CN111075420B - 一种利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用液氮‑热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法，将液氮注入并气化吸热使煤体温度快速降低，煤体内的水分结冰膨胀对煤体施加结冰膨胀力致裂；同时气化后的氮气体积快速膨胀对煤体施加气体膨胀力致裂，钻孔内的气压快速增大，氮气经过排气管排出；然后停止液氮注入后，液氮在穿层钻孔内持续气化膨胀，对煤体施加气体膨胀力致裂，气化后的氮气回流回收；便于后续的重复使用；使热蒸气注入，使其对煤体施加气体冲击力致裂，同时使煤体温度快速升温利用温差对煤体致裂；然后热蒸气排出穿层钻孔，从而降低穿层钻孔内的气压使热蒸气能持续注入；如此重复循环，进行冷热交替对煤体进行冲击；从而有效缩短增透时间并保证增透效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤层增透方法，具体是一种利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法。
背景技术
我国煤矿高瓦斯煤层占50％～70％，随着开采深度的不断增加，煤层压力及瓦斯压力都在不断地增大，瓦斯问题日趋严重，瓦斯爆炸和瓦斯突出成为矿井安全生产亟待解决的难题。我国煤层又多为高瓦斯低透气性煤层，现有的水力压裂、水力割缝和预裂爆破等方法已不足以克服煤层瓦斯高吸附、低渗透性的问题，使得目前瓦斯抽采的浓度低、抽放量小，抽采效果不理想。目前液氮注井的方式因其冷冲击、相变气体膨胀力及水冰相变冻胀力的多重作用机制被广泛关注。但实际试验中发现，现有液氮注井方法及专利，均存在以下显著问题：由于液氮注井过程中存在剧烈的气化问题，液氮气化膨胀为21℃的纯氮气后会使其体积具有696倍的膨胀率，这就意味着在液氮注井初期，液氮还未流动到煤体位置处时钻孔已被升温气化的氮气充满且气压不断上升，钻孔内气压很快便达到几十个MPa，而液氮因其稳定性差又导致注井泵所能提供的有效压力和流速不高，与钻孔内生成的气体膨胀压相比相差了10倍以上，最终导致液氮无法大量快速的注入钻孔，只能以极小的流量将液氮注入钻孔，但是这样就无法发挥液氮增透的优点(即利用液氮气化时体积膨胀的冲击力及液氮温度低对煤体冻结效果相叠加，而一旦液氮小流量的注入，则会失去快速膨胀产生的冲击力)；同时会大大增加煤层增透所需的时间及无法保证增透效果。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法，能保证液氮快速、持续注入穿层钻孔内，同时利用液氮和热蒸汽的循环冲击、相变气体的膨胀压力以及煤体受到温差作用对煤体进行致裂，有效缩短增透时间并保证增透效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法，具体步骤为：
A、在巷道内打设至少一个穿层钻孔，该钻孔穿过岩层伸入煤层内；
B、采用水力割缝设备伸入穿层钻孔达到煤层内，以穿层钻孔为中心沿垂直于穿层钻孔的方向在煤层中等间距的割出多个圆盘形裂缝；
C、将液氮及热气输送管一端和排气管一端伸入穿层钻孔达到煤层内，然后对液氮及热气输送管和排气管与穿层钻孔岩层段进行密封；排气管另一端通过三通接头分别连接两个气体管路；两个气体管路上分别装有安全阀和截止阀门；液氮及热气输送管另一端通过三通接头分别与液氮注入管一端和热气注入管一端连接，液氮注入管另一端和热气注入管另一端分别与液氮泵站的出口和热气泵站的出口连接；液氮泵站的回流口与液氮回流管一端连接，液氮回流管另一端与液氮注入管的中部连接；在液氮注入管、液氮回流管和热气注入管均装有控制阀门；液氮注入管、热气注入管和排气管上均装有流量计压力表；处于煤层部分的排气管外表面设有温度检测装置；
