CN112412416B - 一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法 - Google Patents

Abstract

一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，包括以下步骤：从工作面顺槽施工顺层钻孔，相邻两个钻孔分别命名为措施孔和抽采孔；对钻孔安装抽采管进行封孔，抽采孔连接抽采系统；措施孔内高压注水；使用专用封孔器对措施孔内的抽采管进行封孔；向措施孔内注液氮冷冻煤体，在地温作用下液氮缓慢升华为氮气，氮气可对煤体内的瓦斯进行有效置换和驱替；高温、高压的氮气对煤体进行高压注热；最后措施孔内的抽采管连接抽采系统。本发明原理科学，设计巧妙，封孔严实，可广泛应用于石门揭煤、过断层、采掘工作面增透促抽等工作，通过冷冻、注热相结合的施工方式大大提高了增透促抽效果，应用前景广阔。

Description

一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法。

背景技术

我国大部分煤层具有“三低一高”（低渗透性、低饱和度、低储层压力，高变质程度）的特征。煤层的低渗透性导致瓦斯抽采困难，造成矿井“抽-掘-采”失调，形成重大安全生产隐患，为煤矿瓦斯事故的发生埋下隐患。因此，国内外学者研究提出了水力冲孔、保护层开采、CO₂相变致裂等煤层增透促抽技术措施。但由于种种原因所限，从技术和经济角度衡量，目前所常用的各种技术措施增透效果尚需进一步提升。

冷冻致裂现象在大自然中广泛存在，譬如冷冻导致建筑物损伤破坏、冷冻后的泥土更酥松等现象都很常见。受这些现象的启发，学者在对冻土层基建工程设计方面进行了大量研究，取得了一些有益的研究成果。后来在油气开采过程中，技术人员将这种技术应用于油气开采领域，用于增加油气层的渗透性，达到增产增效的目的，取得了良好的效果。

煤炭作为一种特殊的软岩，采用超低温冷冻的方法同样可以实现致裂煤体、增加煤体孔-裂隙、提升煤层渗透性的目的；因此，在冷冻致裂的基础上，配合瓦斯抽采措施，可有效提升煤层瓦斯抽采效果，对于解决矿井“抽-掘-采”失调问题大有裨益，是一种较为先进的煤层增透促抽措施，国内外学者对相关内容已开展有益的探索。

基于氮气稳定的惰性气体特性，在冷冻致裂技术现场应用过程中，一般是将液氮注入煤体，一方面这些超低温液氮通过煤体注水后水体液固相变引起的巨大冻胀力，对煤体起到冷冻致裂、增透促抽的作用，另一方面这些超低温液氮升温气化相变为气态后，在措施孔周围形成巨大的氮气分压区域（高压区），而邻近的抽采孔周围具有较低的气体压力（低压区），在措施孔和抽采孔间形成巨大的压差，使得氮气对煤体内瓦斯起到气体驱替及置换的作用，进一步强化瓦斯抽采效果。

煤体瓦斯解吸速度、抽采效果与煤体温度密切相关。相关研究结果表明，煤体温度升高1℃，煤体瓦斯解吸能力提升8%左右。因此，可以通过对煤体加热的办法，强化煤体瓦斯解吸，提升瓦斯抽采效果。但现有的煤体加热技术多采用红外、微波等非接触式加热方式，这些方法虽然可快速加热煤体，但具有衰减速度快、耗能高、易损坏、设备无法重复利用等缺点，难以大范围推广应用；也有部分学者提出向煤层注入过热水或水蒸汽的方法加热煤体，虽可有效加热煤体，但水蒸汽及热水进入煤体后，会在煤体孔隙内形成“水锁效应”，抑制了煤体瓦斯的解吸，反而降低了瓦斯抽采效果。此外，若向煤体内注入高温介质具有氧化性，有可能造成钻孔内煤体发火现象，从而带来新的安全问题。因此，采取注热强化促抽技术措施时，亟需寻求新的注热方法、注热介质和注热途径，以期加强注热激励作用，提升瓦斯抽采效果，有效缓解矿井“抽-掘-采”平衡问题，且可避免钻孔发火。

氮气具有良好的化学稳定性，是一种常见的惰性气体，本身不燃烧也不助燃，且非常容易制备，造价很低。如果将氮气加热后通过钻孔注入煤体，则可有效提高煤体温度，可加强对煤体的住着激励作用，强化瓦斯抽采效果；较高的氮气气体分压，可对煤体瓦斯形成置换和驱替效应，进一步强化瓦斯抽采效果；而且氮气的惰性特征，可以防止钻孔发火，杜绝火灾、瓦斯爆炸、煤尘爆炸等事故。因此，利用高温氮气作为介质进行煤层钻孔注热激励强化促抽经济可行。

对于在井下注入煤体介质加热的方法，一般采用发热电缆、电阻丝等方法进行。但该方法将加热电缆、电阻丝等直接暴露在空气或煤体中，在煤矿瓦斯浓度高、煤尘浓度高的氛围中，存在诱发瓦斯爆炸、煤尘爆炸的危险，容易造成恶性事故。

