CN113107485A - 致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，属于煤矿开采领域。该抽采方法中应用了致裂触发器，该致裂触发器的外管内腔中设有液氮储集袋与反应管，反应管内依次设有限位板、氢氧化钙固体以及充水薄膜袋，穿刺导管上设有冲击帽，穿刺导管的穿刺端头由后向前依次穿过充水薄膜袋、氢氧化钙固体以及限位板后，其上的冲击帽可挤压充水薄膜袋；利用致裂触发器在分段致裂孔内实施多次致裂，可大幅度提高煤体的透气性，解决了低透煤层瓦斯抽采过程中，常规瓦斯抽采方法所存在的抽采效率低、瓦斯抽采量衰减快的难题。

Description

致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法

技术领域

本发明属于煤矿开采领域，具体涉及一种致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法。

背景技术

煤矿瓦斯又称煤层气，是赋存于煤及围岩内以甲烷为主要成分的可燃性气体。煤矿瓦斯是矿井安全生产的主要威胁，但同时又是一种清洁能源。多数矿井采用瓦斯抽采的方法实施瓦斯灾害治理，其具有一举三得之功效。其一，可以保障煤炭生产安全、大幅降低煤矿瓦斯事故的发生率；其二，可以有效保护生态环境；其三，当前我国环保问题严重，大力推进瓦斯抽采有助于改善我国能源结构，降低天然气对外依存度。

我国多数矿井属高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，且煤层透气性系数低、煤层瓦斯地质条件复杂，致使采用常规的瓦斯抽采方法难以实现工作面采前瓦斯抽采达标。故，针对煤层透气性系数低、抽采难度大等难题，研究某种适宜的煤层增透方法对煤体实施强化抽采，提高瓦斯抽采效果，已成为我国煤矿安全工作者竞相追逐的热点之一。

经过多年的研究与实践，目前已形成了以水力压裂、高压水力割缝、深孔预裂爆破等为主的煤层增透技术体系。液氮相变致裂是以上煤层增透技术体系中的一种新兴工艺，其是利用液氮由液相转换为气相而产生的高压致使煤层产生次生裂隙的一种方法，该项技术目前已在国外的页岩气与煤层气开采中得以大面积推广应用，而在我国的研究与应用尚处于初级阶段。特别是，适用于煤矿井下工程实际的分段致裂煤层的瓦斯抽采方法仍属于行业技术领域的空白。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，以解决低透煤层瓦斯抽采过程中，常规瓦斯抽采方法存在的抽采效率低、瓦斯抽采量衰减快的难题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种致裂触发器，包括外管与穿刺导管；外管的内腔中固设有液氮储集袋与反应管；该反应管通过安装板架固设在液氮储集袋的后方，反应管内沿轴线方向由前至后依次设有限位板、氢氧化钙固体以及充水薄膜袋，其中限位板的中心开设有用以穿过穿刺导管的通过孔，位于通过孔的旁侧处开有若干透气孔Ⅰ；穿刺导管上固设有冲击帽，穿刺导管的穿刺端头由后向前依次穿过充水薄膜袋、氢氧化钙固体以及限位板后，其上的冲击帽可挤压充水薄膜袋；外管的尾端设有与筛管相接的螺纹段；穿刺导管的穿刺端头处设有透气孔Ⅱ，穿刺导管的尾端设有与导气管相接的螺纹段。

进一步，还包括卡位机构，该卡位机构主要由卡位插销与卡位弹簧组成；安装板架上设有插销安装孔，卡位插销插装在插销安装孔中，卡位弹簧套装在卡位插销上、且卡位弹簧的两端头对应由安装板架以及卡位插销上的挡块隔挡限位，以使卡位插销可在卡位弹簧的作用下复位；卡位机构至少有两个，以各卡位插销垂直于反应管轴线的方式相对设置在反应管的后端头面处。