D、打开截止阀门和液氮注入管上的控制阀门，然后启动液氮泵站，使液氮经过液氮注入管、液氮及热气输送管注入穿层钻孔内，并进入各个圆盘形裂缝内，液氮气化吸热使煤体温度快速降低，煤体内的水分结冰膨胀对煤体施加结冰膨胀力致裂；同时气化后的氮气体积快速膨胀对煤体施加气体膨胀力致裂，穿层钻孔内的气压快速增大，氮气经过排气管从截止阀门所处的气体管路排出穿层钻孔，从而降低穿层钻孔内的气压使液氮能持续注入；
E、液氮持续注入至截止阀门所处的气体管路有液氮流出时，停止液氮泵站工作并关闭截止阀门和液氮注入管上的控制阀门，设定安全阀的开启阈值，并打开液氮回流管上的控制阀门，液氮在穿层钻孔内持续气化膨胀，对煤体施加气体膨胀力致裂，气化后的氮气经过液氮及热气输送管、液氮注入管及液氮回流管回流入液氮泵站的回流口进行回收；若气化的氮气未及时进入液氮及热气输送管回流导致穿层钻孔内的气体压力超过安全阀的开启阈值，则安全阀自动开启使气化的氮气及时排出，压力低于阈值后自动关闭；
F、持续观察液氮注入管上的流量计压力表，待回流的氮气流量为零时，说明穿层钻孔内的气压降为常压；此时打开截止阀门和热气注入管上控制阀门，然后启动热气泵站，使热蒸气依次经过热气注入管、液氮及热气输送管注入穿层钻孔内，并进入各个圆盘形裂缝内；此时热蒸气对煤体施加气体冲击力致裂，同时使煤体温度快速升温利用温差对煤体致裂；然后热蒸气经过排气管从截止阀门所处的气体管路排出穿层钻孔，从而降低穿层钻孔内的气压使热蒸气能持续注入；温度检测装置实时监测穿层钻孔内的温度，当温度超过60℃时，关闭热气注入管上的控制阀门及停止热气泵站的工作，停止注入热蒸气，同时保持截止阀门的打开状态，使热蒸气从排气管排出，观察排气管上的流量计压力表，直至穿层钻孔内气压降为常压时，完成热蒸气的注入过程；在热蒸气注入过程中热蒸气未能及时通过截止阀门排出穿层钻孔，导致穿层钻孔内的气体压力超过安全阀的开启阈值，则安全阀自动开启使热蒸气及时排出，压力低于阈值后自动关闭，从而降低穿层钻孔内的气压使热蒸气能持续注入；
G、重复循环3～5次步骤D至F，完成该穿层钻孔的增透过程；
H、在穿层钻孔两侧向煤层打设两个瓦斯抽采钻孔、且两个瓦斯抽采钻孔均穿过各个圆盘形裂缝；最后通过两个瓦斯抽采钻孔对煤层进行瓦斯抽采；
I、完成该处的瓦斯抽采后，间隔一定距离在巷道另一位置重复步骤A至H，进行该位置的煤层增透及瓦斯抽采，如此循环，直至完成整个巷道的煤层增透及瓦斯抽采。
进一步，所述温度检测装置为热电偶或红外温度检测器。
进一步，所述安全阀的开启阈值为30MPa。
与现有技术相比，本发明首先在巷道中穿过岩石层向煤层打设一个穿层钻孔，利用水力割缝设备在穿层钻孔内将煤层等间距割出垂直于穿层钻孔的多个裂缝，将液氮及热气输送管和排气管伸入穿层钻孔，启动液氮泵站使液氮经过液氮注入管、液氮及热气输送管注入穿层钻孔内，液氮气化吸热使煤体温度快速降低，煤体内的水分结冰膨胀对煤体施加结冰膨胀力致裂；同时气化后的氮气体积快速膨胀对煤体施加气体膨胀力致裂，穿层钻孔内的气压快速增大，氮气经过排气管从截止阀门所处的气体管路排出穿层钻孔，从而降低穿层钻孔内的气压使液氮能持续注入；然后停止液氮注入后，液氮在穿层钻孔内持续气化膨胀，对煤体施加气体膨胀力致裂，气化后的氮气回流入液氮泵站的回流口进行回收；便于后续的重复使用；启动热气泵站，使热蒸气注入穿层钻孔内；此时热蒸气对煤体施加气体冲击力致裂，同时使煤体温度快速升温利用温差对煤体致裂；然后热蒸气经过排气管排出穿层钻孔，从而降低穿层钻孔内的气压使热蒸气能持续注入；如此重复循环，进行冷热交替对煤体进行冲击；该方法充分利用了液氮和热蒸气的循环冲击、相变气体的膨胀压力以及煤体受到温差作用对煤体进行致裂，有效致裂面积广，尤其是液氮和热蒸气的循环冲击，因此可以对煤体进行反复地温差致裂损伤，扩大煤体的裂隙网络。致裂结束时，在周边打两个瓦斯抽采钻孔进行瓦斯抽采。本发明能保证液氮快速、持续注入穿层钻孔内，同时利用液氮和热蒸汽的循环冲击、相变气体的膨胀压力以及煤体受到温差作用对煤体进行致裂，有效缩短增透时间并保证增透效果。
附图说明
图1是本发明施工布设示意图。