在冷冻致裂-注热激励煤体强化增透促抽及日常瓦斯抽采过程中，封孔工作都是一项非常重要的基础性工作；封孔质量的好坏，直接影响到煤体致裂程度、热驱效果、瓦斯抽采效果的好坏，直接影响该技术的经济效益。而封孔质量的好坏，主要由封孔器性能及封孔工艺方法所控制；但现有的封孔器及封孔方法均是针对常温条件下进行设计的，在超低温液氮冷冻致裂、高温高压氮气注热激励强化促抽作用下易造成封孔材料破裂、钻孔漏气、瓦斯抽采效果差等问题，很难兼顾超低温液氮、高温高压氮气注入及常温下瓦斯抽采工作的要求。如果将常温条件下的抽采钻孔与超低温液氮冷冻致裂、高温高压氮气注入钻孔分别施工和封孔，则会增加钻孔工程量，增加抽采工程费及封孔费用，无论从技术层面还是从经济层面考虑，均无法满足煤矿现场工作的要求。因此，也亟需一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，可同时满足超低温液氮冷冻致裂、高温高压氮气激励增透促抽、常温瓦斯抽采、封孔器可重复利用的要求。

综上所述，可以通过对煤体实施超低温液氮冷冻致裂，实现有效增加煤体透孔隙、裂隙，从而大幅增加煤体透气性的目的；在此基础上，利用钻孔继续向煤体注入高温高压氮气，可激励煤层瓦斯加速解吸，并可热解煤体，进一步增加煤体孔隙、裂隙，进而提高煤体渗透率，提高煤体透气性，并继续强化氮气对煤体瓦斯的置换和驱替效应，强化瓦斯抽采效果，可快速、有效的解决矿井“抽-掘-采”失衡的问题。

不论是冷冻致裂，还是注热激励煤层瓦斯解吸，以及常温条件下的瓦斯抽采工作，钻孔封孔都是一项非常重要的基础性工作；封孔质量的好坏，直接影响到超低温液氮注入效果、注热激励效果、煤体致裂程度、瓦斯抽采效果的好坏，直接影响该技术的经济效益。而封孔质量的好坏，主要由专用封孔器性能及封孔工艺方法所控制；但现有的封孔器及封孔方法均是针对常温条件下进行设计的，在超低温液氮冷冻致裂、注热高温作用下易造成封孔材料破裂、钻孔漏气、瓦斯抽采效果差等问题，很难兼顾超低温液氮注入、高温氮气注入及常温下的瓦斯抽采工作的要求。如果将常温条件下的抽采钻孔与超低温液氮注入钻孔、注热钻孔分别施工和封孔，则会增加钻孔工程量，增加抽采工程费及封孔费用，无论从技术层面还是从经济层面考虑，均无法满足煤矿现场工作的要求。因此，亟需一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，可同时满足超低温液氮冷冻致裂、注热激励煤体增透促抽及常温瓦斯抽采的要求。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，以解决常规封孔器及封孔方法在冷冻致裂煤体、注热激励、瓦斯抽采过程中封孔效果差、导致抽采效果不好等问题，达到提高煤体冷冻致裂程度、提升煤层瓦斯抽采效果的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，包括以下步骤，

（1）操控机械式钻机从工作面顺槽向煤体施工顺层钻孔，各钻孔均平行且呈三花眼阵列布置，相邻两个钻孔之间的距离为3-5m，任意相邻两个钻孔分别命名为措施孔和抽采孔；

（2）各钻孔施工完毕后进行常规的“两堵一注”工艺封孔，钻孔的封孔段长度不小于8m；封孔材料凝固后，将抽采孔内的第一抽采管连接煤矿井下的抽采系统进行瓦斯抽采；

（3）将措施孔内的第二抽采管外端与第一注浆泵连接，启动第一注浆泵对措施孔周围煤体进行高压注水，注水的水压不小于10MPa；措施孔周围煤体在强大水压作用下产生大量孔隙及数条主裂缝，水体沿着这些孔隙、裂隙进入措施孔周边及深处煤体；

（4）高压注水结束后，断开第一注浆泵与措施孔内第二抽采管的连接，放出措施孔内积水，并将距孔口8m内的第二抽采管内壁清洗干净；此时，措施孔周围及深处煤体已充分湿润；

（5）将专用封孔器送入第二抽采管内预定深度，对第二抽采管进行封孔；

（6）将专用封孔器连接液氮供给系统，通过专用封孔器向措施孔内注入液氮使措施孔周围的煤体冻结；

（7）注氮结束后，在地温作用下液氮缓慢升华为氮气，氮气在此过程中邻近该措施孔的抽采孔一直在进行瓦斯抽采作业；升华后的氮气体积膨胀为注入液氮的500倍以上，在措施孔周围煤体形成强大的氮气分压压力，即高压区，而在抽采孔周围形成较低的瓦斯压力，即低压区；在措施孔和抽采孔间强大压差作用下，升华后的氮气可对煤体内的瓦斯进行有效置换和驱替，在邻近抽采孔抽采负压的作用下，将煤层瓦斯抽出，强化瓦斯抽采效果；