进一步，穿刺导管上位于冲击帽后方处还依次设有活动块与固定块，其中活动块是由两个圆台体以底面对应贴合的形式组合而成，套装在穿刺导管上的活动块可沿穿刺导管轴线在冲击帽与固定块之间前后移动；穿刺导管上的冲击帽为半球型结构，该半球型结构上具有球型弧面与圆台凹槽；其中球型弧面朝向充水薄膜袋一侧以顶压充水薄膜袋，卡位插销上具有与球型弧面相配合的导引斜面；圆台凹槽位于活动块一侧，活动块嵌合在圆台凹槽内时，活动块上的圆台侧面与球型弧面配合形成卡位插销导引面。

进一步，穿刺导管上设有圆盘状的导向板，该导向板的外径小于外管的内径，导向板的边缘处设有导向带，对应的，外管的内壁面上设有与导向带相配合的导向槽。

一种基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，主要包括以下步骤：

S1：应用钻进设备，在煤矿井下回采工作面的运输顺槽内沿煤层的倾向方向施工分段致裂孔，该分段致裂孔的终孔位置与回采工作面的回风顺槽间隔一定距离；

S2：分段致裂孔施工完毕后，先将钢制的抽采管放入到分段致裂孔内，后采用封堵材料进行分段致裂孔封孔；

S3：分段致裂孔封孔完成后，将权利要求4所述的致裂触发器放入到抽采管内，并将筛管与致裂触发器中的外管相连接，持续输送筛管以推进致裂触发器，使致裂触发器经抽采管逐步进入至分段致裂孔内，待致裂触发器到达预定位置后，停止输送；

将导气管经抽采管输送至致裂触发器处，待导气管接近致裂触发器中的穿刺导管时，将导气管的前端头与穿刺导管的尾端螺纹连接，但不用输送；抽采管的端头设有法兰，通过法兰将钢制的四通(端口一)与钢制的抽采管进行连接，并将四通另一侧(与端口一正对的端口二)的法兰与推进活塞相连接；

S4：将推进活塞与液压泵站相连接，液压泵站输送高压油以驱动推进活塞向分段致裂孔的孔口方向移动，进而实现推进活塞推动导气管向分段致裂孔的深度方向移动，直至设置在穿刺导管上的冲击帽挤压充水薄膜袋，并使得充水薄膜袋中的水外泄；

外泄的水与氢氧化钙固体接触并放出大量的热；继续向分段致裂孔深度方向移动的穿刺导管将刺破液氮储集袋，泄漏的液氮受氢氧化钙与水反应所放出的热量影响而产生相变，形成大量的高压氮气，该高压氮气使得煤体内产生大量的次生裂隙；

S5：在四通上设置的气体参数监测口，并通过气体压力测定装置对该分段致裂孔内的气体压力进行测定；

S6：待气体压力降低且连续1周数值变化小于10％时，再利用钻进设备在与该分段致裂孔间隔一定距离处钻进一个瓦斯抽采钻孔；瓦斯抽采钻孔施工完毕后，随即对其进行有效封堵，而后放入相应的温度测定装置对该瓦斯抽采钻孔内的温度进行测定，以确定前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围边界，确保该瓦斯抽采钻孔的位置在前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围内；若该瓦斯抽采钻孔的位置不在前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围内，则在接近分段致裂孔的方向上，再次钻进一个瓦斯抽采钻孔、直至该瓦斯抽采钻孔在前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围内；

S7：在四通的另两个端口(端口三与端口四)处对应设置蝶阀，其中四通的上端口(端口三)与抽采管网相连接，下端口(端口四)与气水分离装置相连接；打开抽采管网接口处的蝶阀，在抽采管网的负压驱动下，分段致裂孔内的气体通过筛管进入抽采管网内，同时，施工在分段致裂孔旁侧的瓦斯抽采钻孔也并入抽采管网实施瓦斯抽采；

S8：每天通过气体压力测定装置监测抽采过程中的瓦斯抽采量与瓦斯浓度；若瓦斯抽采量发生明显的衰减，且瓦斯浓度低于30％后，可调整四通上端口蝶阀的开闭度，同时关闭下端口蝶阀；而后，卸载四通上的推进活塞，并将致裂触发器与连有穿刺导管的导气管退出分段致裂孔。

