CN114607321A - 一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置及方法，所述的增透抽采装置将水力压裂技术和超声波致裂技术结合起来，先用水力对煤体进行初次致裂，再通过超声波对煤体进行二次致裂，使煤层裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，有利于增加煤层透气性。而且在移频增透阶段之前进行调频试验阶段，根据传感器测得的煤体振动最大状态对应的超声波的频带，认定为引起煤体谐振的频带，后续增透阶段便采用谐振频带作为超声波发生器的工作频带，煤层改造孔隙的尺度且增透范围大，利于瓦斯抽采。

Description

一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置及方法

技术领域

本发明属于煤层开采技术领域，具体涉及一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置及方法。

背景技术

煤矿瓦斯既是煤矿灾害的罪魁祸首，也是一种不可再生的清洁能源，煤与瓦斯共采是实现瓦斯突出防治与资源利用的根本技术。为了提高煤层瓦斯抽采率，国内外相继提出多种煤层增透方法，包括：水力压裂增透方法、水力割缝增透方法、气体***增透方法、松动***增透方法、水力冲孔增透方法、以及超声激励增透方法等。

其中，超声激励增透技术是一种不受煤储层地质条件和气源特征限制，具有普通应用加之的增采技术。但现有超声激励增透技术采用定频超声进行增透，但该频率并不适用于所有的煤层，使得煤层增透范围小、煤层改造孔隙的尺度窄、作业效率低、增透效果有待改善。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置。本发明的第二个目的是提供一种利用前述的煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置的抽采方法。

为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置，包括包括设置于煤体内的若干钻孔，钻孔包括抽采钻孔和注水钻孔，钻孔的孔口处均设有封孔器；抽采钻孔中设有抽采管，抽采管穿过封孔器连接有位于抽采钻孔外的抽采设备，注水钻孔中设有注水管，注水管穿过封孔器连接有位于注水钻孔外的注水设备；增透抽采装置还包括超声波换能器和用于检测煤体振动的传感器，超声波换能器和传感器两者之一位于抽采钻孔中，另一者位于注水钻孔中；传感器的连接线路穿过封孔器连接有位于钻孔外的控制***，传感器的信号输出端与控制***的输入端相连；超声波换能器的连接线路穿过封孔器连接有位于钻孔外的频率可调的超声波发生器，控制***的输出控制端与超声波发生器的调频端相连，超声波换能器发出超声波，传感器检测超声频率不同时的煤体振动，并将震动情况传输给控制***。

上述技术方案中，通过设置注水设备和注水泵、以及超声波发生器和超声波换能器将水力压裂技术和超声波致裂技术结合起来，通过注水设备向每个注水钻孔内注入一定压力的水，对煤体进行初次致裂；通过超声波发生器和超声波换能器对煤体持续发射超声波，对煤体进行二次致裂，使煤层裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，有利于增加煤层透气性。而且本申请通过设置传感器来检测超声频率不同时的煤体振动情况，并将振动情况传输给控制***，控制***将煤体振动最大状态对应的超声波的频带认定为引起煤体谐振的频带，该谐振的频带为超声增透过程的超声波发生器的工作频带。本发明通过设置传感器，可对不同的煤体采用不同频率的超声波进行超声增透，解决衰减难题、增强增透范围，煤层改造孔隙的尺度大，作业效率高，而且增透效果好。

在本发明的一种优选实施方式中，抽采钻孔和超声增透钻孔并排的平行设置。

在本发明的一种优选实施方式中，传感器紧贴钻孔的孔壁设置。能够更好的检测出煤体的振动真实情况。

在本发明的一种优选实施方式中，传感器为振动传感器/或加速度传感器。振动传感器和加速度传感器均能测出煤体振动的情况。

在本发明的一种优选实施方式中，一个钻孔中的传感器的数量为多个，多个传感器沿抽采钻孔的长度方向间隔设置。

上述技术方案中，因根据实际情况设置传感器的数量，不同的传感器检测其对应位置处的振动情况，控制***记录不同传感器测得的煤体振动情况与超声频率变化的关系曲线，将关系曲线拐点对应最大频率作为超声波发生器的工作频率，或者将超声波发生器的工作频率设置在多条关系曲线拐点的超声频率对应的超声频带之间。

在本发明的另一种优选实施方式中，一个钻孔中的超声波换能器的数量为两个及以上，两个及以上超声波换能器并联设置且沿钻孔的长度方向间隔设置，两个及以上超声波换能器共同连接一个超声波发生器或连接多个超声波发生器。