（8）液氮全部升华48h后，将液氮供给系统与专用封孔器分离；再将氮气供给及加热系统与专用封孔器连接，氮气供给及加热系统将高温、高压氮气由专用封孔器注入到措施孔内；

（9）高温、高压的氮气对煤体进行高压注热，氮气的压力不小于2MPa；氮气在高压作用下向措施孔远处运移，运移过程中不断加热煤体，促进煤体瓦斯解吸，并热解煤体，增加煤体孔隙，提高煤体透气性，强化瓦斯抽采；同时邻近的抽采孔一直在正常瓦斯抽采，保证加热后煤体逸出气体被及时抽走，防止气体伤人；

（10）在向措施孔内注入高温、高压氮气对煤体加热4h后，停止煤体注热强化促抽工作，然后从第二抽采管内取出专用封孔器，下次继续复用该专用封孔器；

（11）将该措施孔内的第二抽采管连接抽采系统，进行瓦斯抽采工作，进一步强化瓦斯抽采效果。

专用封孔器包括水箱、第二注浆泵、注浆软管、第一囊袋、第二囊袋、中心注氮管和封孔管，中心注氮管和封孔管均平行于第二抽采管，第一囊袋和第二囊袋均同中心线固定设在中心注氮管上，第二囊袋位于第一囊袋内侧，封孔管的出口端穿过第一囊袋伸到第二囊袋内部，封孔管上开设有与第一囊袋内部连通的透孔，第二抽采管内部在第一囊袋和第二囊袋之间形成封闭腔，第二囊袋上设有单向阀，单向阀的进口与封闭腔连通，单向阀的出口位于第二囊袋的内侧，封孔管上在第一囊袋和第二囊袋之间设有爆破阀；中心注氮管、封孔管、单向阀与第二囊袋的连接处均密封连接，中心注氮管、封孔管与第一囊袋的连接处均密封连接；中心注氮管的外端部设有注氮阀，封孔管的外端部设有封孔阀；注浆软管两端分别与封孔管的外端和水箱连接，第二注浆泵设置在注浆软管上。

液氮供给系统包括液氮罐、注液软管和注液泵，注液软管两端分别与液氮罐和中心注氮管的外端连接，注液泵设置在注液软管上，液氮罐倒立设置在第一支架上，液氮罐的罐口处设有液氮开关阀。

氮气供给及加热系统包括氮气瓶、注热泵、氮气加热装置和注气软管，注气软管两端分别与氮气瓶和中心注氮管的外端连接，氮气加热装置和注热泵设置在注气软管上，氮气加热装置位于注热泵和氮气瓶之间，氮气瓶倒立设置在第二支架上，氮气瓶的罐口处设有氮气开关阀。

氮气加热装置包括呈长方体结构的加热箱，加热箱前后相对的两个侧面上分别设有与注气软管连接的进气口和出气口，加热箱内设有立体网笼结构，加热箱的左侧箱壁和右侧箱壁分别设有用于固定立体笼状结构的固定环，立体网笼结构由若干条纵横交叉布置的导热管固定连接而成，导热管内设有电加热丝和绝缘导热油，加热箱内在立体网笼结构的上方和下方分别设有上接线柱和下接线柱，所有电加热丝的上端和下端均连接有导线，上部和下部的导线分别与上接线柱和下接线柱连接，上接线柱和下接线柱分别连接有穿过加热箱箱壁的供电线；

加热箱的箱壁为三层结构，最外层和最内层分别采用钢板焊接而成，中间夹层充填为玻璃纤维保温材料。

第二囊袋内侧面设有温度传感器，温度传感器外部设有防水袋，中心注氮管外壁沿长度方向开设有线槽，线槽内布置有防水线缆，防水线缆的内端与温度传感器连接，防水线缆的外端连接有位于钻孔外部的温度显示屏。

步骤（5）的具体过程为，将第一囊袋和第二囊袋固定在中心注氮管上，第一囊袋和第二囊袋之间的距离不少于2m；将封孔管连接注浆软管和第二注浆泵，打开封孔阀，第二注浆泵抽取清水通过注浆软管、封孔管对第一囊袋和第二囊袋进行注水，注水压力不小于2MPa，使第一囊袋和第二囊袋的外缘充分与第二抽采管内壁接触，达到密封第二抽采管的目的；继续增加第二注浆泵的注水压力，使封孔管上处于第一囊袋和第二囊袋之间的爆破阀打开，清水流入到第二抽采管内部在第一囊袋和第二囊袋之间形成的封闭腔内；第二囊袋上的单向阀的开启压力是2MPa，当封闭腔内压力大于2MPa时，第二囊袋上的单向阀向措施孔内侧打开，排出封闭腔内的空气，使清水继续流入封闭腔内，直至封闭腔内充满水体，然后关闭第二注浆泵和封孔阀。