进一步，还包括步骤S9：再次将氢氧化钙固体与充水薄膜袋放入致裂触发器的相应位置，后将致裂触发器、穿刺导管以及导气管逐步放入到分段致裂孔内，待致裂触发器到达第二预定位置后，重复S4～S5，而后重复S7直至实现瓦斯抽采达标。

进一步，步骤S3中所述的预定位置为致裂触发器的第一次致裂预定位置，其位于分段致裂孔孔口至深度方向的三分之二深度处；步骤S9中所述的第二预定位置为致裂触发器的第二次致裂预定位置，其位于分段致裂孔孔口至深度方向的三分之一深度处。

进一步，步骤S6中确定液氮相变致裂影响范围边界的方式为：通过温度测定装置对瓦斯抽采钻孔内的温度进行测定，若测定出的温度低于0℃，则可判断该位置为分段致裂孔第一次液氮相变致裂的影响范围边界；若温度高于0℃，则需在靠近分段致裂孔的位置处，再次施工一个瓦斯抽采钻孔，直至新施工的瓦斯抽采钻孔内测得的温度低于0℃，将该瓦斯抽采钻孔与分段致裂孔间的距离记作L，该L即为第一次液氮相变致裂的影响范围边界。

进一步，步骤S2中，采用封堵材料进行分段致裂孔封孔时，先设置前封堵隔离段与后封堵隔离段，其中前封堵隔离段设置在距离分段致裂孔孔口2m处，后封堵隔离段设置在距离抽采管末端端面1m处，前封堵隔离段与后封堵隔离段之间的区域为固化段；分段致裂孔封堵时，在前封堵隔离段、后封堵隔离段以及固化段(分段致裂孔与钢制抽采管配合形成的环形空间)内采用聚氨酯材料或水泥浆材料对分段致裂孔进行封堵。

进一步，步骤S1中，分段致裂孔的终孔位置距离回采工作面的回风顺槽30m。

本发明的有益效果在于：

该抽采方法中应用了致裂触发器，通过在分段致裂孔内利用致裂触发器与导气管实施多次致裂，解决了低透煤层瓦斯抽采过程中，常规瓦斯抽采方法所存在的抽采效率低、瓦斯抽采量衰减快的难题；与以往的瓦斯抽采方法相比具有以下优点：

(1)特有的基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，采用了氢氧化钙与清水反应发热的方法，可安全有效的触发液氮的相变，且该种方法造价低廉、具有良好的重复使用性，易于在煤矿现场大面积推广应用；

(2)可依据煤矿井下的工程实际，在分段致裂孔内实现2～3次的液氮相变致裂煤层，并且在第1次相变致裂煤层后通过煤体温度的变化确定相应的影响范围，进而为后续瓦斯抽采方案的制定提供可靠的工程依据，并可大幅度降低煤矿井下的瓦斯抽采钻孔的工程量，具有极为显著的技术、经济效益；

(3)该瓦斯抽采方法通过氮相变致裂煤层，从而大幅度提高煤体的透气性；并且液氮在相变的过程中将吸收煤体内的热量，使得煤层的瓦斯吸附性能发生改变，易于瓦斯在煤固体表面的脱附；同时，液氮相变后的气体压力将使得煤体内的瓦斯气体分压发生变化，从而进一步提高煤层的瓦斯抽采效果。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为致裂触发器的结构示意图；

图2为图1的A部放大图。

图3为卡位机构的结构示意图；

图4为活动块对卡位插销的导引示意图一；

图5为活动块对卡位插销的导引示意图二；

图6为分段致裂孔与瓦斯抽采钻孔的开采示意图；

图7为抽采管在分段致裂孔中的安置示意图；

图8为四通的连接示意图。

附图标记：

致裂触发器1中：外管101、螺纹段101a、穿刺导管102、透气孔Ⅱ102a、螺纹段102b、液氮储集袋103、反应管104、安装板架105、插销安装孔105a、限位板106、通过孔106a、透气孔Ⅰ106b、氢氧化钙固体107、充水薄膜袋108、冲击帽109、球型弧面109a、圆台凹槽109b、卡位插销110、导引斜面110a、卡位弹簧111、活动块112、圆台侧面112a、固定块113、导向板114；

