CN110985110A - 高瓦斯致密煤层抽注一体化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高瓦斯致密煤层抽注一体化系统及方法，在煤层巷道中沿其延伸方向在煤层上交替布置注水钻孔和致裂导向钻孔；对致裂导向钻孔周围煤层进行微波照射加热并同时抽采瓦斯；待瓦斯抽采到一定程度后，停止加热，并向致裂导向钻孔内快速注入液氮，煤层由于快冷收缩产生裂隙；最后，通过注水钻孔向煤层注水；其中，注水钻孔位于致裂导向钻孔的致裂范围内。本发明既能够增加瓦斯的抽采与煤层的注水，也能够降低注水的工程量，以有效降低煤与瓦斯突出、冲击地压等当前严重威胁我国煤矿安全高效开采的动力灾害。

Description

高瓦斯致密煤层抽注一体化系统及方法

技术领域

本发明属于高瓦斯致密煤层开采技术领域，尤其涉及一种高瓦斯致密煤层抽注一体化系统及方法。

背景技术

由于煤化程度高、挥发分低等优点，高瓦斯致密煤层具有较高的开采价值。然而由于煤层瓦斯富集、坚硬程度高、应力集中等原因，在高瓦斯致密煤层开采过程中极易引发冲击地压、煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故，严重制约了采掘工作的安全高效进行。

当前对于高瓦斯致密煤层的开采过程中煤与瓦斯突出与瓦斯爆炸的防治方法主要为瓦斯抽采，由于煤层的比较致密，裂隙、孔隙的贯通性较差，在负压的作用下瓦斯的抽采率及范围非常小。对于冲击地压、煤与瓦斯突出的防治当前普遍采用煤层注水的方式进行治理，同样的，受制于煤层的致密性，水的扩散半径较小，导致注水对煤层卸压的作用范围很小。

为此，许多采矿工作者做出很多努力，如打密集孔、套管抽采等等，耗费大量的资金也没有取得理想的效果。此外，在防治方法的实施过程中通常相互独立进行，浪费大量时间和工程。究其原因在于没有对抽采或者注水孔煤层进行有效的损伤使得裂缝与孔隙发育，进而增加瓦斯的抽采及注水效果。

专利CN2015100152282公开了一种钻孔内冷胀热驱式煤体增透方法，在煤层中交错布置抽采钻孔和强化抽采钻孔的孔位，利用水体在强化抽采钻孔内冷凝膨胀致裂煤体，从而扩展钻孔周边原有裂隙网，达到强化瓦斯抽采的目的。但是上述专利主要是通过加热形成的温度场降低瓦斯吸附势，促进瓦斯解吸，达到强化瓦斯抽采的目的。

专利CN2016105311364公开了一种采空区上覆坚硬岩体致裂的装置与方法，该装置先后向采空区上方岩层钻孔内注入高压高温水和高压低温冷冻液，可安全、快速致裂采空区上覆坚硬岩体。但是上述专利仍然存在瓦斯抽采与煤层注水效率低等问题。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种瓦斯抽采与煤层注水效率高的高瓦斯致密煤层抽注一体化系统及方法。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

高瓦斯致密煤层抽注一体化方法，在煤层巷道中沿其延伸方向在煤层上交替布置注水钻孔和致裂导向钻孔；对致裂导向钻孔周围煤层进行微波照射加热并同时抽采瓦斯；待瓦斯抽采到一定程度后，停止加热，并向致裂导向钻孔内快速注入液氮，煤层由于快冷收缩产生裂隙；最后，通过注水钻孔向煤层注水；其中，注水钻孔位于致裂导向钻孔的致裂范围内。

