CN114856565B - 一种煤层致裂装置和致裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层致裂装置和致裂方法，煤层致裂装置包括：加压液氮泵，与液氮源相连通；高压水泵，与水源相连通；高压密封钻杆，配置为能够在煤层中开设致裂钻孔，且沿着高压密封钻杆的延伸方向设置有输送管腔，该输送管腔的一端与所述致裂钻孔相连通，其另一端分别与所述高压水泵和加压液氮泵相连通。该装置致裂效果好、工序简单，能有效提升煤层透气性。

Description

一种煤层致裂装置和致裂方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采领域，尤其涉及一种煤层致裂装置和致裂方法。

背景技术

在煤层中蕴含有大量的煤层气资源，只开采煤炭不开采煤层气，不仅是对资源的浪费而且还会导致煤与瓦斯突出、瓦斯浓度超标等一系列安全问题。而我国的煤层气资源大部分表现为低渗性且难以开采，因此需要一系列的措施与方法有效增加煤层渗透性。其中使用液氮后致裂的煤体会产生裂隙群对于煤体的渗透性有很大幅度提高，水力割缝则是利用水射流的冲蚀作用切割煤体、创造自由空间、释放煤体压力，也是煤层增透的有效途径之一。而水力割缝+液氮致裂方法则在两者提升煤层渗透率的基础上由于水-冰相变、水力割缝后发育的裂隙再注入液氮而产生大量氮气会对扩大煤层裂隙、提高煤层渗透率有更显著作用。

发明内容

本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种煤层致裂装置和方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

本发明的一个目的在于提出一种煤层致裂装置，包括：

加压液氮泵，与液氮源相连通；

高压水泵，与水源相连通；

高压密封钻杆，配置为能够在煤层中开设致裂钻孔，且沿着高压密封钻杆的延伸方向设置有输送管腔，该输送管腔的一端与所述致裂钻孔相连通，其另一端分别与所述高压水泵和加压液氮泵相连通。

另外，根据本发明的煤层致裂装置和方法，还可以具有如下技术特征：

在本发明的一个示例中，还包括：第一通断阀和第二通断阀，

所述第一通断阀安装在所述加压液氮泵与所述高压密封钻杆之间，配置为控制液氮在所述加压液氮泵朝向高压密封钻杆方向上的通断；

所述第二通断阀安装在所述高压水泵与所述高压密封钻杆之间，配置为控制高压水在所述高压水泵朝向高压密封钻杆方向上的通断。

在本发明的一个示例中，还包括：计算机，

所述计算机与所述第一通断阀、所述第二通断阀相耦接，配置为控制所述第一通断阀和所述第二通断阀的通断；

所述计算机与所述高压密封钻杆相耦接，配置为控制所述高压密封钻杆的执行启停动作。

在本发明的一个示例中，还包括：瓦斯浓度检测仪，

其安装在所述煤层中配置为检测煤层在致裂过程中瓦斯浓度。

在本发明的一个示例中，所述计算机与所述瓦斯浓度检测仪相耦接，并且配置为：

从所述瓦斯浓度检测仪接收指示所述煤层中的瓦斯浓度信号；

所述计算机基于所述瓦斯浓度信号调节所述第一通断阀、所述第二通断阀的通断；

其中，当所述瓦斯浓度由初始瓦斯浓度上升至第一指定瓦斯浓度时，所述计算机关闭所述第一通断阀；当所述瓦斯浓度由第一指定瓦斯浓度上升至第二指定瓦斯浓度时，所述计算机关闭第二通断阀。

在本发明的一个示例中，所述高压密封钻杆包括多个，且沿着煤层的深度方向间隔布置，其中，每个所述高压密封钻杆开设的致裂钻孔沿着倾斜于煤层的水平方向延伸，且所述致裂钻孔的入口端低于其终止端，其中，水平方向与深度方向相互垂直。

在本发明的一个示例中，所述输送管腔包括彼此相互独立的输液氮管路和输水管路，且所述输液氮管路与所述输水管路之间通过高压射流喷嘴与致裂钻孔相连通；其中，所述高压射流喷嘴配置为调节所述输液管路或者所述输水管路与所述高压射流喷嘴相连通。