步骤（6）的具体过程为，将超低温的液氮罐倒立在支架上，将中心注氮管通过注液软管与液氮罐连接，依次打开中心注氮管上的注氮阀和液氮罐上的阀门；启动注液泵将超低温液氮注入措施孔内；当超低温液氮注入足够量时，依次关闭注液泵、中心注氮管上的注氮阀和液氮罐上的阀门，将液氮罐正立，确保安全；在注氮过程中，邻近该措施孔的抽采孔一直在进行瓦斯抽采作业，保证逸出气体被及时抽走；在超低温液氮作用下，第一囊袋、第二囊袋及封闭腔内的水体迅速结冰，在水体自身膨胀力的作用下，水体发生膨胀将并将第二抽采管严密密封；同时，措施孔内湿润煤体迅速冻结、冷冻致裂，增加煤体孔隙和裂隙，为后期增透促抽奠定基础。

步骤（8）中的液氮全部升华是通过温度传感器监测到措施孔内的温度高于0℃时，将液氮供给系统的注液软管与中心注氮管的外端分离；此时第一囊袋、第二囊袋及封闭腔内的冰也逐渐融化，再经过48h后，将氮气供给及加热系统的注气软管与中心注氮管的外端连接，接着打开中心注氮管上的注气阀和氮气瓶上的氮气开关阀；先使电加热丝通电升温，电加热丝对导热管内的绝缘导热油加热，绝缘导热油升温后通过导热管向外辐射热能，3-5分钟后，启动注热泵，氮气瓶内的氮气先进入加热箱内，在氮气通过加热箱的过程中，导热管散发的热量对氮气加热，氮气的温度被加热到80℃后由注气软管进入到中心注氮管内，再由中心注氮管进入到措施孔内；在高温、高压氮气加热作用下，第一囊袋、第二囊袋内部及两个囊袋之间的水体受热膨胀，并在自身膨胀力的作用下，将第二抽采管内壁严密密封。

步骤（10）中从第二抽采管内取出专用封孔器的具体操作过程为：依次关闭注热泵、注氮开关阀和注气阀，1h后打开封孔阀，第一囊袋、第二囊袋及两个囊袋之间的水体由封孔管自动流出，将专用封孔器取出即可。

采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

1）本发明先利用含水煤体在超低温液氮冻胀力作用，对煤体实施冷冻致裂，可以有效提升煤层透气性，大幅提高瓦斯抽采效果，达到增透促抽的目的；

2）利用地温对冻结煤体进行自然升温，使钻孔内的超低温液氮缓慢升华为气体，可在措施孔周围煤体形成强大的氮气分压压力（高压区），而在抽采钻孔周围形成较低的瓦斯压力（低压区）；在措施孔和抽采孔间强大压差作用下，升华后的氮气可对煤体内的瓦斯进行有效置换和驱替，在邻近抽采孔抽采负压的作用下，将煤层瓦斯抽出，强化瓦斯抽采效果；

3）在冷冻致裂后利用高温高压氮气对煤体加热，起到促进瓦斯解吸，强化对煤体瓦斯的置换和驱替作用，可大幅提高瓦斯抽采效果，达到增透促抽、有效解决“抽-掘-采”失调的问题；

4）利用水的冻胀特性和遇热膨胀的特性，在超低温液氮和高温高压氮气作用下水体自然膨胀，采用水作为封孔材料，可对钻孔实施严密封孔，提高封孔效果，且造价低廉，具有良好的经济性，而且对煤体及地下水没有污染；

5）采用高温氮气作为加热介质，可有效加热煤体，且可防止钻孔内煤体发火；在确保安全的同时，有效解决“水锁效应”，保证瓦斯抽采效果，而且可解决红外、微波等加热措施衰减速度快、耗能高、易损坏、无法重复利用等缺点；

6）在加热箱内采用电加热丝（电阻丝）对氮气进行加热，且将电加热丝置于充满绝缘导热油的密封结构（导热管）内，在确保氮气加热效果的同时，保证不会产生电火花从而导致瓦斯爆炸、煤尘爆炸等事故的发生；

7）措施孔周边区域煤体蠕变卸压作用形成的低压区，超低温液氮升华成气态氮气及高温高压氮气在措施孔周围形成的高压区，会在措施孔与抽采钻孔间形成强大的气体压差，有利于强化对煤体瓦斯的置换和驱替，提升瓦斯抽采效果，且大大减少了水力造穴工程量，实现矿井“抽-掘-采”平衡，确保矿井安全；

8）将注热泵置于加热箱的前侧，保证注热泵处于低温状态，有效延长了注热泵的寿命，且能够提供稳定的高压气源

9）抽采管为PVE管材，中心注氮管采用聚四氟乙烯材质，该管材具有抗低温、耐腐蚀、抗静电、阻燃、憎水性、不粘性等特点，可应用于本封孔器，并保证气密性

10）措施孔在注冷、注热过程结束后，还可继续作为瓦斯抽采孔利用，实现“一孔多用”的目的

11）专用封孔器采用双囊袋配合单向阀、爆破阀的设计，可将囊袋内及两囊袋间的水体顺利放出；水体封孔段在抽采管内，抽采管内壁光滑且变形较小；上述措施确保本发明封孔器可重复利用，降低材料费用；

12）采用温度传感器监测措施孔内的温度，液氮注入后显示屏显示高于0℃开始计时，高温高压氮气注入措施孔内也可用于监测内部温度，以根据实际情况来进行下一步工序的开始和持续时间。