致裂触发器1、分段致裂孔2、抽采管3、封堵材料4、前封堵隔离段401、后封堵隔离段402、固化段S、法兰5、四通6、端口一601、端口二602、端口三603、端口四604、蝶阀605、推进活塞7、气体参数监测口8、气体压力测定装置9、瓦斯抽采钻孔10、瓦斯抽采钻孔10a、第一次致裂的预定位置P1、第一次致裂的预定位置P2。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图8，为一种致裂触发器1，包括外管101与穿刺导管102；外管101的内腔中固设有液氮储集袋103与反应管104；该反应管104通过安装板架105固设在液氮储集袋103的后方，反应管104内沿轴线方向由前至后依次设有限位板106、氢氧化钙固体107以及充水薄膜袋108，其中限位板106的中心开设有用以穿过穿刺导管102的通过孔106a，位于通过孔106a的旁侧处开有若干透气孔Ⅰ106b；穿刺导管102上固设有冲击帽109，穿刺导管102的穿刺端头由后向前依次穿过充水薄膜袋108、氢氧化钙固体107以及限位板106(上的通过孔106a)后，其上的冲击帽109可挤压充水薄膜袋108；外管101的尾端设有与筛管相接的螺纹段101a；穿刺导管102的穿刺端头处设有透气孔Ⅱ102a，穿刺导管102的尾端设有与导气管相接的螺纹段102b。

该致裂触发器1中，液氮储集袋103、反应管104、安装板架105、限位板106、氢氧化钙固体107以及充水薄膜袋108是设置在外管101的内腔中，与外管101一起形成整体并随外管101一起推进至预订位置处，而外管101则是通过尾端(亦为后端)的螺纹段101a与筛管螺纹连接，通过控制筛管前进，从而实现外管101的推进；穿刺导管102尾端(亦为后端)与导气管螺纹连接，通过推进导气管，从而实现穿刺导管102的前进，进而达到穿刺导管102穿刺引发相变反应的目的。

作为上述方案的进一步改进，还包括卡位机构，该卡位机构主要由卡位插销110与卡位弹簧111组成；安装板架105上设有插销安装孔105a，卡位插销110插装在插销安装孔105a中，卡位弹簧111套装在卡位插销110上、且卡位弹簧111的两端头对应由安装板架105以及卡位插销110上的挡块隔挡限位，以使卡位插销110可在卡位弹簧111的作用下复位；该卡位机构至少有两个，以各卡位插销110垂直于反应管104轴线的方式相对设置在反应管104的后端头面处。该卡位机构设置在反应管104的尾端面处并与冲击帽109相配合，可保证带有冲击帽109的穿刺导管102不易从反应管104中脱出。

作为上述方案的进一步改进，穿刺导管102上位于冲击帽109后方处还依次设有活动块112与固定块113，其中活动块112是由两个圆台体以底面对应贴合的形式组合而成，套装在穿刺导管102上的活动块112可沿穿刺导管轴线在冲击帽109与固定块113之间前后移动；穿刺导管102上的冲击帽109为半球型结构，该半球型结构上具有球型弧面109a与圆台凹槽109b；其中球型弧面朝向充水薄膜袋108一侧以顶压充水薄膜袋108，卡位插销110上具有与球型弧面109a相配合的导引斜面110a；圆台凹槽109b位于活动块112一侧，活动块112嵌合在圆台凹槽109b内时，活动块112上的圆台侧面112a与球型弧面109a配合形成卡位插销导引面。为使卡位插销导引面能顺利导引卡位插销110，该导引面的设置需满足：(半球型结构的)冲击帽109上位于最大直径面的球型弧面109a边缘不越过活动块112的对接边缘，该对接边缘指的是两个圆台体底面相接所形成的、位于活动块112最大直径面的棱边。