在本发明的一个示例中，所述高压射流喷嘴包括多个，且沿着所述高压密封钻杆的周向方向和延伸方向阵列设置。

在本发明的一个示例中，所述高压射流喷嘴包括：

本体部，具有喷头和与喷头相互连通的喷尾，其中，所述喷头与致裂钻孔相连通，所述喷尾分别与所述输液氮管路、所述输水管路相连通；

球形阀，枢转地配置在所述喷尾处，且能够在密封所述输液氮管路和所述输水管路两者中的一者的密封位置和打开所述输液氮管路和所述输水管路两者中的另一者的打开位置之间切换。

本发明的另一个目的在于提出一种如上述所述的煤层致裂装置的致裂方法，包括如下步骤：

S10：通过高压密封钻杆沿着煤层的深度方向间隔钻取致裂钻孔；

S20：由高压水泵通过高压密封钻杆水力切割煤层使得煤层发生致裂，在此过程中，煤层中的瓦斯浓度逐渐提高直至上升至第一指定瓦斯浓度，关闭高压水泵；

S30：将致裂钻孔的入口端密封，使得所述致裂钻孔内部形成密闭空间；

S40：由加压液氮泵通过高压密封钻杆向致裂钻孔内喷射液氮对致裂钻孔进一步致裂，待致裂钻孔内的瓦斯浓度达到第二指定瓦斯浓度时，关闭加压液氮泵。

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明通过在煤层中布置高压密封钻杆对煤层进行液氮致裂与水力割缝。同时通过水力割缝创造自由空间、对煤层进行卸压、增加煤层含水率大幅度的提高了液氮致裂煤层的效果。从而实现了液氮致裂、水力割缝对煤层的耦合致裂作用。本发明方法可以有效解决井下煤层低渗透率导致的瓦斯难抽采等问题，液氮致裂与水力割缝一体化装置简化了工序，实时监测调控液氮与水的注射则减少了水与液氮的使用量，较好的实现了成本的控制与资源的节约，增强了整体煤层致裂增透的效果。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为根据本发明实施例的煤层致裂装置的结构示意图；

图2为图1中A-A向剖视图；

图3为根据本发明实施例的高压密封钻杆的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的高压射流喷嘴的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的煤层致裂方法的步骤图。

附图标记列表：

煤层200；

致裂钻孔201；

入口端202；

终止端203；

煤层致裂装置100；

加压液氮泵10；

高压水泵20；

高压密封钻杆30；

输送管腔31；

输液氮管路311；

输水管路312；

高压射流喷嘴32；

本体部321；

喷头3211；

喷尾3212；

球形阀322；

第一通断阀40；

第二通断阀50；

计算机60；

瓦斯浓度检测仪70；

解调仪80；

割缝G；

深度方向S；

水平方向H；

延伸方向Y；

周向方向R。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

根据本发明第一方面的一种煤层致裂装置100，如图1和图2所示，包括：

加压液氮泵10，与液氮源相连通；

高压水泵20，与水源相连通；

高压密封钻杆30，配置为能够在煤层200中开设致裂钻孔201，且沿着高压密封钻杆30的延伸方向Y设置有输送管腔31，该输送管腔31的一端与所述致裂钻孔201相连通，其另一端分别与所述高压水泵20和加压液氮泵10相连通。

该装置在工作时，首先，通过高压密封钻杆30沿着煤层200的深度方向S间隔钻取致裂钻孔201；然后，由高压水泵20通过高压密封钻杆30水力切割煤层使得煤层发生致裂，在此过程中，煤层200中的瓦斯浓度逐渐提高直至上升至第一指定瓦斯浓度，关闭高压水泵20；接着，将致裂钻孔201的入口端202密封，使得所述致裂钻孔201内部形成密闭空间；最后，由加压液氮泵10通过高压密封钻杆30向致裂钻孔201内喷射液氮对致裂钻孔201进一步致裂，待致裂钻孔201内的瓦斯浓度达到第二指定瓦斯浓度时，关闭加压液氮泵10。该装置致裂效果好、工序简单，能有效提升煤层200透气性。

