CN112727535A - 一种液态co2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法，包括以下步骤：钻设爆破孔和抽采孔、将充满液态CO2的爆破管和注水管送入爆破孔内、封堵钻孔、连接煤矿井下的抽采系统进行瓦斯抽采、连接高压泵和爆破孔内的注水管向爆破孔的底部注入高压水、起爆爆破管内的液态CO2、在液态CO2致裂爆破之后的48h内保持爆破管的阀门关闭、排空爆破孔内的水、并对爆破孔再次封堵而后进行瓦斯抽采；本发明利用水不可压缩的特性，在液态CO2爆破后，可以将相变过程中产生的能量通过爆破孔内的水体传递给爆破孔孔壁，极大的减少了CO2相变致裂过程中的能量损耗问题，克服了相同爆炸当量情况下深孔液态CO2爆炸致裂效果不理想的问题，增透促抽效果佳，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，特别是一种液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法。
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、水力割缝、大直径钻孔等煤层增透促抽技术措施。但由于我国大部分高瓦斯及突出矿井煤层松软、透气性较差等原因，使得这些增透促抽措施效果不尽如人意，目前这些常用的技术措施增透效果尚需进一步提升。
液态CO2相变致裂煤体是近几年新兴的一种致裂煤体、增透促抽的新技术。该方法在钻孔内将液态CO2瞬间加热、变为气态的相变过程中，CO2体积增大数百倍的相变现象产生的巨大CO2分压压力，使得煤体被压裂、破碎，进而提高煤层透气性的一种致裂煤体、增透促抽技术措施。
但在实际应用过程中，其致裂增透效果并不十分理想，主要原因为：⑴致裂管装载的液态CO2数量有限，对于实施深孔致裂爆破的钻孔而言，液态CO2爆破当量较小，致裂效果不理想；⑵由于深孔爆破钻孔内自由空间体积较大，使得液态CO2在相变后CO2膨胀做功、致裂煤体过程中，由于CO2气体在自由空间中膨胀，导致部分做功被消耗，降低了相变致裂煤体的效果；⑶由于煤体对CO2的吸附能力是瓦斯的8倍左右，因此，在CO2膨胀致裂过程中，有一部分CO2被煤体吸收，也降低了致裂煤体的效果。如何有效降低液态CO2相变致裂过程中的能量消耗、大幅提升致裂煤体效果，就显得尤为迫切。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法，以解决常规液态CO2相变致裂过程中能量损耗严重、相变致裂效果不理想、CO2消耗量较大等问题，达到提高煤体致裂程度、提升瓦斯抽采效果的目的。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法，包括以下步骤：
Step1，施工钻孔：间隔钻设若干爆破孔和抽采孔；
Step2，分别将充满液态CO2的爆破管和注水管送入爆破孔内，并利用阀门将爆破管孔口密封，防止爆破孔充水及液体CO2相变致裂过程中造成泄漏，降低煤体致裂效果；
Step3，封堵钻孔：爆破孔和抽采孔施工完毕后，分别对爆破孔和抽采孔进行两堵一注封孔，确保封孔质量，为后续的相变致裂和瓦斯抽采工作奠定基础，所述爆破管和注水管伸入到封孔段靠近爆破孔底部的一端；
Step4，待两堵一注封孔材料凝固后，将抽采孔内的抽采管连接煤矿井下的抽采系统进行瓦斯抽采；
Step5，通过耐高压阀门连接高压泵和爆破孔内的注水管，向爆破孔的底部注入高压水；确保爆破孔内充满水体后，关闭高压阀门；
Step6，起爆爆破管内的液态CO2，使得液态CO2瞬间完成由液态到气态的相变；
Step7，利用煤体对CO2吸附能力较强的特性，在液态CO2致裂爆破之后的48h内，保持爆破管的阀门关闭，使爆破孔内的高压CO2气体充分置换和驱替煤中CH4，达到强化瓦斯抽采的目的；
Step8，致裂爆破48h后，利用注水管排空爆破孔内的水；
Step9，撤出爆破孔内的两堵一注封堵结构、爆破管和注水管，并对爆破孔再次封堵而后进行瓦斯抽采；
进一步的，Step1中，所述爆破孔和抽采孔的深度不小于60m，孔径不小于93mm，爆破孔和抽采孔之间的间距不少于5m；
进一步的，Step3中，两堵一注封孔的封孔段长度不小于8m；
进一步的，Step5中，采用高压泵向爆破孔内注水时，高压泵的压力不低于5MPa。
与现有技术相比，本发明的液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法具备以下有益效果：
1）本发明利用水不可压缩的特性，在液态CO2爆破后，可以将相变过程中产生的能量通过爆破孔内的水体传递给爆破孔孔壁，极大的减少了CO2相变致裂过程中的能量损耗问题，克服了相同爆炸当量情况下深孔液态CO2爆炸致裂效果不理想的问题；