该致裂触发器的工作过程为：

通过推动导气管可使穿刺导管102向前(即液氮储集袋103方向)移动，当半球型结构的冲击帽109与卡位插销110接触时，由于半球型结构上具有球型弧面109a，且卡位插销110上的导引斜面110a为三角斜切面，故持续推进导气管将使得卡位弹簧111发生压缩，两个卡位插销110之间的距离增大，进而使得半球型结构的冲击帽109通过卡位机构；待半球型结构的冲击帽109完全通过卡位插销110后，卡位插销110又在卡位弹簧111的作用下向致裂触发器轴心方向移动、进而防止冲击帽向后方(即后述的段致裂孔孔口方向)移动。

持续推进导气管，将使得半球型结构的冲击帽109挤压装有清水的充水薄膜袋108，使得清水外泄，并与氢氧化钙固体接触发生反应从而放出大量的热。穿刺导管102与导气管相同，均是中空结构，穿刺导管102的前端部为锥刺且带有透气孔Ⅱ102a，待穿刺导管102移动至液氮储集袋103位置时，由于其前端为带透气孔Ⅱ102a的锥刺结构，故继续移动将刺破液氮储集袋103，使液氮发生泄漏。泄漏的液氮随即受氢氧化钙与清水反应放出的热量影响产生相变，进而形成大量的高压氮气，该高压氮气即可使得煤体内产生大量的次生裂隙。

需要卸除穿刺导管102时，持续推进导气管以使穿刺导管102继续前进，在卡位插销110的隔挡作用下，活动块112将后移至固定块113处，固定设置的固定块113起到限位作用，此时活动块112不能继续后移，由于活动块112是由两个圆台体结构以大端面对应叠加而成，故卡位插销110与圆台侧面112a接触将使得卡位弹簧111发生压缩，向后方拉动导气管，套装在穿刺导管102上的活动块112将进入冲击帽109的圆台凹槽109b内部，而后继续拉动导气管，在卡位插销导引面(圆台侧面112a与球型弧面109a配合形成)作用下，则活动块112再次与卡位插销接110触使得卡位弹簧111发生压缩，进而实现穿刺导管102的完全退出。

作为上述方案的进一步优化，穿刺导管102上设有圆盘状的导向板114，该导向板114的外径略小于外管101的内径，导向板114的边缘处设有导向带，对应的，外管的内壁面上设有与导向带相配合的导向槽。这样，在导气管输送时可保证穿刺导管102与致裂触发器的外管101同心同轴，进而使得穿刺导管102前进时与充水薄膜袋108以及限位板106的配合可靠性。

一种基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

S1：应用钻进设备，在煤矿井下回采工作面的运输顺槽内沿煤层的倾向方向施工分段致裂孔2，该分段致裂孔2的终孔位置距离回采工作面的回风顺槽30m。

S2：分段致裂孔2施工完毕后，随即将钢制的抽采管3放入到分段致裂孔2内，该钢制的抽采管3长度为30m、且其位于(分段致裂孔)孔口一端头处设有法兰5，后采用封堵材料4对分段致裂孔进行有效封孔，以防止液氮相变过程中气体压力增大而使得氮气与瓦斯的混合气体泄漏至分段致裂孔孔口以外的空间，从而引发安全事故。

该S2步骤中，采用封堵材料4进行分段致裂孔封孔时，可先对应设置前封堵隔离段401与后封堵隔离段402，其中前封堵隔离段401设置在距离分段致裂孔孔口2m处；后封堵隔离段402设置在距离抽采管3末端端面1m处，该1m距离是从抽采管3末端端面向孔口方向偏移形成。前封堵隔离段401与后封堵隔离段402之间的环形区域记做固化段S，此处的环形区域是分段致裂孔2与内置的抽采管3配合形成。

分段致裂孔封堵时，可在前封堵隔离段401、后封堵隔离段402以及固化段S内采用聚氨酯材料或水泥浆材料对分段致裂孔进行封堵。当然，前封堵隔离段401与后封堵隔离段402亦可采用预先捆绑在抽采管3上的聚氨酯袋或其他气囊式的封孔器。