也就是说，先利用高压密封钻杆30与高压喷嘴的高压水射流对煤层200的平面内进行切割，利用水流作用与倾斜钻孔的重力作用将切割下的煤粉向外排除，创造了自由空间的同时，降低了煤层200的压力，扩大了煤层200的孔隙度。而后进行的液氮注射环节会由喷嘴沿着水射流形成的缝隙进一步对煤层200进行致裂，且由于煤层200含水率增加，水-冰相变作用加剧，致裂效果会显著增加且透气性显著提高。最后由监测钻孔中的瓦斯监测仪测得变化前后的瓦斯浓度。该装置致裂效果好、工序简单，能有效提升煤层200透气性。

本发明通过在煤层中布置高压密封钻杆对煤层进行液氮致裂与水力割缝。同时通过水力割缝创造自由空间、对煤层进行卸压、增加煤层含水率大幅度的提高了液氮致裂煤层的效果。从而实现了液氮致裂、水力割缝对煤层的耦合致裂作用。本发明方法可以有效解决井下煤层低渗透率导致的瓦斯难抽采等问题，液氮致裂与水力割缝一体化装置简化了工序，实时监测调控液氮与水的注射则减少了水与液氮的使用量，较好的实现了成本的控制与资源的节约，增强了整体煤层致裂增透的效果。

在本发明的一个示例中，还包括：第一通断阀40和第二通断阀50，

所述第一通断阀40安装在所述加压液氮泵10与所述高压密封钻杆30之间，配置为控制液氮在所述加压液氮泵10朝向高压密封钻杆30方向上的通断；

所述第二通断阀50安装在所述高压水泵20与所述高压密封钻杆30之间，配置为控制高压水在所述高压水泵20朝向高压密封钻杆30方向上的通断；

也就是说，该装置在工作时，首先，通过高压密封钻杆30沿着煤层200的深度方向S间隔钻取致裂钻孔201；然后，打开第二通断阀50，由高压水泵20通过高压密封钻杆30水力切割煤层200使得煤层200发生致裂，在此过程中，煤层200中的瓦斯浓度逐渐提高直至上升至第一指定瓦斯浓度，关闭第二通断阀50；接着，将致裂钻孔201的入口端202密封，使得所述致裂钻孔201内部形成密闭空间；最后，打开第一通断阀40，由加压液氮泵10通过高压密封钻杆30向致裂钻孔201内喷射液氮对致裂钻孔201进一步致裂，待致裂钻孔201内的瓦斯浓度达到第二指定瓦斯浓度时，关闭第一通断阀40泵。通过设置第一通断阀40、第二通断阀50可以方便对液氮泵、高压水泵20进行控制。

在本发明的一个示例中，还包括：计算机60，

所述计算机60与所述第一通断阀40、所述第二通断阀50相耦接，配置为控制所述第一通断阀40和所述第二通断阀50的通断；

所述计算机60与所述高压密封钻杆30相耦接，配置为控制所述高压密封钻杆30的执行启停动作；

也就是说，该装置在工作时，首先，通过高压密封钻杆30沿着煤层200的深度方向S间隔钻取致裂钻孔201；然后，由计算机60控制第二通断阀50打开，由高压水泵20通过高压密封钻杆30水力切割煤层200使得煤层200发生致裂，在此过程中，煤层200中的瓦斯浓度逐渐提高直至上升至第一指定瓦斯浓度，计算机60控制第二通断阀50关闭；接着，将致裂钻孔201的入口端202密封，使得所述致裂钻孔201内部形成密闭空间；最后，计算机60控制第一通断阀40打开，由加压液氮泵10通过高压密封钻杆30向致裂钻孔201内喷射液氮对致裂钻孔201进一步致裂，待致裂钻孔201内的瓦斯浓度达到第二指定瓦斯浓度时，计算机60控制第一通断阀40关闭。通过设置计算机60进一步方便对对液氮泵、高压水泵20进行控制。

