CN112761587B - 一种钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法 - Google Patents
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Abstract
一种钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法，适用煤矿井下坚硬煤层的瓦斯高效抽采。首先在钻孔内进行聚能射孔，形成导向缝槽；然后向密封钻孔压入湍流空气，与钻孔内瓦斯预混，形成浓度在9％‑10％的混合气体；启动点火装置引爆混合气体，进行一级脉冲燃爆压裂，形成冲击波，致裂缝槽周围煤体；同时燃爆产生的高温促进煤体瓦斯解吸；待瓦斯解吸一段时间后，继续预混起爆进行二级、三级等多级脉冲燃爆压裂，在钻孔周围形成立体裂缝网络；最后进行瓦斯抽采，当抽采过程一氧化碳超过报警阈值时，向钻孔内通入湍流氮气，消除煤自燃风险。该方法利用钻孔原位解吸甲烷诱导燃爆压裂，成本低廉，能够有效构造立体裂缝网络，提高瓦斯的抽采效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法，尤其适用于煤矿井下高瓦斯低透气性坚硬煤层的瓦斯高效抽采。
背景技术
我国煤层透气性普遍较低，常规的钻孔抽采工程量大但效率低，需要采取有效的致裂增透技术，提高煤层的透气性。常规的煤层致裂增透技术主要包括水力化技术和深孔爆破技术，水力化技术包含水力压裂、水力冲孔和水力割缝等，需消耗大量的水和压裂液；深孔爆破通过钻孔内安装爆炸物，利用爆炸产生的冲击波致裂煤体，存在装药困难、哑炮等问题，威胁井下安全生产。因此，需要开发一种成本低廉、省时省力、高效的立体缝网构造方法，提高钻孔瓦斯抽采效率。
甲烷燃爆压裂利用钻孔的原位解吸甲烷，向钻孔内注入助燃剂(空气)稀释甲烷浓度至爆炸范围，然后引爆甲烷，通过甲烷燃爆产生的高温高压冲击波致裂煤体，产生立体的裂缝网络，提高钻孔瓦斯抽采效率；同时燃爆产生的高温环境还可以促进甲烷的解吸。该方法将甲烷燃爆由一种煤矿井下灾害转变为一种高效致裂方法，不需要消耗水和压裂液，可燃物来自煤层原位解吸甲烷，没有地上运输和地下投放等过程，安全、经济、环保优势明显，是煤层瓦斯抽采的重要技术创新。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法，该方法利用煤层原位解吸甲烷燃爆压裂，没有地上运输和地下投放，无需大量的水和压裂液，能在钻孔周围高效构造立体裂缝网络，提高瓦斯抽采效率，尤其适用于高瓦斯低透气性坚硬煤层。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法，包括以下步骤：
a.从巷道向煤层施工瓦斯抽采钻孔，然后在钻孔内放入套管；
b.在套管内放入定向聚能射孔装置，所定向聚能射孔装置包含滚珠导靴、射孔器、连接杆、推进杆、起爆器和封隔器，所述滚珠导靴前端临近钻孔底部，尾端通过连接杆与射孔器、推进杆和起爆器依次相连，射孔器包含射孔枪和射孔弹，射孔枪为杆状，内部有弹架，射孔弹依次装在弹架中，各射孔弹弹尾与起爆器连接，所述套管与推进杆之间设有封隔器，封隔器距钻孔孔口一段距离；
c.启动起爆器，激发射孔枪内的射孔弹产生高压射流，使瓦斯抽采钻孔周围形成导向缝槽，之后回收定向聚能射孔装置，完成射孔操作；
d.将瓦斯抽采管、注气管和点火装置放入瓦斯抽采钻孔并用封孔器封孔；
e.将瓦斯抽采管接入瓦斯抽采主管路，瓦斯抽采管与瓦斯抽采主管路之间依次设置阀门一、甲烷传感器、一氧化碳传感器和阀门二；
f.将注气管与气泵相连，气泵的进气口分两路，分别与空气管路和氮气管路相连，注气管与气泵之间的管路设置阀门三，气泵与空气管路、氮气管路之间分别设置有阀门四和阀门五；
g.打开阀门三和阀门四，启动气泵，向钻孔内注入高速湍流空气，空气与甲烷充分预混，同时打开阀门一，关闭阀门二，监测甲烷浓度；当甲烷浓度达到爆炸范围时，关闭气泵、阀门二、阀门三和阀门四，停止空气注入；
h.启动点火装置，引爆钻孔内的混合气体，进行一级脉冲燃爆压裂，使导向缝槽周围的煤体产生大量的分支裂隙；
i.打开阀门一监测燃爆后甲烷浓度和一氧化碳浓度，使裂隙煤体甲烷在燃爆冲击后的高温环境下充分解吸；当一氧化碳传感器的监测数值超过报警阈值时，打开阀门三和阀门五，启动气泵通过氮气管路向钻孔内注入高速湍流氮气，直到一氧化碳浓度降低到报警阈值以下，停止气泵，关闭阀门三和阀门五；