S3：分段致裂孔封孔完成后，将前述的致裂触发器1放入到抽采管3内，并将筛管与致裂触发器1中的外管101螺纹连接，筛管的管壁厚度、内径与致裂触发器的外管101相同，且筛管管壁上开设有诸多圆孔，作为煤体内瓦斯进入抽采管网的流通通道；持续输送筛管以推进致裂触发器1，即可使致裂触发器1经抽采管3逐步进入至分段致裂孔2内，待致裂触发器1到达第一次致裂的预定位置后，即可停止输送；该第一次致裂的预定位置P1位于分段致裂孔孔口至深度方向的三分之二深度处。

将导气管经抽采管3输送至致裂触发器处，待导气管接近致裂触发器中的穿刺导管102时，将导气管的前端头与穿刺导管102的尾端螺纹连接，但不用输送；此时，将钢制四通6的端口一601与抽采管3孔口端头的法兰5相连接，再将四通6上的端口二602(端口二602与端口一601正对)的法兰与推进活塞7相连接。

S4：将推进活塞7与液压泵站相连接，液压泵站输送高压油以驱动推进活塞7向分段致裂孔2的孔口方向移动，进而实现推进活塞7推动导气管向分段致裂孔2的深度方向移动，直至设置在穿刺导管102上的冲击帽109挤压充水薄膜袋108，并使得充水薄膜袋108中的水外泄。

外泄的水与氢氧化钙固体接触并放出大量的热；由于穿刺导管102的前端为带有透气孔Ⅱ102a的锥刺结构，故继续向分段致裂孔2深度方向移动的穿刺导管102将刺破液氮储集袋103，泄漏的液氮受氢氧化钙与水反应所放出的热量影响而产生相变，形成大量的高压氮气，该高压氮气使得煤体内产生大量的次生裂隙，同时也会降低并影响一定范围内的煤体温度。

S5：在四通6上设置的气体参数监测口8，并通过气体压力测定装置9对该分段致裂孔2内的气体压力进行测定。

S6：待气体压力降低且连续1周数值变化小于10％时，再利用钻进设备在与该分段致裂孔2间隔10m处钻进一个瓦斯抽采钻孔10，优选瓦斯抽采钻孔10的钻进角度与分段致裂孔2钻进角度相同，此时瓦斯抽采钻孔10的孔轴线与分段致裂孔2的孔轴线相平行。瓦斯抽采钻孔10施工完毕后，随即对其进行有效封堵，而后放入相应的温度测定装置对该瓦斯抽采钻孔10内的温度进行测定，以确定前一分段致裂孔2内的液氮相变致裂的影响范围边界。若测定出的温度低于0℃，则可判断该瓦斯抽采钻孔10的钻进位置为分段致裂孔第一次液氮相变致裂的影响范围边界；若温度高于0℃，则需在靠近分段致裂孔2的位置处，再次施工一个瓦斯抽采钻孔10a，直至新施工的瓦斯抽采钻孔10a内测得的温度低于0℃，即将该瓦斯抽采钻孔10a与分段致裂孔2间的距离记作L，该L即为第一次液氮相变致裂的影响范围边界。

S7：在四通6的另两个端口(端口三603与端口四604)处对应设置蝶阀605，在四通6初安设时，可将两个蝶阀605均设为关闭状态。而后四通的上端口(即端口三603)与抽采管网相连接，下端口(即端口四604)与气水分离装置相连接；打开抽采管网接口处的蝶阀605，在抽采管网的负压驱动下，分段致裂孔2内的气体通过筛管进入抽采管网内，该抽采过程中，在液氮相变致裂影响范围内的瓦斯抽采钻孔10a也同步并入抽采管网实施瓦斯抽采。

S8：每天通过气体压力测定装置9(瓦斯流量、浓度测定装置)监测抽采过程中的瓦斯抽采量与瓦斯浓度；若瓦斯抽采量发生明显的衰减，且瓦斯浓度低于30％后，则可开始准备第二次的液氮相变致裂。

该准备过程包括：调整四通6端口三603处的蝶阀605开闭度，同时关闭端口四604处的蝶阀，以使分段致裂孔2内的含瓦斯气体在抽采管网负压的作用下流入抽采管网，从而防止瓦斯气体流至分段致裂孔外威胁人员安全。而后，卸载四通6上的推进活塞7，并将致裂触发器1与连有穿刺导管102的导气管退出分段致裂孔2。