在本发明的一个示例中，还包括：瓦斯浓度检测仪70，

其安装在所述煤层200中配置为检测煤层200在致裂过程中瓦斯浓度；

例如，可以将瓦斯浓度检测仪70放置在高压密封钻杆30所钻取的致裂钻孔201中，这样可以便于监测煤层200在致裂过程中瓦斯的浓度，方便对该装置的控制。

在本发明的一个示例中，所述计算机60与所述瓦斯浓度检测仪70相耦接，并且配置为：

从所述瓦斯浓度检测仪70接收指示所述煤层200中的瓦斯浓度信号；

所述计算机60基于所述瓦斯浓度信号调节所述第一通断阀40、所述第二通断阀50的通断；

其中，当所述瓦斯浓度由初始瓦斯浓度上升至第一指定瓦斯浓度时，所述计算机60关闭所述第一通断阀40；当所述瓦斯浓度由第一指定瓦斯浓度上升至第二指定瓦斯浓度时，所述计算机60关闭第二通断阀50；初始瓦斯浓度是指煤层200在非致裂状态下的瓦斯浓度。

简言之，第一通断阀40、第二通断阀50的通断动作的执行是基于瓦斯浓度检测仪70在煤岩中采集的瓦斯浓度值并依靠计算机60进行控制的，从而在最佳的瓦斯浓度调整第一通断阀40和第二通断阀50的通断状态，由此更加精确地控制煤岩的致裂。

需要说明的是，在所述计算机60与所述瓦斯浓度检测仪70之间还配置有解调仪80，用于信号的解调；而且作为优选地，各个部件之间通过光缆进行耦接。

在本发明的一个示例中，所述高压密封钻杆30包括多个，且沿着煤层200的深度方向S间隔布置，其中，每个所述高压密封钻杆30开设的致裂钻孔201沿着倾斜于煤层200的水平方向H延伸，且所述致裂钻孔201的入口端202低于其终止端203；其中，水平方向H与深度方向S相互垂直；

通过设置多个高压密封钻杆30可以同时开设多个致裂钻孔201，提高煤岩的致裂效率；而将所述致裂钻孔201的入口端202低于其终止端203设置这样可以利用水流作用与倾斜钻孔的重力作用将切割下的煤粉向外排除，创造了自由空间的同时，降低了煤层200的压力，扩大了煤层200的孔隙度。

在本发明的一个示例中，所述致裂钻孔201与水平方向H之间的夹角为10°，且所述致裂钻孔201的直径为100～150mm，所述致裂钻孔201的深度为10～40m；也就是说，延伸方向Y与水平方向H之间的夹角为10°。

进一步优选地，它包含角度为10°的5个致裂钻孔201与1个监测钻孔，在竖向上每个致裂钻孔201的距离为0.3m。

在本发明的一个示例中，所述输送管腔31包括彼此相互独立的输液氮管路311和输水管路312，且所述输液氮管路311与所述输水管路312之间通过高压射流喷嘴32与致裂钻孔201相连通；其中，所述高压射流喷嘴32配置为调节所述输液管路或者所述输水管路312与所述高压射流喷嘴32相连通；

也就是说，彼此相互独立的输液氮管路311和输水管路312在高压射流喷嘴32处交汇，而且在输液氮管路311和输水管路312两者中仅有一者能够与高压射流喷嘴32相连通，换言之，在同一时间段里，高压射流喷嘴32仅能向致裂钻孔201中注入液氮或者水两者中的一者。上述结构的输送管腔31能够保证液氮和水在向致裂钻孔201中注入时，彼此相互不影响，具有良好的独立性。

在本发明的一个示例中，所述高压射流喷嘴32包括多个，且沿着所述高压密封钻杆30的周向方向R和延伸方向Y阵列设置；

通过设置多个高压射流喷嘴32可以提高高压密封钻杆30的致裂效率。

在本发明的一个示例中，如图3和图4所示，所述高压射流喷嘴32包括：

本体部321，具有喷头3211和与喷头3211相互连通的喷尾3212，其中，所述喷头3211与致裂钻孔201相连通，所述喷尾3212分别与所述输液氮管路311、所述输水管路312相连通；

