CN109723487B - 气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采方法及装置。本发明通过脉动式气体对煤层进行增压预裂，从而解决开采过程中液态二氧化碳相变膨胀***不可控而诱发瓦斯***的问题，提高瓦斯开采安全性。并且还解决了软煤层弱化通透问题，以及煤层裂隙和孔洞封闭高水压问题，降低了开采难度。进一步通过量子能植入使瓦斯更容与煤层脱离，提高抽采效率。

Description

气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采方法及装置

技术领域

本发明属于煤矿井下瓦斯治理技术领域，尤其涉及一种气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采方法及装置。

背景技术

提高煤层的增透性，有效的排放煤层中的瓦斯是矿井区域防治瓦斯煤与瓦斯突出的最有力措施之一。通过瓦斯抽放可降低煤层的瓦斯含量和压力，从而消除煤与瓦斯突出隐患。目前国内主要采用水刀切割钻孔技术，利用CO₂相变和高压水压裂煤层提高煤层的增透性。

CO₂相变致裂技术是利用液态CO₂在一定温度下迅速汽化膨胀而研发出的一种物理***技术。存在的技术问题是***压力过程不可预控，会诱导煤层瓦斯突出；其次是CO₂加热管安装和操作不慎会诱引起瓦斯***；第三是大量的CO₂膨胀会导致环境的O₂含量下降。

高压水致裂技术是水加压后沿着煤层的层理和节理渗透，高压水作用在钻孔壁煤体上，煤体受力破碎、原始裂隙得到扩展，从而为瓦斯流动创造通道，起到增加煤层透气性和渗透性的作用。存在的问题是首先高压水在注射压裂过程中易造成高压水自身封存在煤层内，会诱导煤层瓦斯突出；其次是对于部分粉煤，大量水的浸泡有时会堵死节理和裂隙，降低煤体的通透性；第三是设备工艺复杂安装运输繁琐，综合成本高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采方法及装置。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，提供一种气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采方法，包括：量子植入仓通过设置在钻孔口部的封孔器将脉动式气体输送至钻孔内；在所述量子植入仓向所述钻孔内输送所述脉动式气体的同时，所述量子植入仓内的超声波发生器产生超声波，产生的超声波随所述脉动式气体进入所述钻孔。

在一些可选的实施例中，该方法之前还包括：在钻机推进钻杆及钻头的过程中，将加压介质自钻杆的内通道输送至钻头，并且将携带有切割渣的介质自所述钻杆的外通道中抽取而出；停止钻削，将加压介质升压，升压后的加压介质通过水刀喷出切割岩体以形成刀缝，抽出钻杆及钻头。

在一些可选的实施例中，所述的气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采方法，还包括：空气源热泵产生具有热量的空气，并将所述具有热量的空气输送至气箱内；高压空气脉动泵将所述气箱内的具有热量的空气作为空气源，产生所述脉动式气体，并输送至所述量子植入仓内。

在一些可选的实施例中，所述加压介质为加压水或高压气体；所述加压水的压强为5-20Mpa；所述高压气体的压强为煤层抗压强度的1.2-2倍；所述高压气体为空气或氮气。

在一些可选的实施例中，所述的气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采方法，还包括：携带有切割渣的介质输送至渣气分离器，所述渣气分离器分离排出渣、水及气体。

在一些可选的实施例中，所述超声波发生器产生的超声波的频率为0.02MHz-8MHz。

在一些可选的实施例中，提供一种气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采装置，包括：量子植入仓及封孔器；所述封孔器设置在钻孔口部，所述量子植入仓通过管道与所述封孔器连通，所述量子植入仓内设置超声波发生器；所述量子植入仓通过所述封孔器将脉动式气体输送至钻孔内；在所述量子植入仓向所述钻孔内输送所述脉动式气体的同时，所述超声波发生器产生超声波，产生的超声波随所述脉动式气体进入所述钻孔。

在一些可选的实施例中，所述的气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采装置，还包括：钻机；所述钻机包括：钻杆及钻头，所述钻头设置在所述钻杆的前端；所述钻杆为双通道钻杆，包括：内通道及外通道；在钻机推进钻杆及钻头的过程中，加压介质由所述钻杆的内通道输送至钻头，携带有切割渣的介质自所述钻杆的外通道中被抽取而出。

在一些可选的实施例中，所述的气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采装置，还包括：空气源热泵、气箱及高压空气脉动泵；所述空气源热泵产生具有热量的空气，并将所述具有热量的空气输送至所述气箱内；所述高压空气脉动泵将所述气箱内的具有热量的空气作为空气源，产生所述脉动式气体，并输送至所述量子植入仓内。

在一些可选的实施例中，所述的气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采装置，还包括：渣气分离器；所述渣气分离器设置在所述钻杆的末端，被抽取而出的携带有切割渣的介质输送至所述渣气分离器内，所述渣气分离器上开设排渣孔、排气孔及介质输入孔。