进一步的，在进行微波照射加热前，还包括向致裂导向钻孔中注入氯化钠溶液的步骤。

一种高瓦斯致密煤层抽注一体化系统，包括：

注水组件，与煤层巷道中煤层上的注水钻孔连接，用于向煤层注水；

微波加热组件，与煤层巷道中煤层上的致裂导向钻孔连接，用于对致裂导向钻孔周围煤层进行微波照射加热；

瓦斯抽采组件，与所述致裂导向钻孔连接，用于对致裂导向钻孔周围煤层进行瓦斯抽采；

注氮组件，与所述致裂导向钻孔连接，用于向加热后的煤层中通入液氮；其中，

所述注水钻孔和致裂导向钻孔沿所述煤层巷道延伸方向交替布置，且注水钻孔位于致裂导向钻孔的致裂范围内。

进一步的，所述微波加热组件包括微波电源、与微波电源电性连接的磁控管、与所述磁控管连接的波导以及与所述波导连接的微波天线，所述微波天线伸入所述致裂导向钻孔内。

进一步的，所述瓦斯抽采组件包括抽采管和抽采泵；

所述抽采管一端与所述抽采泵连接，另一端穿过致裂导向钻孔封孔器与所述致裂导向钻孔连通。

进一步的，所述注氮组件包括注氮管和注氮器；

所述注氮管一端与所述注氮器连接，另一端穿过所述致裂导向钻孔封孔器与所述致裂导向钻孔连通。

进一步的，所述致裂导向钻孔内设有控制注氮管和抽采管通断的多相开关，所述多相开关包括顶端封闭，底端敞开的套筒；

所述套筒通过隔板分隔出位于上部的第一腔室和位于下部的第二腔室，所述第二腔室的外侧壁上设有喷嘴；

所述注氮管和抽采管与所述第一腔室的连通；

所述隔板上设有连通所述第一腔室和第二腔室的通道；

所述第二腔室内滑动密封设有能够将所述通道密封的气压板；

所述气压板与所述套筒顶部通过弹簧连接。

进一步的，所述隔板包括相对分离设置的一对电极板；

一对所述电极板分别通过导线与所述磁控管和微波电源连接；

所述气压板包括与所述第二腔室滑动连接的绝缘推板以及支撑设置于所述推板顶部以导通一对所述电极板的导电板，所述弹簧与所述导电板连接。

进一步的，所述注水组件包括注水泵和注水管；

所述注水管一端与所述注水泵连接，另一端穿过注水钻孔封孔器与所述注水钻孔连通，所述注水泵连接至储水池。

进一步的，所述注氮管上设有氯化钠溶液注射器。

进一步的，所述注水管上还设有压力表和水阀。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

1、本发明致裂导向钻孔煤层在微波的加热下沿着径向形成一个破碎程度由大到小的破碎圈层，相应的渗流压力由大变小，由于在相同条件下，渗流路径总是沿着渗流压力降低最快的路径渗流，所以致裂导向钻孔能够起到很好的注水导向作用，使得注水沿着煤层流动，而不会传播到煤层的顶底板，造成煤层顶底板弱化，有效提高了煤层开采的安全性。

2、本发明致裂导向钻孔能够起到很好的注水导向作用，因此还可以优化应力的分布，因为水沿着煤层传导就会形成沿着煤层的注水可以使得煤层软化，也就是说注水会形成沿着煤层方向的强度弱化层，这将对煤层的整体进行泄压，煤层本身整体压力小，发生灾害的概率就大大降低。

3、通过微波发生装置对致裂导向钻孔周围的煤层进行微波加热，使其产生热损伤促进裂隙的贯通并产生瓦斯渗流通道的同时，借助于瓦斯气体的热胀冷缩作用增大瓦斯压力，使得瓦斯更易析出，在煤层内部形成负压，由于负压的作用水与液氮的混合物也更易进入裂隙，进一步极冷破坏煤层。