球形阀322，枢转地配置在所述喷尾3212处，且能够在密封所述输液氮管路311和所述输水管路312两者中的一者的密封位置和打开所述输液氮管路311和所述输水管路312两者中的另一者的打开位置之间切换；

也就是说，在向致裂钻孔201中注入水时，由计算机60控制第二通断阀50打开，高压水由高压水泵20流入高压密封钻杆30，水流流经喷尾3212推动球型阀打通输水管路312并流向喷头3211，与此同时，球型阀关闭输液氮管路311，喷头3211依靠水力切割煤层200使得煤层200发生致裂，在此过程中，煤层200中的瓦斯浓度逐渐提高直至上升至第一指定瓦斯浓度，计算机60控制第二通断阀50关闭；接着，将致裂钻孔201的入口端202密封，使得所述致裂钻孔201内部形成密闭空间；最后，计算机60控制第一通断阀40打开，液氮由加压液氮泵10流入高压密封钻杆30，液氮流经喷尾3212推动球型阀打通输液氮管路311并流向喷头3211，与此同时，球型阀关闭输水管路312，由加压液氮泵10通过高压密封钻杆30向致裂钻孔201内喷射液氮对致裂钻孔201进一步致裂，待致裂钻孔201内的瓦斯浓度达到第二指定瓦斯浓度时，计算机60控制第一通断阀40关闭。本发明采用的高压喷嘴内部设有球形阀322，在液氮注射口或注水口两者之一工作时球形阀322会在压力作用下封闭另一通道，形成相对密闭的空间以保证工作效果，即通过上述高压射流喷嘴32能够保障单一向煤岩中注入液氮或者高压水。

需要说明的是，球形阀322在被高压水打开后，在高压水作用下运动至输液氮管路311一侧，由于本体部321内部的高压水的作用，使得球形阀322将输液氮管路311密封；球形阀322在被加压液氮打开后，在加压液氮作用下运动至输水管路312一侧，由于本体部321内部的加压液氮的作用，使得球形阀322将输水管路312密封。

根据本发明第二方面的一种如上述所述的煤层致裂装置的致裂方法，如图5所示，包括如下步骤：

S10：通过高压密封钻杆30沿着煤层200的深度方向S间隔钻取致裂钻孔201；

S20：由高压水泵20通过高压密封钻杆30水力切割煤层200使得煤层200发生致裂，在此过程中，煤层200中的瓦斯浓度逐渐提高直至上升至第一指定瓦斯浓度，关闭高压水泵20；

S30：将致裂钻孔201的入口端202密封，使得所述致裂钻孔201内部形成密闭空间；

S40：由加压液氮泵10通过高压密封钻杆30向致裂钻孔201内喷射液氮对致裂钻孔201进一步致裂，待致裂钻孔201内的瓦斯浓度达到第二指定瓦斯浓度时，关闭加压液氮泵10；

根据本发明的增加煤层200渗透性的方法，首先利用水力割缝将煤层200割缝创造自由空间，然后利用水流作用与倾斜钻孔的重力作用将切割下的煤粉向外排出，降低了煤层200的压力，增加了煤层200的孔隙度。“液氮管-高压水管”套管设计最大程度利用了空间，因为这种装置可以控制液氮的低温因此也提高致裂的效果。下一步骤的液氮注射环节会由喷嘴沿着水射流形成的缝隙进一步对煤层200进行致裂，且由于煤层200含水率增加，水-冰相变作用加剧，液氮气化形成的大量氮气会沿煤层200原有裂隙传输并压力会增大裂隙发育程度从而提升煤层200透气性。采用本方法进行煤层200增透，致裂效果会显著增加且透气性显著提高，大大提高煤层200瓦斯抽采效率。