本发明所带来的有益效果：相对于现有技术，本发明通过脉动式气体对煤层进行增压预裂，从而解决开采过程中液态二氧化碳相变膨胀***不可控而诱发瓦斯***的问题，提高瓦斯开采安全性。并且还解决了软煤层弱化通透问题，以及煤层裂隙和孔洞封闭高水压问题，降低了开采难度。进一步通过量子能植入使瓦斯更容与煤层脱离，提高抽采效率。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

图1是本发明钻机钻孔时的结构示意图；

图2是本发明量子植入仓植入量子能时的结构示意图；

图3是本发明量子植入仓与封孔器的连接示意图；

图4是本发明渣气分离器的结构示意图；

图5是本发明钻杆的结构示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。

如图1至5所示，在一些说明性的实施例中，本发明提供一种气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采装置，包括：量子植入仓1、封孔器3、钻机、空气源热泵19、气箱20、高压空气脉动泵21及抽放泵22。

钻机包括：钻杆2、阻尼钻杆4、水刀6、钻头7及渣气分离器8。钻头7设置在钻杆2的前端，渣气分离器8设置在钻杆2的末端。

钻杆2为双通道钻杆，包括：外管24及设置在外管24内部的内管25，内管25的内部作为内通道26，内管25的外表面与外管24的内表面之间形成外通道27。外管24上打孔形成筛网。在钻机推进钻杆2及钻头7的过程中，加压介质由钻杆2的内通道输送至钻头2，携带有切割渣的介质自钻杆2的外通道27中被抽取而出，实现钻机内排渣，避免喷孔事故发生，而且可以提高打孔精度，避免偏离。

加压介质为加压水或高压气体；加压水的压强为5-20Mpa；高压气体的压强为煤层抗压强度的1.2-2倍；高压气体为空气或氮气，优选为氮气，氮气安全性更高。

被抽取而出的携带有切割渣的介质输送至渣气分离器8的腔室12内，渣气分离器8上开设排渣孔11、排气孔10及介质输入孔28。加压介质通过介质输入孔28进入钻杆2内，渣气分离器8实现渣水与气分离排出。

封孔器3设置在钻孔102的口部，用于封堵钻孔102，钻孔时钻杆2穿过封孔器3深入钻孔102内，由钻头7进行钻孔，当钻孔完成后，由水刀射出高压水切割岩体103，将岩体切割形成刀缝101，刀缝为直径在3m左右的圆环。封孔器3升开设封孔器排气孔16及封孔器排渣孔15，及时排渣排气。

量子植入仓1通过管道与封孔器3连通，形成刀缝之后，钻杆2离开钻孔102，此时连通量子植入仓1与封孔器3。量子植入仓1内设置超声波发生器23，量子植入仓1通过封孔器3将脉动式气体输送至钻孔102内，在量子植入仓1向钻孔102内输送脉动式气体的同时，超声波发生器23产生超声波，产生的超声波随脉动式气体进入钻孔102。超声波的频率为0.02MHz-8MHz。脉动式气体由高压空气脉动泵21产生。

空气源热泵19通过管道与气箱20连接，高压空气脉动泵通过管道与气箱20连接，抽放泵22通过管道与量子植入仓1连接。空气源热泵19产生具有热量的空气，并将具有热量的空气输送至气箱20内，高压空气脉动泵19将气箱20内的具有热量的空气作为空气源，产生脉动式气体，并输送至量子植入仓1内。高压空气脉动泵由空气压缩机及脉动泵组成，空气压缩机压缩自气箱的气体，将压缩后的气体通过脉动泵脉动式输出，从而产生脉动式气体，10至30分钟加压一次。对于没有突出的煤层，可优选使用具有热量的空气。

量子植入仓1随脉动式气体从钻孔对煤层进行进行量子植入，将超声波随脉动式气体植入煤层内，以气体为介质增加煤层的裂隙，对煤体增压和减压预裂，增加岩体的通透性，同时植入超声波、热等能量改变岩体的瓦斯存在状态，降低瓦斯吸附性，提高瓦斯的抽采效率。

本发明还提供一种气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采方法，包括：

S1：在钻机推进钻杆及钻头的过程中，将加压介质自钻杆的内通道输送至钻头，钻头把岩体切割为渣，并且将携带有切割渣的介质自钻杆的外通道中抽取而出。实现钻机内排渣，避免喷孔事故发生，而且可以提高打孔的准确度，避免偏离、避免塌孔。