2）本发明利用液态CO2爆破后产生的强大CO2气体分压和大量的CO2气体，在实施液态CO2爆破48h内，可对煤体中的CH4实施驱替和置换，强化了瓦斯抽采效果；
3）利用CO2相变致裂过程中的强大压力，将一部分水体压入煤体，有效增加了煤体水分，可有效减少开采过程中的煤尘的产生，净化了作业环境，降低了发生煤尘爆炸的危险性。
综上所述，本发明原理科学，设计巧妙，可广泛应用于高瓦斯、突出低渗煤层的CO2致裂增透、强化促抽等工作，增透促抽效果佳，应用前景广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的爆破孔和抽采孔布置结构示意图；
图2为本发明的爆破孔内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
一种液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法，包括以下步骤：
Step1，施工钻孔：如图1所示，间隔钻设若干爆破孔1和抽采孔2；爆破孔1和抽采孔2的深度不小于60m，孔径不小于93mm，爆破孔1和抽采孔2之间的间距不少于5m；
Step2，参考图2，10为煤层，分别将充满液态CO2的爆破管3和注水管4送入爆破孔1内，并利用阀门将爆破管3孔口密封，防止爆破孔1充水及液体CO2相变致裂过程中造成泄漏，降低煤体致裂效果；
Step3，封堵钻孔：钻孔施工完毕后，利用注浆泵5和注浆管6分别对爆破孔1和抽采孔2进行两堵一注封孔，两堵一注封孔的封孔段7长度不小于8m，确保封孔质量，为后续的相变致裂和瓦斯抽采工作奠定基础，所述爆破管3和注水管4伸入到封孔段7靠近爆破孔1底部的一端；
Step4，待两堵一注封孔材料凝固后，将抽采孔2内的抽采管连接煤矿井下的抽采系统进行瓦斯抽采；
Step5，通过耐高压阀门连接高压泵8和爆破孔1内的注水管4，向爆破孔1的底部注入高压水；高压泵8的压力不低于5MPa，确保爆破孔1内充满水9后，关闭高压阀门；
Step6，起爆爆破管1内的液态CO2，使得液态CO2瞬间完成由液态到气态的相变；
Step7，利用煤体对CO2吸附能力较强的特性，在液态CO2致裂爆破之后的48h内，保持爆破管3的阀门关闭，使爆破孔1内的高压CO2气体充分置换和驱替煤中CH4，达到强化瓦斯抽采的目的；
Step8，致裂爆破48h后，利用注水管4排空爆破孔1内的水9；
Step9，撤出爆破孔1内的两堵一注封堵结构、爆破管3和注水管4，并对爆破孔1再次封堵而后进行瓦斯抽采。
本发明利用水不可压缩的特性，在液态CO2爆破后，可以将相变过程中产生的能量通过爆破孔内的水体传递给爆破孔孔壁，极大的减少了CO2相变致裂过程中的能量损耗问题，克服了相同爆炸当量情况下深孔液态CO2爆炸致裂效果不理想的问题；在实施液态CO2爆破48h内，可对煤体中的CH4实施驱替和置换，强化了瓦斯抽采效果；利用CO2相变致裂过程中的强大压力，将一部分水体压入煤体，有效增加了煤体水分，可有效减少开采过程中的煤尘的产生，净化了作业环境，降低了发生煤尘爆炸的危险性。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1，施工钻孔：间隔钻设若干爆破孔和抽采孔；
Step2，分别将充满液态CO2的爆破管和注水管送入爆破孔内，并利用阀门将爆破管孔口密封；
Step3，封堵钻孔：爆破孔和抽采孔施工完毕后，分别对爆破孔和抽采孔进行两堵一注封孔，所述爆破管和注水管伸入到封孔段靠近爆破孔底部的一端；
Step4，待两堵一注封孔材料凝固后，将抽采孔内的抽采管连接煤矿井下的抽采系统进行瓦斯抽采；
Step5，通过耐高压阀门连接高压泵和爆破孔内的注水管，向爆破孔的底部注入高压水；
Step6，起爆爆破管内的液态CO2，使得液态CO2瞬间完成由液态到气态的相变；
Step7，在液态CO2致裂爆破之后的48h内，保持爆破管的阀门关闭；
Step8，致裂爆破48h后，排空爆破孔内的水；
Step9，撤出爆破孔内的两堵一注封堵结构、爆破管和注水管，并对爆破孔再次封堵而后进行瓦斯抽采。
2.根据权利要求1所述的液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法，其特征在于，Step1中，所述爆破孔和抽采孔的深度不小于60m，孔径不小于93mm，爆破孔和抽采孔之间的间距不少于5m。
3.根据权利要求1所述的液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法，其特征在于，Step3中，两堵一注封孔的封孔段长度不小于8m。
4.根据权利要求1所述的液态CO2协同钻孔充水的煤体致裂增透方法，其特征在于，Step5中，采用高压泵向爆破孔内注水时，高压泵的压力不低于5MPa。
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