本发明通过在煤层中布置高压密封钻杆对煤层进行液氮致裂与水力割缝。同时通过水力割缝创造自由空间、对煤层进行卸压、增加煤层含水率大幅度的提高了液氮致裂煤层的效果。从而实现了液氮致裂、水力割缝对煤层的耦合致裂作用。本发明方法可以有效解决井下煤层低渗透率导致的瓦斯难抽采等问题，液氮致裂与水力割缝一体化装置简化了工序，实时监测调控液氮与水的注射则减少了水与液氮的使用量，较好的实现了成本的控制与资源的节约，增强了整体煤层致裂增透的效果。

在本发明的一个示例中，所述第一指定瓦斯浓度为煤层200瓦斯初始浓度的1.5～2.5倍，所述第二指定瓦斯浓度为煤层200瓦斯初始浓度的3～4倍，这样的致裂效果更好。

在本发明的一个示例中，在所述步骤S30中，所述致裂钻孔201的入口端202通过聚氨酯密封；通过聚氨酯进行密封可以在煤岩中保持良好的密封性，可靠性较高；当然本发明并不限制于此，也可以采用其他材料密封。

在本发明的一个示例中，在步骤S20中，水力切割煤层200的水压为30Mpa；在该水压下高压射流喷嘴32的水力切割效果更佳。

根据本方法的具体实施例

步骤1、在煤层200中钻凿一组与水平成10°、直径为100～150mm、孔深为10～40m的钻孔，每个钻孔在竖直方向上的间距为0.3m～0.4m；其中一个为瓦斯浓度监测钻孔，用于放置瓦斯浓度仪，其余钻孔作为致裂钻孔201。

步骤2、打开高压输水管路312第一通断阀40、关闭第二通断阀50，将高压水输送至喷嘴以30MPa的水压开始对煤层200进行水力切割，时间为1～2h，结束后会形成5条与水平成10°、长度为2～5m的割缝G，待到割缝G形成完毕，煤体应力大幅降低，而煤体瓦斯压力降低、钻孔周围煤体裂隙网扩大瓦斯运移通道打开，因此检测钻孔内瓦斯浓度会相应提高，当瓦斯浓度检测仪70监测到瓦斯浓度明显上升为初始浓度的1.5～2.5倍时，可将检测信号通过光缆传递至计算机60控制水泵电动阀门关闭第一通断阀40，水力割缝过程结束，此过程切割下的煤粉会随水流一起沿钻孔排出。

步骤3、使用聚氨酯将钻孔靠近煤壁一侧进行封堵，确保形成密闭空间。

步骤4、封孔完成后计算机60调节开启第二通断阀50，注入液氮，加压液氮通过喷嘴射流至煤层200裂隙中进一步致裂煤体，待监测孔内瓦斯监测仪测得瓦斯浓度为初始浓度的3～4倍时即可认为致裂达到预期效果，瓦斯浓度检测仪70将检测信号通过光缆传输至计算机60，即可关闭液氮电动阀，工序结束。

本发明通过在煤层中布置高压密封钻杆对煤层进行液氮致裂与水力割缝。同时通过水力割缝创造自由空间、对煤层进行卸压、增加煤层含水率大幅度的提高了液氮致裂煤层的效果。从而实现了液氮致裂、水力割缝对煤层的耦合致裂作用。本发明方法可以有效解决井下煤层低渗透率导致的瓦斯难抽采等问题，液氮致裂与水力割缝一体化装置简化了工序，实时监测调控液氮与水的注射则减少了水与液氮的使用量，较好的实现了成本的控制与资源的节约，增强了整体煤层致裂增透的效果。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的煤层致裂装置100和方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (5)

1.一种煤层致裂装置，其特征在于，包括：

加压液氮泵（10），与液氮源相连通；

高压水泵（20），与水源相连通；

高压密封钻杆（30），配置为能够在煤层（200）中开设致裂钻孔（201），且沿着高压密封钻杆（30）的延伸方向（Y）设置有输送管腔（31），该输送管腔（31）的一端与所述致裂钻孔（201）相连通，其另一端分别与所述高压水泵（20）和加压液氮泵（10）相连通；其中，所述输送管腔（31）包括彼此相互独立的输液氮管路（311）和输水管路（312），且所述输液氮管路（311）与所述输水管路（312）之间通过高压射流喷嘴（32）与致裂钻孔（201）相连通；其中，所述高压射流喷嘴（32）配置为调节所述输液氮管路（311）或者所述输水管路（312）与所述致裂钻孔（201）相连通；