j.重复步骤g、h和i，对钻孔进行二级、三级等多级脉冲燃爆压裂，使导向缝槽周围煤体充分破裂，形成立体裂缝网络，促进瓦斯大量解吸；。
k.打开阀门二，进行钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采。
步骤b中，所述滚珠导靴前端临近钻孔底部的距离为18-22厘米。
所述封隔器距离钻孔孔口的距离为45-55厘米。
所述的点火装置放入钻孔内部距离封孔器20厘米的部分含有能够在多次燃爆冲击后正常启动保护壳。
步骤g中，所述空气与甲烷充分预混合气体的爆炸范围是9％-10％。
步骤i中，所述的一氧化碳报警阈值为24-50ppm。
有益效果：由于采用了上述技术方案，发明首先在钻孔内进行定向聚能射孔，然后进行甲烷多级燃爆压裂，利用多次甲烷燃爆冲击波致裂导向缝槽周围煤体，高效构造立体可控的裂缝网络，通过监测钻孔内一氧化碳浓度并适时注入高压湍流氮气，降低煤自燃风险。并通过注入高压湍流空气为助燃剂，提高与甲烷的混合效率而且成本低廉。与现有技术相比，不需要可燃物的地上运输与地下投放，能够在钻孔周围构造立体裂缝网络，显著提高了钻孔有效影响范围，大大提高了瓦斯抽采效率，更加安全、经济和环保、高效，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明钻孔定向聚能射孔示意图。
图2为本发明钻孔甲烷多级脉冲燃爆压裂示意图。
图中：1-套管，2-导向缝槽，3-滚珠导靴，4-射孔器，5-连接杆，6-推进杆，7-起爆器，8-封隔器，9-分支裂缝，10-瓦斯抽采管，11-注气管，12-点火装置，13-阀门一，14-甲烷传感器，15-一氧化碳传感器，16-阀门二，17-阀门三，18-气泵，19-阀门四，20-阀门五，21-空气管路，22-氮气管路，23-封孔器。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明的钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法，具本步骤如下：
a.从巷道向煤层施工瓦斯抽采钻孔，然后在钻孔内放入套管1；
b.在套管内放入定向聚能射孔装置，所定向聚能射孔装置包含滚珠导靴3、射孔器4、连接杆5、推进杆6、起爆器7和封隔器8，所述滚珠导靴3前端临近钻孔底部，所述滚珠导靴3前端临近钻孔底部的距离为18-22厘米。滚珠导靴3尾端通过连接杆5与射孔器4、推进杆6和起爆器7依次相连，射孔器4包含射孔枪和射孔弹，射孔枪为杆状，内部有弹架，射孔弹依次装在弹架中，各射孔弹弹尾与起爆器7连接，所述套管1与推进杆6之间设有封隔器8，封隔器8距钻孔孔口一段距离，能在射孔时起到隔绝能量的作用；所述封隔器8距离钻孔孔口的距离为45-55厘米。
c.启动起爆器7，激发射孔枪内的射孔弹产生高压射流，使瓦斯抽采钻孔周围形成导向缝槽，之后回收定向聚能射孔装置，完成射孔操作；
d.钻孔甲烷多级脉冲燃爆压裂，如图2所示，将瓦斯抽采管10、注气管11和点火装置12放入瓦斯抽采钻孔并用封孔器23封孔；所述的点火装置12放入钻孔内部距离封孔器20厘米的部分含有能够在多次燃爆冲击后正常启动保护壳。
e.将瓦斯抽采管10接入瓦斯抽采主管路，瓦斯抽采管10与瓦斯抽采主管路之间依次设置阀门一13、甲烷传感器14、一氧化碳传感器15和阀门二16；
f.将注气管11与气泵18相连，气泵18的进气口分两路，分别与空气管路21和氮气管路22相连，注气管11与气泵18之间的管路设置阀门三17，气泵18与空气管路21、氮气管路之间分别设置有阀门四19和阀门五20；
g.打开阀门三17和阀门四19，启动气泵18，向钻孔内注入高速湍流空气，空气与甲烷充分预混，所述空气与甲烷充分预混合气体的爆炸范围是9％-10％。同时打开阀门一13，关闭阀门二16，监测甲烷浓度；当甲烷浓度达到爆炸范围时，关闭气泵18、阀门二13、阀门三17和阀门四19，停止空气注入；
h.启动点火装置12，引爆钻孔内的混合气体，进行一级脉冲燃爆压裂，使导向缝槽周围的煤体产生大量的分支裂隙9；
i.打开阀门一13监测燃爆后甲烷浓度和一氧化碳浓度，使裂隙煤体甲烷在燃爆冲击后的高温环境下充分解吸后关闭阀门一13；当一氧化碳传感器的监测数值超过报警阈值时，打开阀门三17和阀门五20，启动气泵18通过氮气管路22向钻孔内注入高速湍流氮气，直到一氧化碳浓度降低到报警阈值以下，停止气泵15，关闭阀门三17和阀门五22；所述的一氧化碳报警阈值为24-50ppm。