综上所述，本发明原理科学，设计巧妙，封孔严实，可广泛应用于石门揭煤、过断层、采掘工作面增透促抽等工作，通过冷冻、注热相结合的施工方式大大提高了增透促抽效果，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明中专用封孔器在封孔时的结构示意图；

图2是本发明中专用封孔器在注液氮时的结构示意图；

图3是本发明中专用封孔器在注高温、高压氮气时的结构示意图；

图4是本发明中措施孔和抽采孔的布置示意图；

图5是图3中氮气加热装置的内部结构示意图；

图6是图4的俯视图；

图7是图4中沿注液孔和抽采孔长度方向的横截面示意图。

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。

如图1-图7所示，本发明的一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，包括以下步骤：

（1）操控机械式钻机从工作面顺槽1向煤体2施工顺层钻孔，各钻孔均平行且呈三花眼阵列布置，相邻两个钻孔之间的距离为3-5m，任意相邻两个钻孔分别命名为措施孔3和抽采孔4；

（2）各钻孔施工完毕后进行常规的“两堵一注”工艺封孔，钻孔的封孔段长度不小于8m；封孔材料凝固后，将抽采孔4内的第一抽采管连接煤矿井下的抽采系统5（瓦斯抽采管路）进行瓦斯抽采；

（3）将措施孔3内的第二抽采管6外端与第一注浆泵连接，启动第一注浆泵对措施孔3周围煤体2进行高压注水，注水的水压不小于10MPa；措施孔3周围煤体2在强大水压作用下产生大量孔隙及数条主裂缝，水体沿着这些孔隙、裂隙进入措施孔3周边及深处煤体2；

（4）高压注水结束后，断开第一注浆泵与措施孔3内第二抽采管6的连接，放出措施孔3内积水，并将距孔口8m内的第二抽采管6内壁清洗干净；此时，措施孔3周围及深处煤体2已充分湿润；

（5）将专用封孔器送入第二抽采管6内预定深度，对第二抽采管6进行封孔；

（6）将专用封孔器连接液氮供给系统，通过专用封孔器向措施孔3内注入液氮使措施孔3周围的煤体2冻结；

（7）注氮结束后，在地温作用下液氮缓慢升华为氮气，氮气在此过程中邻近该措施孔3的抽采孔4一直在进行瓦斯抽采作业；升华后的氮气体积膨胀为注入液氮的500倍以上，在措施孔3周围煤体2形成强大的氮气分压压力，即高压区，而在抽采孔4周围形成较低的瓦斯压力，即低压区；在措施孔3和抽采孔4间强大压差作用下，升华后的氮气可对煤体2内的瓦斯进行有效置换和驱替，在邻近抽采孔4抽采负压的作用下，将煤层瓦斯抽出，强化瓦斯抽采效果；

（8）液氮全部升华48h，将液氮供给系统与专用封孔器分离；再将氮气供给及加热系统与专用封孔器连接，氮气供给及加热系统将高温、高压氮气由专用封孔器注入到措施孔3内；

（9）高温、高压的氮气对煤体2进行高压注热，氮气的压力不小于2MPa；氮气在高压作用下向措施孔3远处运移，运移过程中不断加热煤体，促进煤体2瓦斯解吸，并热解煤体2，增加煤体2孔隙，提高煤体2透气性，强化瓦斯抽采；同时邻近的抽采孔4一直在正常瓦斯抽采，保证加热后煤体2逸出气体被及时抽走，防止气体伤人；

（10）在向措施孔3内注入高温、高压氮气对煤体2加热4h后，停止煤体2注热强化促抽工作，然后从第二抽采管6内取出专用封孔器，下次继续复用该专用封孔器；

（11）将该措施孔3内的第二抽采管6连接抽采系统5，进行瓦斯抽采工作，进一步强化瓦斯抽采效果。

专用封孔器包括水箱7、第二注浆泵8、注浆软管9、第一囊袋11、第二囊袋12、中心注氮管13和封孔管14，中心注氮管13和封孔管14均平行于第二抽采管6，第一囊袋11和第二囊袋12均同中心线固定设在中心注氮管13上，第二囊袋12位于第一囊袋11内侧，封孔管14的出口端穿过第一囊袋11伸到第二囊袋12内部，封孔管14上开设有与第一囊袋11内部连通的透孔，第二抽采管6内部在第一囊袋11和第二囊袋12之间形成封闭腔16，第二囊袋12上设有单向阀17，单向阀17的进口与封闭腔16连通，单向阀17的出口位于第二囊袋12的内侧，封孔管14上在第一囊袋11和第二囊袋12之间设有爆破阀18；中心注氮管13、封孔管14、单向阀17与第二囊袋12的连接处均密封连接，中心注氮管13、封孔管14与第一囊袋11的连接处均密封连接；中心注氮管13的外端部设有注氮阀21，封孔管14的外端部设有封孔阀22；注浆软管9两端分别与封孔管14的外端和水箱7连接，第二注浆泵8设置在注浆软管9上。