加压介质为加压水或高压气体。加压水的压强为5-20Mpa。高压气体的压强为煤层抗压强度的1.2-2倍，高压气体为空气或氮气，优选为氮气，氮气安全性更高。

S2：携带有切割渣的介质输送至渣气分离器，渣气分离器分离排出渣、水及气体。实现气体液体分离，渣气分离器可以连接泥浆泵有助于深孔排渣施工，便于排渣且环保。

S3：钻孔过程中，停止钻削，将加压介质升压，升压后的加压介质通过水刀喷出切割岩体以形成刀缝，抽出钻杆及钻头。钻孔钻进过程中，边钻进边用水刀割成刀缝卸压。

当介质为加压水时，则将加压水从5-20Mpa升到20-100Mpa，水刀内阀关闭，高压水从水刀射出切割岩体。

S4：抽出钻杆及钻头后，连通量子植入仓与设置在钻孔口部的封孔器，量子植入仓通过封孔器将脉动式气体输送至钻孔内。

在量子植入仓向钻孔内输送脉动式气体的同时，量子植入仓内的超声波发生器产生超声波，产生的超声波随脉动式气体进入钻孔。超声波发生器产生的超声波的频率为0.02MHz-8MHz。脉动式气体由高压空气脉动泵产生。

量子植入仓随脉动式气体从钻孔对煤层进行进行量子植入，以气体为介质增加煤层的裂隙，将超声波随脉动式气体植入煤层内，对煤体增压和减压预裂，增加岩体的通透性，植入超声波改变岩体的瓦斯存在状态，降低瓦斯吸附性，提高瓦斯的抽采效率。

S5：空气源热泵产生具有热量的空气，并将具有热量的空气输送至气箱内，高压空气脉动泵将气箱内的具有热量的空气作为空气源，产生脉动式气体，并输送至量子植入仓内。钻孔内植入超声波、热能量改变瓦斯存在状态，提高瓦斯的抽采效率。

对于没有突出的煤层，可优选使用具有热量的空气。

高压空气脉动泵由空气压缩机及脉动泵组成，空气压缩机压缩自气箱的气体，将压缩后的气体通过脉动泵脉动式输出，从而产生脉动式气体，10至30分钟加压一次。

重复步骤S1-S5，多次打孔、排渣及输送脉动式气体进行增透。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个***所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (1)

1.气体脉动量子能植入预裂增透瓦斯抽采装置，包括：量子植入仓及封孔器；所述封孔器设置在钻孔口部，所述量子植入仓通过管道与所述封孔器连通，所述量子植入仓内设置超声波发生器；所述量子植入仓通过所述封孔器将脉动式气体输送至钻孔内；在所述量子植入仓向所述钻孔内输送所述脉动式气体的同时，所述超声波发生器产生超声波，产生的超声波随所述脉动式气体进入所述钻孔；在钻机推进钻杆及钻头的过程中，将加压介质自钻杆的内通道输送至钻头，并且将携带有切割渣的介质自所述钻杆的外通道中抽取而出；停止钻削，将加压介质升压，升压后的加压介质通过水刀喷出切割岩体以形成刀缝，抽出钻杆及钻头；还包括：钻机；所述钻机包括：钻杆及钻头，所述钻头设置在所述钻杆的前端；所述钻杆为双通道钻杆，还包括：空气源热泵、气箱及高压空气脉动泵；所述空气源热泵产生具有热量的空气，并将所述具有热量的空气输送至所述气箱内；所述高压空气脉动泵将所述气箱内的具有热量的空气作为空气源，产生所述脉动式气体，并输送至所述量子植入仓内；还包括：渣气分离器；所述渣气分离器设置在所述钻杆的末端，被抽取而出的携带有切割渣的介质输送至所述渣气分离器内，所述渣气分离器上开设排渣孔、排气孔及介质输入孔；

量子植入仓通过设置在钻孔口部的封孔器将脉动式气体输送至钻孔内；在所述量子植入仓向所述钻孔内输送所述脉动式气体的同时，所述量子植入仓内的超声波发生器产生超声波，产生的超声波随所述脉动式气体进入所述钻孔，以气体为介质增加煤层的裂隙，将超声波随脉动式气体植入煤层内；空气源热泵产生具有热量的空气，并将所述具有热量的空气输送至气箱内；高压空气脉动泵将所述气箱内的具有热量的空气作为空气源，产生所述脉动式气体，并输送至所述量子植入仓内；所述加压介质为高压气体；所述高压气体的压强为煤层抗压强度的1.2-2倍；所述高压气体为空气或氮气；还包括：携带有切割渣的介质输送至渣气分离器，所述渣气分离器分离排出渣、水及气体；所述超声波发生器产生的超声波的频率为0.02MHz-8MHz；

其特征在于，瓦斯层内不进行注水，且包括：内通道及外通道；在钻机推进钻杆及钻头的过程中，加压介质由所述钻杆的内通道输送至钻头，携带有切割渣的介质自所述钻杆的外通道中被抽取而出。

Images