4、此外冷冻液采用液氮，液氮由于加热的作用产生氮气对煤层裂隙表面进行腐蚀，可以进一步增加水的可注性。

5、在此过程中通过开发多相开关实现注氮与微波加热循环自动化循环以实现高温与快速制冷的自动化转换，继续促进裂隙的扩展，进而持续扩大注水范围。

综上，本发明既能够增加瓦斯的抽采与煤层的注水，也能够降低注水的工程量，以有效降低煤与瓦斯突出、冲击地压等当前严重威胁我国煤矿安全高效开采的动力灾害。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A-A处截面示意图；

图3为图1中A处放大示意图；

图4为多相开关结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1和图2，一种高瓦斯致密煤层抽注一体化系统，包括注水组件、微波加热组件、瓦斯抽采组件和注氮组件；其中，

注水组件与煤层巷道中煤层上的注水钻孔1连接，用于向煤层注水；微波加热组件与煤层巷道20中煤层21上的致裂导向钻孔2连接，用于对致裂导向钻孔2周围煤层进行微波照射加热，瓦斯抽采组件与所述致裂导向钻孔2连接，用于对致裂导向钻孔2周围煤层进行瓦斯抽采；注氮组件与所述致裂导向钻孔2连接，用于向加热后的煤层中通入液氮，注水钻孔1和致裂导向钻孔2沿煤层巷道延伸方向交替布置，且注水钻孔1位于致裂导向钻孔2加热以及注氮后产生的破碎圈层内(致裂范围)。

具体的，微波加热组件包括微波电源3、与微波电源3电性连接的磁控管4、与磁控管4连接的波导5以及与波导5连接的微波天线6，微波天线6伸入致裂导向钻孔2内。

本实施例微波电源3在磁控管4上施加电压，进而产生微波，微波经过波导5、微波天线6施加在致裂导向钻孔2内周围的煤层上，煤层因微波作用被加热，使其产生热损伤促进裂隙的贯通并产生瓦斯渗流通道的同时，借助于瓦斯气体的热胀冷缩作用增大瓦斯压力，使得瓦斯更易析出，在煤层21内部形成负压。

可以理解的是，瓦斯抽采组件包括抽采管7和抽采泵8；抽采管7一端与抽采泵8连接，另一端穿过致裂导向钻孔封孔器9与致裂导向钻孔2连通，析出的瓦斯在抽采泵8的负压牵引下从煤层中抽出，致裂导向钻孔2通过致裂导向钻孔封孔器9封堵。

注氮组件包括注氮管10和注氮器11；注氮管10一端与注氮器11连接，另一端穿过致裂导向钻孔封孔器9与致裂导向钻孔2连通。

本实施例，待煤层瓦斯抽采一定程度后，停止加热，并通过注氮器11向致裂导向钻孔2快速注入液氮使得周围煤层岩石快速冷却，岩石由于快速的冷缩而进一步破裂，此外，由于负压的作用水与液氮的混合物更易进入裂隙。同时液氮由于加热的作用产生氮气对围岩裂隙表面进行腐蚀，增加水的可注性。

本实施例致裂导向钻孔2煤层在微波的加热下会沿着径向形成一个破碎程度由大到小的破碎圈层24，相应的渗流压力由大变小，由于在相同条件下，渗流路径总是沿着渗流压力降低最快的路径渗流，所以致裂导向钻孔2能够起到很好的注水导向作用，使得注水沿着煤层流动，而不会传播到煤层的顶板22和底板23，造成煤层顶底板弱化，有效提高了煤层开采的安全性。

此外，因致裂导向钻孔2能够起到很好的注水导向作用，因此还可以优化应力的分布，因为水沿着煤层21传导就会形成沿着煤层的注水可以使得煤层软化，也就是说注水会形成沿着煤层方向的强度弱化层，这将对煤层的整体进行泄压，煤层本身整体压力小，发生灾害的概率就大大降低。