第一通断阀（40）和第二通断阀（50），所述第一通断阀（40）安装在所述加压液氮泵（10）与所述高压密封钻杆（30）之间，配置为控制液氮在所述加压液氮泵（10）朝向高压密封钻杆（30）方向上的通断；所述第二通断阀（50）安装在所述高压水泵（20）与所述高压密封钻杆（30）之间，配置为控制高压水在所述高压水泵（20）朝向高压密封钻杆（30）方向上的通断；

计算机（60），所述计算机（60）与所述第一通断阀（40）、所述第二通断阀（50）相耦接，配置为控制所述第一通断阀（40）和所述第二通断阀（50）的通断；所述计算机（60）与所述高压密封钻杆（30）相耦接，配置为控制所述高压密封钻杆（30）的执行启停动作；

瓦斯浓度检测仪（70），其安装在所述煤层（200）中配置为检测煤层（200）在致裂过程中瓦斯浓度；

所述计算机（60）与所述瓦斯浓度检测仪（70）相耦接，并且配置为：

从所述瓦斯浓度检测仪（70）接收指示所述煤层（200）中的瓦斯浓度信号；

所述计算机（60）基于所述瓦斯浓度信号调节所述第一通断阀（40）、所述第二通断阀（50）的通断；

其中，当所述瓦斯浓度由初始瓦斯浓度上升至第一指定瓦斯浓度时，所述计算机（60）关闭所述第一通断阀（40）；当所述瓦斯浓度由第一指定瓦斯浓度上升至第二指定瓦斯浓度时，所述计算机（60）关闭第二通断阀（50）。

2.根据权利要求1所述的煤层致裂装置，其特征在于，

所述高压密封钻杆（30）包括多个，且沿着煤层（200）的深度方向（S）间隔布置，其中，每个所述高压密封钻杆（30）开设的致裂钻孔（201）沿着倾斜于煤层（200）的水平方向（H）延伸，且所述致裂钻孔（201）的入口端（202）低于其终止端（203），其中，水平方向（H）与深度方向（S）相互垂直。

3.根据权利要求1所述的煤层致裂装置，其特征在于，

所述高压射流喷嘴（32）包括多个，且沿着所述高压密封钻杆（30）的周向方向（R）和延伸方向（Y）阵列设置。

4.根据权利要求1所述的煤层致裂装置，其特征在于，

所述高压射流喷嘴（32）包括：

本体部（321），具有喷头（3211）和与喷头（3211）相互连通的喷尾（3212），其中，所述喷头（3211）与致裂钻孔（201）相连通，所述喷尾（3212）分别与所述输液氮管路（311）、所述输水管路（312）相连通；

球形阀（322），枢转地配置在所述喷尾（3212）处，且能够在密封所述输液氮管路（311）和所述输水管路（312）两者中的一者的密封位置和打开所述输液氮管路（311）和所述输水管路（312）两者中的另一者的打开位置之间切换。

5.一种如权利要求1至权利要求4中任意一项所述的煤层致裂装置的致裂方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：通过高压密封钻杆（30）沿着煤层（200）的深度方向（S）间隔钻取致裂钻孔（201）；

S20：由高压水泵（20）通过高压密封钻杆（30）水力切割煤层（200）使得煤层（200）发生致裂，在此过程中，煤层（200）中的瓦斯浓度逐渐提高直至上升至第一指定瓦斯浓度，关闭高压水泵（20）；

S30：将致裂钻孔（201）的入口端（202）密封，使得所述致裂钻孔（201）内部形成密闭空间；

S40：由加压液氮泵（10）通过高压密封钻杆（30）向致裂钻孔（201）内喷射液氮对致裂钻孔（201）进一步致裂，待致裂钻孔（201）内的瓦斯浓度达到第二指定瓦斯浓度时，关闭加压液氮泵（10）。

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