图中：1、煤层，2、圆盘形裂缝，3、岩层，4、截止阀门，5、安全阀，6、热气注入管，7、热气泵站，8、液氮泵站，9、液氮回流管，10、液氮注入管，11、瓦斯抽采孔，12、穿层钻孔，13、液氮及热气输送管，14、排气管，15、流量计压力表。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
A、在巷道内打设至少一个穿层钻孔12，该钻孔穿过岩层3伸入煤层1内；
B、采用水力割缝设备伸入穿层钻孔12达到煤层1内，以穿层钻孔12为中心沿垂直于穿层钻孔12的方向在煤层1中等间距的割出多个圆盘形裂缝2；
C、将液氮及热气输送管13一端和排气管14一端伸入穿层钻孔12达到煤层1内，然后对液氮及热气输送管13和排气管14与穿层钻孔12岩层段进行密封；排气管14另一端通过三通接头分别连接两个气体管路；两个气体管路上分别装有安全阀5和截止阀门4；液氮及热气输送管13另一端通过三通接头分别与液氮注入管10一端和热气注入管6一端连接，液氮注入管10另一端和热气注入管6另一端分别与液氮泵站8的出口和热气泵站7的出口连接；液氮泵站8的回流口与液氮回流管9一端连接，液氮回流管9另一端与液氮注入管10的中部连接；在液氮注入管10、液氮回流管9和热气注入管6均装有控制阀门；液氮注入管10、热气注入管6和排气管14上均装有流量计压力表15；处于煤层1部分的排气管14外表面设有温度检测装置；
D、打开截止阀门4和液氮注入管10上的控制阀门，然后启动液氮泵站8，使液氮经过液氮注入管10、液氮及热气输送管13注入穿层钻孔12内，并进入各个圆盘形裂缝2内，液氮气化吸热使煤体温度快速降低，煤体内的水分结冰膨胀对煤体施加结冰膨胀力致裂；同时气化后的氮气体积快速膨胀对煤体施加气体膨胀力致裂，穿层钻孔12内的气压快速增大，氮气经过排气管14从截止阀门4所处的气体管路排出穿层钻孔12，从而降低穿层钻孔12内的气压使液氮能持续注入；
E、液氮持续注入至截止阀门4所处的气体管路有液氮流出时，停止液氮泵站8工作并关闭截止阀门4和液氮注入管10上的控制阀门，设定安全阀5的开启阈值，并打开液氮回流管9上的控制阀门，液氮在穿层钻孔12内持续气化膨胀，对煤体施加气体膨胀力致裂，气化后的氮气经过液氮及热气输送管13、液氮注入管10及液氮回流管9回流入液氮泵站8的回流口进行回收；若气化的氮气未及时进入液氮及热气输送管13回流导致穿层钻孔12内的气体压力超过安全阀5的开启阈值，则安全阀5自动开启使气化的氮气及时排出，压力低于阈值后自动关闭；
F、持续观察液氮注入管10上的流量计压力表15，待回流的氮气流量为零时，说明穿层钻孔12内的气压降为常压；此时打开截止阀门4和热气注入管6上控制阀门，然后启动热气泵站7，使热蒸气依次经过热气注入管6、液氮及热气输送管13注入穿层钻孔12内，并进入各个圆盘形裂缝2内；此时热蒸气对煤体施加气体冲击力致裂，同时使煤体温度快速升温利用温差对煤体致裂；然后热蒸气经过排气管14从截止阀门4所处的气体管路排出穿层钻孔12，从而降低穿层钻孔12内的气压使热蒸气能持续注入；温度检测装置实时监测穿层钻孔内的温度，当温度超过60℃时，关闭热气注入管6上的控制阀门及停止热气泵站7的工作，停止注入热蒸气，同时保持截止阀门4的打开状态，使热蒸气从排气管14排出，观察排气管14上的流量计压力表15，直至穿层钻孔12内气压降为常压时，完成热蒸气的注入过程；在热蒸气注入过程中热蒸气未能及时通过截止阀门4排出穿层钻孔12，导致穿层钻孔12内的气体压力超过安全阀5的开启阈值，则安全阀5自动开启使热蒸气及时排出，压力低于阈值后自动关闭，从而降低穿层钻孔12内的气压使热蒸气能持续注入；
G、重复循环3～5次步骤D至F，完成该穿层钻孔12的增透过程；
H、在穿层钻孔12两侧向煤层1打设两个瓦斯抽采钻孔11、且两个瓦斯抽采钻孔11均穿过各个圆盘形裂缝2；最后通过两个瓦斯抽采钻孔11对煤层1进行瓦斯抽采；
I、完成该处的瓦斯抽采后，间隔一定距离在巷道另一位置重复步骤A至H，进行该位置的煤层增透及瓦斯抽采，如此循环，直至完成整个巷道的煤层增透及瓦斯抽采。
进一步，所述温度检测装置为热电偶或红外温度检测器。进一步，所述安全阀5的开启阈值为30MPa。
Claims (3)