S9：再次将氢氧化钙固体107与充水薄膜袋108放入致裂触发器的相应位置，后将致裂触发器、穿刺导管以及导气管逐步放入到分段致裂孔内，待致裂触发器1到达第二预定位置后，重复S4～S5，而后重复S7直至实现瓦斯抽采达标。此处第二预定位置即为致裂触发器的第二次致裂的预定位置P2，其位于分段致裂孔孔口至孔深方向的三分之一长度处。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种致裂触发器，其特征在于：包括外管与穿刺导管；外管的内腔中固设有液氮储集袋与反应管；该反应管通过安装板架固设在液氮储集袋的后方，反应管内沿轴线方向由前至后依次设有限位板、氢氧化钙固体以及充水薄膜袋，其中限位板的中心开设有用以穿过穿刺导管的通过孔，位于通过孔的旁侧处开有若干透气孔Ⅰ；穿刺导管上设有冲击帽，穿刺导管的穿刺端头由后向前依次穿过充水薄膜袋、氢氧化钙固体以及限位板后，其上的冲击帽可挤压充水薄膜袋；外管的尾端设有与筛管相接的螺纹段；穿刺导管的穿刺端头处设有透气孔Ⅱ，穿刺导管的尾端设有与导气管相接的螺纹段。

2.根据权利要求1所述的致裂触发器，其特征在于：还包括卡位机构，该卡位机构主要由卡位插销与卡位弹簧组成；安装板架上设有插销安装孔，卡位插销插装在插销安装孔中，卡位弹簧套装在卡位插销上、且卡位弹簧的两端头对应由安装板架以及卡位插销上的挡块隔挡限位，以使卡位插销可在卡位弹簧的作用下复位；卡位机构至少有两个，以各卡位插销垂直于反应管轴线的方式相对设置在反应管的后端头面处。

3.根据权利要求2所述的致裂触发器，其特征在于：穿刺导管上位于冲击帽后方处还依次设有活动块与固定块，其中活动块是由两个圆台体以底面对应贴合的形式组合而成，套装在穿刺导管上的活动块可沿穿刺导管轴线在冲击帽与固定块之间前后移动；穿刺导管上的冲击帽为半球型结构，该半球型结构上具有球型弧面与圆台凹槽；其中球型弧面朝向充水薄膜袋一侧以顶压充水薄膜袋，卡位插销上具有与球型弧面相配合的导引斜面；圆台凹槽位于活动块一侧，活动块嵌合在圆台凹槽内时，活动块上的圆台侧面与球型弧面配合形成卡位插销导引面。

4.根据权利要求1～3任一所述的致裂触发器，其特征在于：穿刺导管上设有圆盘状的导向板，该导向板的外径小于外管的内径，导向板的边缘处设有导向带，对应的，外管的内壁面上设有与导向带相配合的导向槽。

5.一种基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，其特征在于主要包括以下步骤：

S1：应用钻进设备，在煤矿井下回采工作面的运输顺槽内沿煤层的倾向方向施工分段致裂孔，该分段致裂孔的终孔位置与回采工作面的回风顺槽间隔一定距离；

S2：分段致裂孔施工完毕后，先将钢制的抽采管放入到分段致裂孔内，后采用封堵材料进行分段致裂孔封孔；

S3：分段致裂孔封孔完成后，将权利要求4所述的致裂触发器放入到抽采管内，并将筛管与致裂触发器中的外管相连接，持续输送筛管以推进致裂触发器，使致裂触发器经抽采管逐步进入至分段致裂孔内，待致裂触发器到达预定位置后，停止输送；

将导气管经抽采管输送至致裂触发器处，待导气管接近致裂触发器中的穿刺导管时，将导气管的前端头与穿刺导管的尾端螺纹连接，但不用输送；抽采管的端头设有法兰，通过法兰将钢制的四通与钢制的抽采管进行连接，并将四通另一侧的法兰与推进活塞相连接；