上述技术方案中，是在一个钻孔内布置两个及以上超声换能器，在沿钻孔长度方向多个区段，分段作业，增透煤体，作业效率高。

在本发明的另一种优选实施方式中，控制***还连接有显示装置。

上述技术方案中，通过设置显示装置便于人们读取和监测煤体的振动情况、以及超声波发生器发出的超声频率，而且便于获取超声频率与振动的关系曲线。

为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置的抽采方法，包括如下步骤：注水压裂阶段：启动注水设备，注水设备通过注水管将水注入注水钻孔内，注水钻孔中注满水后，保持注水钻孔内的水压达到设定值，停止向注水钻孔注水并关闭注水设备，注水钻孔内的水对煤体进行初次致裂；调频试验阶段：保持注水钻孔内的水压，启动超声波发生器并逐渐增加超声波发生器的频率，超声波换能器在钻孔中发出超声波；传感器检测在超声波换能器发出超声波时媒体的振动大小，并将振动信号传送给控制***；控制***接收并记录振动信号；控制***将煤体振动最大状态对应的超声波的频带，认定为引起煤体谐振的频带；移频增透阶段：保持注水钻孔内的水压，控制***对超声波发生器进行调频，使超声波发生器的频率落入前述的煤体谐振的频带范围内，超声波发生器在谐振频带下持续工作一段时间，对煤体进行二次致裂，以达到冲击煤体使之产生新的裂隙效果，完成煤层增透后，关闭超声波发生器并从钻孔中取出超声波换能器；抽采阶段：启动抽采设备抽采瓦斯。

上述技术方案中，将水力压裂技术和超声波致裂技术结合起来，先用水力对煤体进行初次致裂，再通过超声波对煤体进行二次致裂，使煤层裂隙数量及裂缝长度大幅度提升，有利于增加煤层透气性。而且在移频增透阶段之前进行调频试验阶段，根据传感器测得的煤体振动最大状态对应的超声波的频带，认定为引起煤体谐振的频带，后续增透阶段便采用谐振频带作为超声波发生器的工作频带，煤层改造孔隙的尺度且增透范围大，利于瓦斯抽采。

在本发明的另一种优选实施方式中，在注水压裂阶段，注水钻孔内的水压设定值为0.5-1Mpa；在调频试验阶段，超声波发生器的频率从15kHz逐渐增加到100kHz，频段间隔5kHz，每个频段保持2-3分钟，总体循环3次；在移频增透阶段，超声波发生器在谐振频带下持续工作3个小时以上，以对煤体进行二次致裂。

上述技术方案中，超声波发生器的频率从低频15kHz逐渐增加到高频100kHz，每个频段的持续时间是固定的，2-3分钟，由此便于为调频实验阶段提供频率优选的数据；在移频增透阶段，超声波增透时间长，增透效果好。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例的一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置的一种结构示意图。

图2是本申请实施例的一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置的另一种结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：煤体1、注水钻孔2、抽采钻孔3、封孔器4、超声波换能器5、超声波发生器6、控制***7、传感器8、抽采管9、抽采设备10、显示装置11、注水管12、注水设备13。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。

本发明提供了一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置及抽采方法。

如图1和图2所示，在一种优选实施方式中，本发明的增透抽采装置包括设置于煤体1内的若干钻孔，钻孔包括抽采钻孔3和注水钻孔2，抽采钻孔3和注水钻孔2并排的平行设置，钻孔的孔口处均设有封孔器4。注水钻孔2和抽采钻孔3一一对应设置，图1和图2所示为设置一个抽采钻孔3和一个注水钻孔2，具体抽采钻孔3和注水钻孔2的数量根据实际情况进行设置。

抽采钻孔3中设有抽采管9，抽采管9穿过封孔器4连接有位于抽采钻孔3外的抽采设备10，抽采设备10为现有技术，其结构和原理在此不详述；当设置多个抽采钻孔3时，分别***多个抽采钻孔3中的多根抽采管9可与同一抽采设备10相连。注水钻孔2中设有注水管12，注水管12穿过封孔器4连接有位于注水钻孔2外的注水设备13，注水设备13可以为水泵，用于向注水钻孔2中施加压力水；当设置多个注水钻孔2时，分别***多个注水钻孔2中的多根注水管12可与同一注水设备13相连。本发明的增透抽采装置还包括超声波换能器5和用于检测煤体1振动的传感器8，如图1和图2所示，超声波换能器5和传感器8两者之一位于抽采钻孔3中，另一者位于注水钻孔2中。