液氮供给系统包括液氮罐10、注液软管15和注液泵19，注液软管15两端分别与液氮罐10和中心注氮管13的外端连接，注液泵19设置在注液软管15上，液氮罐10倒立设置在第一支架20上，液氮罐10的罐口处设有液氮开关阀23。

氮气供给及加热系统包括氮气瓶32、注热泵33、氮气加热装置34和注气软管35，注气软管35两端分别与氮气瓶32和中心注氮管13的外端连接，氮气加热装置34和注热泵33设置在注气软管35上，氮气加热装置34位于注热泵33和氮气瓶32之间，氮气瓶32倒立设置在第二支架36上，氮气瓶32的罐口处设有氮气开关阀37。

氮气加热装置34包括呈长方体结构的加热箱29，加热箱29前后相对的两个侧面上分别设有与注气软管35连接的进气口和出气口，加热箱29内设有立体网笼结构，加热箱29的左侧箱壁和右侧箱壁分别设有用于固定立体笼状结构的固定环50，立体网笼结构由若干条纵横交叉布置的导热管24固定连接而成，导热管24内设有电加热丝25和绝缘导热油26，加热箱29内在立体网笼结构的上方和下方分别设有上接线柱27和下接线柱28，所有电加热丝25的上端和下端均连接有导线31，上部和下部的导线31分别与上接线柱27和下接线柱28连接，上接线柱27和下接线柱28分别连接有穿过加热箱29箱壁的供电线；

加热箱29的箱壁为三层结构，最外层和最内层分别采用钢板焊接而成，中间夹层充填为玻璃纤维保温材料30（具有良好的保温隔热性能，确保热量不向外散发，提高热交换效率）。

第二囊袋12内侧面设有温度传感器38，温度传感器38外部设有防水袋，中心注氮管13外壁沿长度方向开设有线槽，线槽内布置有防水线缆39，防水线缆39的内端与温度传感器38连接，防水线缆39的外端连接有位于钻孔外部的温度显示屏40。

步骤（5）的具体过程为，将第一囊袋11和第二囊袋12固定在中心注氮管13上，第一囊袋11和第二囊袋12之间的距离不少于2m；将封孔管14连接注浆软管9和第二注浆泵8，打开封孔阀22，第二注浆泵8抽取清水通过注浆软管9、封孔管14对第一囊袋11和第二囊袋12进行注水，注水压力不小于2MPa，使第一囊袋11和第二囊袋12的外缘充分与第二抽采管6内壁接触，达到密封第二抽采管6的目的；继续增加第二注浆泵8的注水压力，使封孔管14上处于第一囊袋11和第二囊袋12之间的爆破阀18打开，清水流入到第二抽采管6内部在第一囊袋11和第二囊袋12之间形成的封闭腔16内；第二囊袋12上的单向阀17的开启压力是2MPa，当封闭腔16内压力大于2MPa时，第二囊袋12上的单向阀17向措施孔3内侧打开，排出封闭腔16内的空气，使清水继续流入封闭腔16内，直至封闭腔16内充满水体（根据第一囊袋11、第二囊袋12以及封闭腔16的体积，并结合第二注浆泵8的注水速度，可计算出注满水所需的时间，为了确保封闭腔16内充满水体，可在计算的时间后再延长1-2分钟），然后关闭第二注浆泵8和封孔阀22。

步骤（6）的具体过程为，将超低温的液氮罐10倒立在支架上，将中心注氮管13通过注液软管15与液氮罐10连接，依次打开中心注氮管13上的注氮阀21和液氮罐10上的阀门；启动注液泵19将超低温液氮注入措施孔3内；当超低温液氮注入足够量时，依次关闭注液泵19、中心注氮管13上的注氮阀21和液氮罐10上的阀门，将液氮罐10正立，确保安全；在注氮过程中，邻近该措施孔3的抽采孔4一直在进行瓦斯抽采作业，保证逸出气体被及时抽走；在超低温液氮作用下，第一囊袋11、第二囊袋12及封闭腔16内的水体迅速结冰，在水体自身膨胀力的作用下，水体发生膨胀将并将第二抽采管6严密密封；同时，措施孔3内湿润煤体2迅速冻结、冷冻致裂，增加煤体2孔隙和裂隙，为后期增透促抽奠定基础。

步骤（8）中的液氮全部升华是通过温度传感器38监测到措施孔3内的温度高于0℃时，将液氮供给系统的注液软管15与中心注氮管13的外端分离；此时第一囊袋11、第二囊袋12及封闭腔16内的冰也逐渐融化，再经过48h后，将氮气供给及加热系统的注气软管35与中心注氮管13的外端连接，接着打开中心注氮管13上的注气阀和氮气瓶32上的氮气开关阀37；先使电加热丝25通电升温，电加热丝25对导热管24内的绝缘导热油26加热，绝缘导热油26升温后通过导热管24向外辐射热能，3-5分钟后，启动注热泵33，氮气瓶32内的氮气先进入加热箱29内，在氮气通过加热箱29的过程中，导热管24散发的热量对氮气加热，氮气的温度被加热到80℃后由注气软管35进入到中心注氮管13内，再由中心注氮管13进入到措施孔3内；在高温、高压氮气加热作用下，第一囊袋11、第二囊袋12内部及两个囊袋之间的水体受热膨胀，并在自身膨胀力的作用下，将第二抽采管6内壁严密密封。

