓦斯浓度数值低于工作面瓦斯抽采管道内瓦斯浓度的数值，且抽采瓦斯量小，则判断该钻孔为抽采失效钻孔，而后关闭“十”字形的连接装置与抽采管道连接的蝶阀；

S23：在回采工作面的回撤通道或回风大巷内，沿工作面煤体的走向方向施工2～3个长距离定向钻孔；所述2～3个长距离定向钻孔的开孔位置位于工作面煤体靠近上顺槽的位置，终孔位置应位于距离工作面切眼60m处；所述施工2～3个长距离定向钻孔沿工作面倾向方向施工的瓦斯抽采钻孔控制范围内应尽量平均分布，且终孔位置应低于开孔位置，以便于注入液氮后，使得液氮能进入钻孔内。

进一步，所述步骤S3具体包括：

S31：注入液氮前需计算施工的2～3个长距离定向钻孔孔内空间的体积，然后在注入液氮的过程中观测液氮的体积是否大于长距离定向钻孔孔内空间的体积，若大于，则表明施工的2～3个长距离定向钻孔孔内空间的体积已与工作面煤体施工的倾向钻孔贯通；若小于，则表明施工的2～3个长距离定向钻孔孔内空间的体积未与工作面煤体施工的倾向钻孔贯通，此时在施工的长距离定向钻孔附近沿工作面煤体的走向方向补充施工若干的钻孔，使其与施工的2～3个长距离定向钻孔贯通；

S32：长距离定向钻孔内的注入液氮量若已大于长距离定向钻孔孔内空间的体积后，则依据现场情况适当增加注入液氮量，而后将长距离定向钻孔孔口进行封堵，防止液氮气化使得孔内压力增高而溢出钻孔。

进一步，所述步骤S4中，所述对回采工作面上顺槽内的失效钻孔再次进行检测，是指打开“十”字形的连接装置法兰端设置的蝶阀，将红外测温仪放置于管口，测定钻孔内的温度，若钻孔内的温度低于或接近于0℃，则判断该钻孔为受注入液氮影响的有效钻孔；

所述将经由地面输送至井下的高温空气与受注入液氮影响的有效钻孔连接，是指将高温空气的输送管与“十”字形的连接装置带有蝶阀的一端通过法兰进行连接，然后打开蝶阀，使高温空气进入到抽采钻孔内，进而导致煤体在急冻的情况下因遇热而产生大量的次生裂隙，从而提高煤体的渗透特性。

本发明的有益效果在于：本发明可对高瓦斯或具有煤与瓦斯突出危险的煤层进行瓦斯抽采。该方法具有煤矿井下水力压裂或高压水力割缝工艺抽采煤层瓦斯所具备的抽采量大、抽采浓度高、抽采效果好的优点，又具有稳定性好、施工简单和工程量小等优点。特别是，煤矿井下长距离定向钻孔作为液氮注入孔施工完毕后，其本身将与工作面煤体内施工的倾向钻孔形成平面或立体交叉的格局，使工作面煤体内构成钻孔的网络，通过注入液氮后，液氮可由长距离定向钻孔流入贯通的倾向钻孔内，从而使得受注入液氮影响的钻孔周围煤体发生急冻。而后向该类钻孔内注入高温的空气，则将导致钻孔周围煤体在急剧的冷冻与遇热的情况下发生破裂，从而提高煤体的渗透特性，具有极高的技术与经济性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述煤层瓦斯抽采方法中各装置的剖面图；

图2为本发明所述煤层瓦斯抽采过程的效果示意图；

图3为本发明中“十”字形的连接装置示意图；

图4为本发明中定向钻孔与倾向钻孔的立体示意图；

附图标记：1-回采工作面上顺槽，2-回采工作面下顺槽，3-相邻工作面上顺槽，4-倾向钻孔，5-走向长距离定向钻孔，501-走向长距离定向钻开孔位置，502-走向长距离定向钻终孔位置，6-回撤通道或回风大巷，7-停采线，8-蝶阀，9-法兰，10-检测口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图4，本发明优选的一种实施例，基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法，具体包括以下步骤：

S1：在回采工作面上顺槽掘进期间，沿回采工作面的倾向方向，施工大面积的倾向钻孔或定向钻孔对工作面煤体以及相邻工作面上顺槽区域内的煤体进行预抽，并在抽采管道内安设瓦斯流量、浓度的测定装置，用于监测工作面瓦斯抽采情况。

其中，如图1、2所示，施工大面积的倾向钻孔或定向钻孔，其钻孔的孔底应位于相邻工作面上顺槽沿倾向方向的80m范围以外，且在施工完毕后，随即对其进行封孔，封孔深度及长度需保证30m以上；如图3所示，其钻孔的孔口需设置“十”字形的连接装置；所述“十”字形的连接装置一端上安设有法兰与钻孔内的抽采管连接，一端与气水分离装置连接，一端上安设有蝶阀与瓦斯抽采管道连接，且其表面开设有检测口，用于采集瓦斯气体，测定其浓度；另一端安设有蝶阀，抽采瓦斯时则关闭该蝶阀。