实施例2

与实施例1所不同的是，本实施例高瓦斯致密煤层抽注一体化系统，注水组件包括注水泵12和注水管13；注水管13一端与注水泵12连接，另一端穿过注水钻孔封孔器14与注水钻孔1连通，注水泵12连接至储水池15，在注氮管10上设有氯化钠溶液注射器16，在注水管13上设有压力表17和水阀18，注水钻孔1通过注水钻孔封孔器14封堵。

本实施例在进行微波照射加热前，通过氯化钠溶液注射器16的注射泵向致裂导向钻孔2周围煤层中注入氯化钠溶液，因氯化钠溶液良好的微波传导性能，因此微波破岩范围更大。

可以理解的是，为避免引燃瓦斯，微波的最高加热温度不宜超过90度，注水管13采用绝热的硬质塑料管。

实施例3

参见图3，与实施例2所不同的是，本实施例高瓦斯致密煤层抽注一体化系统，在致裂导向钻孔2内设有控制注氮管10、抽采管7通断以及微波组件启动的多相开关19，多相开关19包括顶端封闭，底端敞开的套筒1901，该套筒1901通过隔板分隔出相互独立位于上部的第一腔室1903和位于下部的第二腔室1904，第二腔室1904的外侧壁上设有喷嘴1905，注氮管10和抽采管7与第一腔室1903连通，注氮管10和抽采管7通过汇总管20与第一腔室1903连通，隔板上设有连通第一腔室1903和第二腔室1904的通道1906，第二腔室1904内滑动密封设有能够将通道1906密封的气压板。

参见图4，具体的，隔板包括相对分离设置的一对电极板1902，一对电极板1902分别通过导线与磁控管4和微波电源3连接，气压板包括与第二腔室1904滑动连接的绝缘推板1907以及支撑设置于推板顶部以导通一对电极板1902的导电板1908，导电板1908与套筒1901顶部通过弹簧1909连接。

为防止电路短路，本实施例中注氮管10、抽采管7、套筒1901和碰嘴均采用绝缘材质制作。

参见图3和图4，本实施例的多相开关19的工作原理如下：

抽采：气压板在弹簧1909作用下与隔板保持一定的间距，通道1906将第一腔室1903和第二腔室1904连通，启动抽采泵8，致裂导向钻孔2内的瓦斯在抽采泵8负压作用下，经过喷嘴1905经第二腔室1904、通道1906和第一腔室1903从抽采管7排出至致裂导向钻孔2外；

注氮：气压板在弹簧1909作用下与隔板保持一定的间距，通道1906将第一腔室1903和第二腔室1904连通，启动注氮器11，液氮依次经注氮管10、第一腔室1903、通道1906、第二腔室1904和碰嘴进入致裂导向钻孔2，实现煤层注氮；

微波加热：在液氮喷到一定程度后，由于钻孔内气压不断增大，推动推板上移进而推动导电板1908与隔板接触，以此接通微波电路，同时将通道1906隔断，实现微波加热的同时，停止注氮；随着微波致裂的不断进行，致裂导向钻孔2内气压会逐渐降低，导电板1908在弹簧1909的作用下，向下移动，将微波电路断开，如此反复循环进行微波加热和氮气制冷。

本实施例高瓦斯致密煤层抽注一体化系统的工作过程如下：

首先开启抽采机对瓦斯进行抽采，待抽采数值不变后停止抽采并关闭抽采机，通过支管向混合器内注入水，同时打开氯化钠溶液注射器16的阀门向注氮管10内加入Nacl，对致裂导向钻孔2注入Nacl溶液，并在高水压下维持2个小时，然后抽出Nacl溶液。

然后打开注氮器11及其相关的开关，对钻孔进行注氮，注氮时，在导电板1908下移开启，同时断开微波电路，在液氮喷到一定程度后，由于钻孔内气压不断增大，推动气压板上移进而推动导电板1908实现封口，接通微波电路，实现微波加热的同时，停止注氮，如此循环特定次数后，停止注氮与微波加热。