S4：将推进活塞与液压泵站相连接，液压泵站输送高压油以驱动推进活塞向分段致裂孔的孔口方向移动，进而实现推进活塞推动导气管向分段致裂孔的深度方向移动，直至设置在穿刺导管上的冲击帽挤压充水薄膜袋，并使得充水薄膜袋中的水外泄；

外泄的水与氢氧化钙固体接触并放出大量的热；继续向分段致裂孔深度方向移动的穿刺导管将刺破液氮储集袋，泄漏的液氮受氢氧化钙与水反应所放出的热量影响而产生相变，形成大量的高压氮气，该高压氮气使得煤体内产生大量的次生裂隙；

S5：在四通上设置的气体参数监测口，并通过气体压力测定装置对该分段致裂孔内的气体压力进行测定；

S6：待气体压力降低且连续1周数值变化小于10％时，再利用钻进设备在与该分段致裂孔间隔一定距离处钻进一个瓦斯抽采钻孔；瓦斯抽采钻孔施工完毕后，随即对其进行有效封堵，而后放入相应的温度测定装置对该瓦斯抽采钻孔内的温度进行测定，以确定前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围边界，确保该瓦斯抽采钻孔的位置在前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围内；若该瓦斯抽采钻孔的位置不在前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围内，则在接近分段致裂孔的方向上，再次钻进一个瓦斯抽采钻孔、直至该瓦斯抽采钻孔在前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围内；

S7：在四通的另两个端口处对应设置蝶阀，其中四通的上端口与抽采管网相连接，下端口与气水分离装置相连接；打开抽采管网接口处的蝶阀，在抽采管网的负压驱动下，分段致裂孔内的气体通过筛管进入抽采管网内，同时，施工在分段致裂孔旁侧的瓦斯抽采钻孔也并入抽采管网实施瓦斯抽采；

S8：每天通过气体压力测定装置监测抽采过程中的瓦斯抽采量与瓦斯浓度；若瓦斯抽采量发生明显的衰减，且瓦斯浓度低于30％后，可调整四通上端口蝶阀的开闭度，同时关闭下端口蝶阀；而后，卸载四通上的推进活塞，并将致裂触发器与连有穿刺导管的导气管退出分段致裂孔。

6.根据权利要求5所述的基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，其特征在于还包括步骤S9：再次将氢氧化钙固体与充水薄膜袋放入致裂触发器的相应位置，后将致裂触发器、穿刺导管以及导气管逐步放入到分段致裂孔内，待致裂触发器到达第二预定位置后，重复S4～S5，而后重复S7直至实现瓦斯抽采达标。

7.根据权利要求6所述的基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤S3中所述的预定位置为致裂触发器的第一次致裂预定位置，其位于分段致裂孔孔口至深度方向的三分之二深度处；步骤S9中所述的第二预定位置为致裂触发器的第二次致裂预定位置，其位于分段致裂孔孔口至深度方向的三分之一深度处。

8.根据权利要求6所述的基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤S6中确定液氮相变致裂影响范围边界的方式为：通过温度测定装置对瓦斯抽采钻孔内的温度进行测定，若测定出的温度低于0℃，则可判断该位置为分段致裂孔第一次液氮相变致裂的影响范围边界；若温度高于0℃，则需在靠近分段致裂孔的位置处，再次施工一个瓦斯抽采钻孔，直至新施工的瓦斯抽采钻孔内测得的温度低于0℃，将该瓦斯抽采钻孔与分段致裂孔间的距离记作L，该L即为第一次液氮相变致裂的影响范围边界。

9.根据权利要求5所述的基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤S2中，采用封堵材料进行分段致裂孔封孔时，先设置前封堵隔离段与后封堵隔离段，其中前封堵隔离段设置在距离分段致裂孔孔口2m处，后封堵隔离段设置在距离抽采管末端端面1m处，前封堵隔离段与后封堵隔离段之间的区域为固化段；分段致裂孔封堵时，在前封堵隔离段、后封堵隔离段以及固化段内采用聚氨酯材料或水泥浆材料对分段致裂孔进行封堵。

10.根据权利要求5所述的基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤S1中，分段致裂孔的终孔位置距离回采工作面的回风顺槽30m。

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