S2：预抽一定时间后，工作面煤体瓦斯抽采量将发生衰减，此时对回采工作面上顺槽内施工的瓦斯抽采钻孔进行检测，若钻孔抽采瓦斯浓度偏低，且抽采瓦斯量小，则可判断该钻孔为抽采失效钻孔，并关闭该钻孔；而后在回采工作面的回撤通道或回风大巷内，沿工作面的走向方向施工2～3个长距离定向钻孔作为液氮的注入孔。步骤S2具体包括：

S21：工作面瓦斯抽采钻孔与煤矿井下的抽采管道连接后，通过测定抽采管道上的瓦斯抽采量与浓度，实现瓦斯抽采效果的监测；若瓦斯抽采量发生明显的衰减后，则可判断此时工作面应采取提高瓦斯抽采的措施；

S22：所述对回采工作面上顺槽内施工的瓦斯抽采钻孔进行检测为应用浓度检测装置对检测口内的瓦斯气体进行取样，并测定其浓度；若该钻孔的瓦斯浓度数值低于工作面瓦斯抽采管道内瓦斯浓度的数值，且抽采瓦斯量小，则判断该钻孔为抽采失效钻孔，而后关闭“十”字形的连接装置与抽采管道连接的蝶阀；

S23：在回采工作面的回撤通道或回风大巷内，沿工作面煤体的走向方向施工2～3个长距离定向钻孔；如图4所示，2～3个长距离定向的开孔位置位于工作面煤体靠近上顺槽的位置，终孔位置应位于距离工作面切眼60m处；施工2～3个长距离定向钻孔沿工作面倾向方向施工的瓦斯抽采钻孔控制范围内应尽可能平均分布，且终孔位置应低于开孔位置，以便于注入液氮后，使得液氮能进入钻孔内。

S3：待液氮的注入孔施工完毕后，将煤矿井下的压风管放置在孔口，并向其内部注入高压空气将钻孔内的水排出；而后向液氮的注入孔内内部注入液氮。步骤S3具体包括

S31：注入液氮前需计算施工的2～3个长距离定向钻孔孔内空间的体积，而后在注入液氮的过程中观测液氮的体积是否大于长距离定向钻孔孔内空间的体积，若大于，则表明施工的2～3个长距离定向钻孔孔内空间的体积已与工作面煤体施工的倾向钻孔贯通；若小于，则表明施工的2～3个长距离定向钻孔孔内空间的体积未与工作面煤体施工的倾向钻孔贯通，此时可在施工的长距离定向钻孔附近沿工作面煤体的走向方向补充施工若干的钻孔，使其与施工的2～3个长距离定向钻孔贯通。

S32：长距离定向钻孔内的注入液氮量若已大于长距离定向钻孔孔内空间的体积后，则可依据现场情况适当增加注入液氮量，而后将长距离定向钻孔孔口进行封堵，防止液氮气化使得孔内压力增高而溢出钻孔。

S4：对回采工作面上顺槽内的失效钻孔再次进行检测，若钻孔内的温度低于或接近于0℃，则可判断该钻孔为受注入液氮影响的有效钻孔；而后将经由地面输送至井下的高温空气与受注入液氮影响的有效钻孔连接，使其进入到钻孔内，进而导致煤体在急冻的情况下因遇热而产生大量的次生裂隙，从而提高煤体的渗透特性。

其中，对回采工作面上顺槽内的失效钻孔再次进行检测，是指打开“十”字形的连接装置上设置的蝶阀，将红外测温仪放置于管口，测定钻孔内的温度，若钻孔内的温度低于或接近于0℃，则可判断该钻孔为受注入液氮影响的有效钻孔。

将经由地面输送至井下的高温空气与受注入液氮影响的有效钻孔连接，是指将高温空气的输送管与“十”字形的连接装置带有蝶阀的一端通过法兰进行连接，而后打开蝶阀，使高温空气进入到抽采钻孔内，进而导致煤体在急冻的情况下因遇热而产生大量的次生裂隙，从而提高煤体的渗透特性。

S5：而后将注入高温空气后的钻孔与煤矿井下的瓦斯抽采管道连接，进而对煤体继续实施瓦斯抽采；

S6：若抽采一定时间后，发现工作面煤体瓦斯抽采量仍发生明显的衰减，则重复步骤S2～S5，其中重复步骤S2时，可依据现场情况决定是否应施工液氮的注入孔；若瓦斯抽采效果好，则无需施工新的液氮的注入孔；反之亦然。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：在回采工作面上顺槽掘进期间，沿回采工作面的倾向方向，施工大面积的倾向钻孔或定向钻孔对工作面煤体以及相邻工作面上顺槽区域内的煤体进行预抽，并在抽采管道内安设瓦斯流量和浓度的测定装置；

S2：预抽一定时间后，工作面煤体瓦斯抽采量将发生衰减，此时对回采工作面上顺槽内施工的瓦斯抽采钻孔进行检测，若钻孔抽采瓦斯浓度偏低，且抽采瓦斯量小，则判断该钻孔为抽采失效钻孔，并关闭该钻孔；然后在回采工作面的回撤通道或回风大巷内，沿工作面的走向方向施工2～3个长距离定向钻孔作为液氮的注入孔；