接着，通过注水泵12向致裂导向钻孔2两侧的注水孔内注水，煤层在水流作用下软化，应力得到松弛释放。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.高瓦斯致密煤层抽注一体化方法，其特征在于：

在煤层巷道(20)中沿其延伸方向在煤层(21)上交替布置注水钻孔(1)和致裂导向钻孔(2)；

对致裂导向钻孔(2)周围煤层进行微波照射加热并同时抽采瓦斯；

待瓦斯抽采到一定程度后，停止加热，并向致裂导向钻孔(2)内快速注入液氮，煤层由于快冷收缩产生裂隙；

最后，通过注水钻孔(1)向煤层注水；

其中，注水钻孔(1)位于致裂导向钻孔(2)的致裂范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在进行微波照射加热前，还包括向致裂导向钻孔(2)中注入氯化钠溶液的步骤。

3.一种高瓦斯致密煤层抽注一体化系统，其特征在于，包括：

注水组件，与煤层巷道中煤层上的注水钻孔(1)连接，用于向煤层注水；

微波加热组件，与煤层巷道(20)中煤层上的致裂导向钻孔(2)连接，用于对致裂导向钻孔(2)周围煤层进行微波照射加热；

瓦斯抽采组件，与所述致裂导向钻孔(2)连接，用于对致裂导向钻孔(2)周围煤层进行瓦斯抽采；

注氮组件，与所述致裂导向钻孔(2)连接，用于向加热后的煤层中通入液氮；其中，

所述注水钻孔(1)和致裂导向钻孔(2)沿所述煤层巷道(20)延伸方向交替布置，且注水钻孔(1)位于致裂导向钻孔(2)的致裂范围内。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述注氮组件包括注氮管(10)和注氮器(11)；

所述注氮管(10)一端与所述注氮器(11)连接，另一端穿过致裂导向钻孔封孔器与所述致裂导向钻孔(2)连通。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述微波加热组件包括微波电源(3)、与微波电源(3)电性连接的磁控管(4)、与所述磁控管(4)连接的波导(5)以及与所述波导(5)连接的微波天线(6)，所述微波天线(6)伸入所述致裂导向钻孔(2)内。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述瓦斯抽采组件包括抽采管(7)和抽采泵(8)；

所述抽采管(7)一端与所述抽采泵(8)连接，另一端穿过致裂导向钻孔封孔器与所述致裂导向钻孔(2)连通。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述致裂导向钻孔(2)内设有控制所述注氮管(10)和抽采管(7)通断的多相开关(19)，所述多相开关(19)包括顶端封闭，底端敞开的套筒(1901)；

所述套筒(1901)通过隔板分隔出位于上部的第一腔室(1903)和位于下部的第二腔室(1904)，所述第二腔室(1904)的外侧壁上设有喷嘴(1905)；

所述注氮管(10)和抽采管(7)与所述第一腔室(1903)的连通；

所述隔板上设有连通所述第一腔室(1903)和第二腔室(1904)的通道(1906)；

所述第二腔室(1904)内滑动密封设有能够将所述通道(1906)密封的气压板；

所述气压板与所述套筒(1901)顶部通过弹簧(1909)连接。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述隔板包括相对分离设置的一对电极板(1902)；

一对所述电极板(1902)分别通过导线与所述磁控管(4)和微波电源(3)连接；

所述气压板包括与所述第二腔室(1904)滑动连接的绝缘推板(1907)以及支撑设置于所述推板顶部以导通一对所述电极板(1902)的导电板(1908)，所述弹簧(1909)与所述导电板(1908)连接。

9.根据权利要求4-8任一项所述的系统，其特征在于：所述注氮管(10)上设有氯化钠溶液注射器。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述注水组件包括注水泵(12)和注水管(13)；

所述注水管(13)一端与所述注水泵(12)连接，另一端穿过注水钻孔封孔器与所述注水钻孔(1)连通，所述注水泵(12)连接至储水池(15)。

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