1.一种利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法，其特征在于，具体步骤为：
A、在巷道内打设至少一个穿层钻孔，该钻孔穿过岩层伸入煤层内；
B、采用水力割缝设备伸入穿层钻孔达到煤层内，以穿层钻孔为中心沿垂直于穿层钻孔的方向在煤层中等间距的割出多个圆盘形裂缝；
C、将液氮及热气输送管一端和排气管一端伸入穿层钻孔达到煤层内，然后对液氮及热气输送管和排气管与穿层钻孔岩层段进行密封；排气管另一端通过三通接头分别连接两个气体管路；两个气体管路上分别装有安全阀和截止阀门；液氮及热气输送管另一端通过三通接头分别与液氮注入管一端和热气注入管一端连接，液氮注入管另一端和热气注入管另一端分别与液氮泵站的出口和热气泵站的出口连接；液氮泵站的回流口与液氮回流管一端连接，液氮回流管另一端与液氮注入管的中部连接；在液氮注入管、液氮回流管和热气注入管均装有控制阀门；液氮注入管、热气注入管和排气管上均装有流量计压力表；处于煤层部分的排气管外表面设有温度检测装置；
D、打开截止阀门和液氮注入管上的控制阀门，然后启动液氮泵站，使液氮经过液氮注入管、液氮及热气输送管注入穿层钻孔内，并进入各个圆盘形裂缝内，液氮气化吸热使煤体温度快速降低，煤体内的水分结冰膨胀对煤体施加结冰膨胀力致裂；同时气化后的氮气体积快速膨胀对煤体施加气体膨胀力致裂，穿层钻孔内的气压快速增大，氮气经过排气管从截止阀门所处的气体管路排出穿层钻孔，从而降低穿层钻孔内的气压使液氮能持续注入；
E、液氮持续注入至截止阀门所处的气体管路有液氮流出时，停止液氮泵站工作并关闭截止阀门和液氮注入管上的控制阀门，设定安全阀的开启阈值，并打开液氮回流管上的控制阀门，液氮在穿层钻孔内持续气化膨胀，对煤体施加气体膨胀力致裂，气化后的氮气经过液氮及热气输送管、液氮注入管及液氮回流管回流入液氮泵站的回流口进行回收；若气化的氮气未及时进入液氮及热气输送管回流导致穿层钻孔内的气体压力超过安全阀的开启阈值，则安全阀自动开启使气化的氮气及时排出，压力低于阈值后自动关闭；
F、持续观察液氮注入管上的流量计压力表，待回流的氮气流量为零时，说明穿层钻孔内的气压降为常压；此时打开截止阀门和热气注入管上控制阀门，然后启动热气泵站，使热蒸气依次经过热气注入管、液氮及热气输送管注入穿层钻孔内，并进入各个圆盘形裂缝内；此时热蒸气对煤体施加气体冲击力致裂，同时使煤体温度快速升温利用温差对煤体致裂；然后热蒸气经过排气管从截止阀门所处的气体管路排出穿层钻孔，从而降低穿层钻孔内的气压使热蒸气能持续注入；温度检测装置实时监测穿层钻孔内的温度，当温度超过60℃时，关闭热气注入管上的控制阀门及停止热气泵站的工作，停止注入热蒸气，同时保持截止阀门的打开状态，使热蒸气从排气管排出，观察排气管上的流量计压力表，直至穿层钻孔内气压降为常压时，完成热蒸气的注入过程；在热蒸气注入过程中热蒸气未能及时通过截止阀门排出穿层钻孔，导致穿层钻孔内的气体压力超过安全阀的开启阈值，则安全阀自动开启使热蒸气及时排出，压力低于阈值后自动关闭，从而降低穿层钻孔内的气压使热蒸气能持续注入；
G、重复循环3～5次步骤D至F，完成该穿层钻孔的增透过程；
H、在穿层钻孔两侧向煤层打设两个瓦斯抽采钻孔、且两个瓦斯抽采钻孔均穿过各个圆盘形裂缝；最后通过两个瓦斯抽采钻孔对煤层进行瓦斯抽采；
I、完成该处的瓦斯抽采后，间隔一定距离在巷道另一位置重复步骤A至H，进行该位置的煤层增透及瓦斯抽采，如此循环，直至完成整个巷道的煤层增透及瓦斯抽采。
2.根据权利要求1所述利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法，其特征在于，所述温度检测装置为热电偶或红外温度检测器。
3.根据权利要求1所述利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法，其特征在于，所述安全阀的开启阈值为30MPa。
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