S3：待液氮的注入孔施工完毕后，将煤矿井下的压风管放置在孔口，并向其内部注入高压空气将钻孔内的水排出；然后向液氮的注入孔的内部注入液氮；

S4：对回采工作面上顺槽内的失效钻孔再次进行检测，若钻孔内的温度低于或接近于0℃，则判断该钻孔为受注入液氮影响的有效钻孔；然后将经由地面输送至井下的高温空气与受注入液氮影响的有效钻孔连接，使其进入到钻孔内，进而导致煤体在急冻的情况下因遇热而产生大量的次生裂隙，从而提高煤体的渗透特性；

S5：将注入高温空气后的钻孔与煤矿井下的瓦斯抽采管道连接，对煤体继续实施瓦斯抽采；

S6：若抽采一定时间后，发现工作面煤体瓦斯抽采量仍发生明显的衰减，则重复步骤S2～S5，其中重复步骤S2时，依据现场情况决定是否施工新的液氮的注入孔；若瓦斯抽采效果好，则无需施工新的液氮的注入孔；反之亦然。

2.根据权利要求1所述的基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述施工大面积的倾向钻孔或定向钻孔，其钻孔的孔底应位于相邻工作面上顺槽沿倾向方向的80m范围以外，且在施工完毕后，随即对其进行封孔，封孔深度及长度需保证30m以上；所述施工大面积的倾向钻孔或定向钻孔，其钻孔的孔口需设置“十”字形的连接装置。

3.根据权利要求2所述的基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，所述“十”字形的连接装置一端上安设有法兰与钻孔内的抽采管连接，一端与气水分离装置连接，一端上安设有蝶阀与瓦斯抽采管道连接，且其表面开设有检测口，用于采集瓦斯气体，测定其浓度；另一端安设有蝶阀，抽采瓦斯时则关闭该蝶阀。

4.根据权利要求2所述的基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21：工作面瓦斯抽采钻孔与煤矿井下的抽采管道连接后，通过测定抽采管道上的瓦斯抽采量与浓度，实现瓦斯抽采效果的监测；若瓦斯抽采量发生明显的衰减后，则判断此时工作面应采取提高瓦斯抽采的措施；

S22：对回采工作面上顺槽内施工的瓦斯抽采钻孔进行检测为应用浓度检测装置对检测口内的瓦斯气体进行取样，并测定其浓度；若该钻孔的瓦斯浓度数值低于工作面瓦斯抽采管道内瓦斯浓度的数值，且抽采瓦斯量小，则判断该钻孔为抽采失效钻孔，而后关闭“十”字形的连接装置与抽采管道连接的蝶阀；

S23：在回采工作面的回撤通道或回风大巷内，沿工作面煤体的走向方向施工2～3个长距离定向钻孔；所述2～3个长距离定向钻孔的开孔位置位于工作面煤体靠近上顺槽的位置，终孔位置应位于距离工作面切眼60m处；所述施工2～3个长距离定向钻孔沿工作面倾向方向施工的瓦斯抽采钻孔控制范围内应尽量平均分布，且终孔位置应低于开孔位置，以便于注入液氮后，使得液氮能进入钻孔内。

5.根据权利要求1所述的基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31：注入液氮前需计算施工的2～3个长距离定向钻孔孔内空间的体积，然后在注入液氮的过程中观测液氮的体积是否大于长距离定向钻孔孔内空间的体积，若大于，则表明施工的2～3个长距离定向钻孔孔内空间的体积已与工作面煤体施工的倾向钻孔贯通；若小于，则表明施工的2～3个长距离定向钻孔孔内空间的体积未与工作面煤体施工的倾向钻孔贯通，此时在施工的长距离定向钻孔附近沿工作面煤体的走向方向补充施工若干的钻孔，使其与施工的2～3个长距离定向钻孔贯通；

S32：长距离定向钻孔内的注入液氮量若已大于长距离定向钻孔孔内空间的体积后，则依据现场情况适当增加注入液氮量，而后将长距离定向钻孔孔口进行封堵，防止液氮气化使得孔内压力增高而溢出钻孔。

6.根据权利要求1所述的基于定向钻进与液氮急冻遇热致裂的煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述对回采工作面上顺槽内的失效钻孔再次进行检测，是指打开“十”字形的连接装置法兰端设置的蝶阀，将红外测温仪放置于管口，测定钻孔内的温度，若钻孔内的温度低于或接近于0℃，则判断该钻孔为受注入液氮影响的有效钻孔；

所述将经由地面输送至井下的高温空气与受注入液氮影响的有效钻孔连接，是指将高温空气的输送管与“十”字形的连接装置带有蝶阀的一端通过法兰进行连接，然后打开蝶阀，使高温空气进入到抽采钻孔内，进而导致煤体在急冻的情况下因遇热而产生大量的次生裂隙，从而提高煤体的渗透特性。