传感器8的连接线路穿过封孔器4连接有位于钻孔外的控制***7，控制***7连接有显示装置11，传感器8的信号输出端与控制***7的输入端相连，传感器8检测超声频率不同时的煤体1的振动情况(具体传感器8可检测煤体1的振动频率和振动幅度)，并将振动情况传输给控制***7。优选传感器8紧贴抽采钻孔3的孔壁设置，传感器8为振动传感器8或加速度传感器8。一个钻孔中传感器8的数量为多个，多个传感器8沿抽采钻孔3的长度方向间隔设置，图1和图2中所示为一个钻孔中设置三个传感器8。

超声波换能器5的连接线路穿过封孔器4连接有位于钻孔外的频率可调的超声波发生器6，控制***7的输出控制端与超声波发生器6的调频端相连，超声波换能器5发出超声波，传感器8检测超声频率不同时的煤体1振动，并将震动情况传输给控制***7。一个钻孔中可安装一个及以上的超声波换能器5，当安装两个及以上超声波换能器5时，两个及以上超声波换能器5并联设置，分布在钻孔长度方向多个区段，分段作业，增透煤体1。优选一个钻孔中的多个超声波换能器5共同连接一个超声波发生器6，使得一个钻孔中的多个超声波换能器5发出的超声频率相同。不同钻孔中的超声波换能器5共同连接一个超声波发生器6，发出的超声波频率相同；或者不同钻孔中的超声波换能器5分别连接不同的超声波发生器6，使得不同不同钻孔中的超声波换能器5能够发出频率相同或不同的超声波。

本发明的增透抽采装置的抽采方法包括如下步骤：

注水压裂阶段：启动注水设备13，注水设备13通过注水管12将水注入注水钻孔2内，注水压力为低压，约0.5-1Mpa，注水压力可预设。在注水钻孔2中注满水后，保持注水钻孔2内的水压达到0.5-1Mpa(即设定值)，注水钻孔2内的水对煤体1进行初次致裂。注水钻孔2注满水后，要持续保压，水分漏失后要通过注水设备13补水，确保注水钻孔2周边的煤体1裂隙内充满水，给超声波的传播提供水媒介。

调频试验阶段：保持注水钻孔2内的水压，启动超声波发生器6并逐渐增加超声波发生器6的频率，超声波换能器5在钻孔中发出超声波；传感器8检测在超声波换能器5发出超声波时媒体的振动大小，并将振动信号传送给控制***7；控制***7接收并记录振动信号；控制***7将煤体1振动最大状态对应的超声波的频带，认定为引起煤体1谐振的频带。在该调频试验阶段，可将超声波发生器6的频率从低频15kHz逐渐增加到高频100kHz，频段间隔5kHz，每个频段保持2-3分钟，总体循环3次。每个频带从低频到高频等时长循环。

移频增透阶段：保持注水钻孔2内的水压，控制***对超声波发生器6进行调频，使超声波发生器6的频率落入前述的煤体1谐振的频带范围内，超声波发生器6在谐振频带下持续工作一段时间(优选持续工作3个小时以上)，对煤体1进行二次致裂，以达到冲击煤体1使之产生新的裂隙效果，完成煤层增透后，关闭超声波发生器6并从钻孔中取出超声波换能器5。

抽采阶段：启动抽采设备10抽采瓦斯。

上述调频试验阶段中，当抽采钻孔3和注水钻孔2的数量为两个及以上、设置多个超声波发生器6时，在不同超声波发生器6上依次施加不同频率的超声Pij，控制***7获取传感器8的检测信号最强时Nijk，其中i为超声波发生器6的序号，j为采用的频率，k为传感器8的序号，Nijk为传感器k受超声波发生器i发出的超声波j的影响产生的震动，i、k均为正整数，j为频率值。

控制***7获取传感器k检测信号最强时对应的超声波频率Pk(i’j’),i’为使传感器k检测信号最强时的超声波发生器序号，j’为传感器k检测信号最强时超声波发生器i’采用的频率。

使第i’超声波发生器采用频率j’工作，若几个不同传感器检测信号最强时对应着同一超声波发生器发出不同频率超声的情况，则判断几个传感器中哪个检测信号最强，该超声波发生器采用最强值对应的频率工作。