j.重复步骤g、h和i，对钻孔进行二级、三级等多级脉冲燃爆压裂，使导向缝槽周围煤体充分破裂，形成立体裂缝网络，促进瓦斯大量解吸；
k.打开阀门一13和阀门二16，进行钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采。
Claims (4)
1.一种钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法，其特征在于包括以下步骤：
a.从巷道向煤层施工瓦斯抽采钻孔，然后在钻孔内放入套管（1）；
b.在套管内放入定向聚能射孔装置，所定向聚能射孔装置包含滚珠导靴（3）、射孔器（4）、连接杆（5）、推进杆（6）、起爆器（7）和封隔器（8），所述滚珠导靴（3）前端临近钻孔底部，尾端通过连接杆（5）与射孔器（4）、推进杆（6）和起爆器（7）依次相连，射孔器（4）包含射孔枪和射孔弹，射孔枪为杆状，内部有弹架，射孔弹依次装在弹架中，各射孔弹弹尾与起爆器（7）连接，所述套管（1）与推进杆（6）之间设有封隔器（8），封隔器（8）距钻孔孔口一段距离；
c.启动起爆器（7），在钻孔内进行定向聚能射孔，激发射孔枪内的射孔弹产生高压射流，使瓦斯抽采钻孔周围形成导向缝槽，之后回收定向聚能射孔装置，完成射孔操作；
d.将瓦斯抽采管（10）、注气管（11）和点火装置（12）放入瓦斯抽采钻孔并用封孔器（23）封孔；
e.将瓦斯抽采管（10）接入瓦斯抽采主管路，瓦斯抽采管（10）与瓦斯抽采主管路之间依次设置阀门一（13）、甲烷传感器（14）、一氧化碳传感器（15）和阀门二（16）；
f.将注气管（11）与气泵（18）相连，气泵（18）的进气口分两路，分别与空气管路（21）和氮气管路（22）相连，注气管（11）与气泵（18）之间的管路设置阀门三（17），气泵（18）与空气管路（21）、氮气管路之间分别设置有阀门四（19）和阀门五（20）；
g.打开阀门三（17）和阀门四（19），启动气泵（18），向钻孔内注入高速湍流空气，空气与甲烷充分预混，同时打开阀门一（13），关闭阀门二（16），监测甲烷浓度；当甲烷浓度达到爆炸范围时，关闭气泵（18）、阀门二（16 ）、阀门三（17）和阀门四（19），停止空气注入；所述空气与甲烷充分预混合气体的爆炸范围是9%-10%；
h.启动点火装置（12），引爆钻孔内的混合气体，进行一级脉冲燃爆压裂，形成冲击波使导向缝槽周围的煤体产生大量的分支裂隙（9）；
i.打开阀门一（13）监测燃爆后甲烷浓度和一氧化碳浓度，使裂隙煤体甲烷在燃爆冲击后的高温环境下充分解吸；当一氧化碳传感器的监测数值超过报警阈值时，打开阀门三（17）和阀门五（20），启动气泵（18）通过氮气管路（22）向钻孔内注入高速湍流氮气，直到一氧化碳浓度降低到报警阈值以下，停止气泵（18 ），关闭阀门三（17）和阀门五（20 ）；所述的一氧化碳报警阈值为24-50ppm；通过监测钻孔内一氧化碳浓度并适时注入高压湍流氮气，降低煤自燃风险；
j.重复步骤g、h和i，对钻孔继续预混起爆进行甲烷二级、三级等多级脉冲燃爆压裂，利用多次甲烷燃爆冲击波致裂导向缝槽周围煤体，使导向缝槽周围煤体充分破裂，形成立体裂缝网络，促进瓦斯大量解吸；
k.打开阀门二（16），进行钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采。
2.如权利要求1所述的一种钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法，其特征在于：步骤b中，所述滚珠导靴（3）前端临近钻孔底部的距离为18-22厘米。
3.如权利要求1所述的一种钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法，其特征在于：所述封隔器（8）距离钻孔孔口的距离为45-55厘米。
4.如权利要求1所述的一种钻孔甲烷多级脉冲聚能燃爆强化抽采方法，其特征在于：所述的点火装置（12）位于瓦斯抽采钻孔内部距离封孔器（23）约20mm的部分装有能够在多次燃爆冲击后正常启动保护外壳。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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