步骤（10）中从第二抽采管6内取出专用封孔器的具体操作过程为：依次关闭注热泵33、注氮开关阀和注气阀，1h后打开封孔阀22，第一囊袋11、第二囊袋12及两个囊袋之间的水体由封孔管14自动流出，将专用封孔器取出即可。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，其特征在于：包括以下步骤，

（1）操控机械式钻机从工作面顺槽向煤体施工顺层钻孔，各钻孔均平行且呈三花眼阵列布置，相邻两个钻孔之间的距离为3-5m，任意相邻两个钻孔分别命名为措施孔和抽采孔；

（2）各钻孔施工完毕后进行常规的“两堵一注”工艺封孔，钻孔的封孔段长度不小于8m；封孔材料凝固后，将抽采孔内的第一抽采管连接煤矿井下的抽采系统进行瓦斯抽采；

（3）将措施孔内的第二抽采管外端与第一注浆泵连接，启动第一注浆泵对措施孔周围煤体进行高压注水，注水的水压不小于10MPa；措施孔周围煤体在强大水压作用下产生大量孔隙及数条主裂缝，水体沿着这些孔隙、裂隙进入措施孔周边及深处煤体；

（4）高压注水结束后，断开第一注浆泵与措施孔内第二抽采管的连接，放出措施孔内积水，并将距孔口8m内的第二抽采管内壁清洗干净；此时，措施孔周围及深处煤体已充分湿润；

（5）将专用封孔器送入第二抽采管内预定深度，对第二抽采管进行封孔；

（6）将专用封孔器连接液氮供给系统，通过专用封孔器向措施孔内注入液氮使措施孔周围的煤体冻结；

（7）注氮结束后，在地温作用下液氮缓慢升华为氮气，氮气在此过程中邻近该措施孔的抽采孔一直在进行瓦斯抽采作业；升华后的氮气体积膨胀为注入液氮的500倍以上，在措施孔周围煤体形成强大的氮气分压压力，即高压区，而在抽采孔周围形成较低的瓦斯压力，即低压区；在措施孔和抽采孔间强大压差作用下，升华后的氮气可对煤体内的瓦斯进行有效置换和驱替，在邻近抽采孔抽采负压的作用下，将煤层瓦斯抽出，强化瓦斯抽采效果；

（8）液氮全部升华48h后，将液氮供给系统与专用封孔器分离；再将氮气供给及加热系统与专用封孔器连接，氮气供给及加热系统将高温、高压氮气由专用封孔器注入到措施孔内；

（9）高温、高压的氮气对煤体进行高压注热，氮气的压力不小于2MPa；氮气在高压作用下向措施孔远处运移，运移过程中不断加热煤体，促进煤体瓦斯解吸，并热解煤体，增加煤体孔隙，提高煤体透气性，强化瓦斯抽采；同时邻近的抽采孔一直在正常瓦斯抽采，保证加热后煤体逸出气体被及时抽走，防止气体伤人；

（10）在向措施孔内注入高温、高压氮气对煤体加热4h后，停止煤体注热强化促抽工作，然后从第二抽采管内取出专用封孔器，下次继续复用该专用封孔器；

（11）将该措施孔内的第二抽采管连接抽采系统，进行瓦斯抽采工作，进一步强化瓦斯抽采效果；

专用封孔器包括水箱、第二注浆泵、注浆软管、第一囊袋、第二囊袋、中心注氮管和封孔管，中心注氮管和封孔管均平行于第二抽采管，第一囊袋和第二囊袋均同中心线固定设在中心注氮管上，第二囊袋位于第一囊袋内侧，封孔管的出口端穿过第一囊袋伸到第二囊袋内部，封孔管上开设有与第一囊袋内部连通的透孔，第二抽采管内部在第一囊袋和第二囊袋之间形成封闭腔，第二囊袋上设有单向阀，单向阀的进口与封闭腔连通，单向阀的出口位于第二囊袋的内侧，封孔管上在第一囊袋和第二囊袋之间设有爆破阀；中心注氮管、封孔管、单向阀与第二囊袋的连接处均密封连接，中心注氮管、封孔管与第一囊袋的连接处均密封连接；中心注氮管的外端部设有注氮阀，封孔管的外端部设有封孔阀；注浆软管两端分别与封孔管的外端和水箱连接，第二注浆泵设置在注浆软管上；

步骤（5）的具体过程为，将第一囊袋和第二囊袋固定在中心注氮管上，第一囊袋和第二囊袋之间的距离不少于2m；将封孔管连接注浆软管和第二注浆泵，打开封孔阀，第二注浆泵抽取清水通过注浆软管、封孔管对第一囊袋和第二囊袋进行注水，注水压力不小于2MPa，使第一囊袋和第二囊袋的外缘充分与第二抽采管内壁接触，达到密封第二抽采管的目的；继续增加第二注浆泵的注水压力，使封孔管上处于第一囊袋和第二囊袋之间的爆破阀打开，清水流入到第二抽采管内部在第一囊袋和第二囊袋之间形成的封闭腔内；第二囊袋上的单向阀的开启压力是2MPa，当封闭腔内压力大于2MPa时，第二囊袋上的单向阀向措施孔内侧打开，排出封闭腔内的空气，使清水继续流入封闭腔内，直至封闭腔内充满水体，然后关闭第二注浆泵和封孔阀；