本方案在不同超声波发生器上依次施加不同频率的超声，为差异化施加超声波以致裂煤体，利于大范围煤层快速增透。

在本发明的另一种优选实施方式中，还可设置深入煤层裂隙的超声换能器，优选将超声换能器设置在球形防水的壳体内，壳体材料优选采用具有一定硬度的塑料，例如环氧树脂等，球形壳体内设置蓄电池，为超声换能器供电。多个球形的无线超声换能器由柔性材料串接形成球形无线超声换能器串，球形无线超声换能器串的柔性材料固定端固定在钻孔口，当注水时，释放球形无线超声换能器串的自由端，优选将球形无线超声换能器串预先放置在注水钻孔2内，随水压作用球形无线超声换能器进入煤层裂隙内，当作业完成后，由固定端拖拽取出。具体球形无线超声换能器可根据设计需要设计尺寸，例如直径6cm左右。

球形无线超声换能器可采用充电方式或者更换蓄电池的方式进行下一次工作。

更优选地，在柔性材料内设置有电源线，在球形壳体内设置有与电源线连接电源单元，为超声换能器持续供电。通过设置深入煤层裂隙的超声换能器，提高了煤层瓦斯增透效率。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置，其特征在于，所述增透抽采装置包括设置于煤体内的若干钻孔，所述钻孔包括抽采钻孔和注水钻孔，所述钻孔的孔口处均设有封孔器；

所述抽采钻孔中设有抽采管，所述抽采管穿过封孔器连接有位于抽采钻孔外的抽采设备，所述注水钻孔中设有注水管，所述注水管穿过封孔器连接有位于注水钻孔外的注水设备；

所述增透抽采装置还包括超声波换能器和用于检测煤体振动的传感器，超声波换能器和传感器两者之一位于抽采钻孔中，另一者位于注水钻孔中；

所述传感器的连接线路穿过封孔器连接有位于钻孔外的控制***，传感器的信号输出端与控制***的输入端相连；所述超声波换能器的连接线路穿过封孔器连接有位于钻孔外的频率可调的超声波发生器，所述控制***的输出控制端与超声波发生器的调频端相连，所述超声波换能器发出超声波，所述传感器检测超声频率不同时的煤体振动，并将震动情况传输给控制***。

2.根据权利要求1所述的一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置，其特征在于，所述抽采钻孔和超声增透钻孔并排的平行设置。

3.根据权利要求1所述的一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置，其特征在于，所述传感器紧贴钻孔的孔壁设置。

4.根据权利要求1所述的一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置，其特征在于，所述传感器为振动传感器/或加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置，其特征在于，一个钻孔中的所述传感器的数量为多个，多个传感器沿抽采钻孔的长度方向间隔设置。

6.根据权利要求1所述的一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置，其特征在于，一个钻孔中的所述超声波换能器的数量为两个及以上，两个及以上超声波换能器并联设置且沿钻孔的长度方向间隔设置，两个及以上超声波换能器共同连接一个超声波发生器或连接多个超声波发生器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置，其特征在于，所述控制***还连接有显示装置。

8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的煤层注水与多频超声循环分段增透抽采装置的抽采方法，其特征在于，包括如下步骤：

注水压裂阶段：启动注水设备，注水设备通过注水管将水注入注水钻孔内，注水钻孔中注满水后，保持注水钻孔内的水压达到设定值，注水钻孔内的水对煤体进行初次致裂；

调频试验阶段：保持注水钻孔内的水压，启动所述超声波发生器并逐渐增加超声波发生器的频率，超声波换能器在钻孔中发出超声波；所述传感器检测在超声波换能器发出超声波时所述媒体的振动大小，并将振动信号传送给所述控制***；所述控制***接收并记录振动信号；控制***将煤体振动最大状态对应的超声波的频带，认定为引起煤体谐振的频带；

移频增透阶段：保持注水钻孔内的水压，控制***对超声波发生器进行调频，使超声波发生器的频率落入前述的煤体谐振的频带范围内，超声波发生器在谐振频带下持续工作一段时间，对煤体进行二次致裂，以达到冲击煤体使之产生新的裂隙效果，完成煤层增透后，关闭超声波发生器并从钻孔中取出超声波换能器；

抽采阶段：启动抽采设备抽采瓦斯。

9.根据权利要求8所述的抽采方法，其特征在于，在所述注水压裂阶段，注水钻孔内的水压设定值为0.5-1Mpa；

在所述调频试验阶段，超声波发生器的频率从15kHz逐渐增加到100kHz，频段间隔5kHz，每个频段保持2-3分钟，总体循环3次；

在所述移频增透阶段，超声波发生器在谐振频带下持续工作3个小时以上，以对煤体进行二次致裂。

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