利用水的冻胀特性和遇热膨胀的特性，在超低温液氮和高温高压氮气作用下水体自然膨胀，采用水作为封孔材料，对钻孔实施严密封孔，提高封孔效果。

2.根据权利要求1所述的一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，其特征在于：液氮供给系统包括液氮罐、注液软管和注液泵，注液软管两端分别与液氮罐和中心注氮管的外端连接，注液泵设置在注液软管上，液氮罐倒立设置在第一支架上，液氮罐的罐口处设有液氮开关阀。

3.根据权利要求2所述的一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，其特征在于：氮气供给及加热系统包括氮气瓶、注热泵、氮气加热装置和注气软管，注气软管两端分别与氮气瓶和中心注氮管的外端连接，氮气加热装置和注热泵设置在注气软管上，氮气加热装置位于注热泵和氮气瓶之间，氮气瓶倒立设置在第二支架上，氮气瓶的罐口处设有氮气开关阀。

4.根据权利要求3所述的一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，其特征在于：氮气加热装置包括呈长方体结构的加热箱，加热箱前后相对的两个侧面上分别设有与注气软管连接的进气口和出气口，加热箱内设有立体网笼结构，加热箱的左侧箱壁和右侧箱壁分别设有用于固定立体笼状结构的固定环，立体网笼结构由若干条纵横交叉布置的导热管固定连接而成，导热管内设有电加热丝和绝缘导热油，加热箱内在立体网笼结构的上方和下方分别设有上接线柱和下接线柱，所有电加热丝的上端和下端均连接有导线，上部和下部的导线分别与上接线柱和下接线柱连接，上接线柱和下接线柱分别连接有穿过加热箱箱壁的供电线；

加热箱的箱壁为三层结构，最外层和最内层分别采用钢板焊接而成，中间夹层充填为玻璃纤维保温材料。

5.根据权利要求4所述的一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，其特征在于：第二囊袋内侧面设有温度传感器，温度传感器外部设有防水袋，中心注氮管外壁沿长度方向开设有线槽，线槽内布置有防水线缆，防水线缆的内端与温度传感器连接，防水线缆的外端连接有位于钻孔外部的温度显示屏。

6.根据权利要求5所述的一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，其特征在于：步骤（6）的具体过程为，将超低温的液氮罐倒立在支架上，将中心注氮管通过注液软管与液氮罐连接，依次打开中心注氮管上的注氮阀和液氮罐上的阀门；启动注液泵将超低温液氮注入措施孔内；当超低温液氮注入足够量时，依次关闭注液泵、中心注氮管上的注氮阀和液氮罐上的阀门，将液氮罐正立，确保安全；在注氮过程中，邻近该措施孔的抽采孔一直在进行瓦斯抽采作业，保证逸出气体被及时抽走；在超低温液氮作用下，第一囊袋、第二囊袋及封闭腔内的水体迅速结冰，在水体自身膨胀力的作用下，水体发生膨胀将并将第二抽采管严密密封；同时，措施孔内湿润煤体迅速冻结、冷冻致裂，增加煤体孔隙和裂隙，为后期增透促抽奠定基础。

7.根据权利要求6所述的一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，其特征在于：步骤（8）中的液氮全部升华是通过温度传感器监测到措施孔内的温度高于0℃时，将液氮供给系统的注液软管与中心注氮管的外端分离；此时第一囊袋、第二囊袋及封闭腔内的冰也逐渐融化，再经过48h后，将氮气供给及加热系统的注气软管与中心注氮管的外端连接，接着打开中心注氮管上的注气阀和氮气瓶上的氮气开关阀；先使电加热丝通电升温，电加热丝对导热管内的绝缘导热油加热，绝缘导热油升温后通过导热管向外辐射热能，3-5分钟后，启动注热泵，氮气瓶内的氮气先进入加热箱内，在氮气通过加热箱的过程中，导热管散发的热量对氮气加热，氮气的温度被加热到80℃后由注气软管进入到中心注氮管内，再由中心注氮管进入到措施孔内；在高温、高压氮气加热作用下，第一囊袋、第二囊袋内部及两个囊袋之间的水体受热膨胀，并在自身膨胀力的作用下，将第二抽采管内壁严密密封。

8.根据权利要求7所述的一种冷冻致裂与注热激励相结合致裂煤体增透促抽方法，其特征在于：步骤（10）中从第二抽采管内取出专用封孔器的具体操作过程为：依次关闭注热泵、注氮开关阀和注气阀，1h后打开封孔阀，第一囊袋、第二囊袋及两个囊袋之间的水体由封孔管自动流出，将专用封孔器取出即可。

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