[发明专利]液态二氧化碳相变定向爆破致裂装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种液态二氧化碳相变定向爆破致裂装置，主要用于对煤岩进行二氧化碳相变爆破致裂。

背景技术

目前，矿井瓦斯是影响我国煤矿安全生产的主要因素，在我国导致人员死亡的煤矿事故中，瓦斯事故所占比重较大，重特大事故尤其突出。同时，煤层气又是一种潜在的洁净的能源，在当前能源紧张的局势下，加快煤层气开发利用，对改善我国能源结构、能源的充分利用和减少环境污染等具有重要的现实意义。研究表明，我国50％以上的煤层为高瓦斯煤层，埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36.81万亿立方米，居世界第三位，瓦斯储量相对丰富，因此有效开采和利用煤层瓦斯对保障我国能源安全和煤炭企业安全生产都具有重要意义。

为了划分煤层瓦斯抽采难易程度，相关学者提出了“煤层透气性系数”的概念，它是表征煤层对瓦斯流动的阻力、反映瓦斯沿煤层流动难易程度的系数。《GB50471-2008煤矿瓦斯抽采工程设计规范》按照煤层透气性系数对煤层瓦斯抽采难易程度进行划分，规定煤层透气性系数小于0.1(m²/MPa²·d)即为较难抽采煤层。中国矿业大学周世宁院士研究指出“我国埋深2000米以内煤层气地质资源量约36.81万亿m³，由于我国煤层气赋存条件复杂，煤层渗透率一般在(0.1～0.001)×10^-3μm²范围内，比美国低2～3个数量级，造成我国煤层瓦斯含量高、煤矿安全生产形势严峻。”因此需要对煤层进行人工强化增透。有关学者提出了采用水力压裂、深孔预裂增透等措施取得了一定的效果，但在应用过程中还存在种种不足，因此，迫切需要提出一种新的煤层增透瓦斯抽采方法及其设备。

近年来，一些国内学者提出了采用液态二氧化碳相变致裂技术进行低渗煤层增透的方法，二氧化碳相变致裂技术原理如下：在钻孔内装入预先装入液态二氧化碳的储液棒，接通电流启动储液管发热器，管内二氧化碳迅速从液态转化为气态，使其压力剧增至130MPa～270MPa，高压液态二氧化碳冲破定压剪切片迅速转化为气态，体积膨胀600多倍，二氧化碳气体透过释放管的排放孔，迅速向外爆发，利用瞬间产生的强大推力，二氧化碳气体沿自然或被引发的裂隙面使岩体产生张拉裂隙，致使岩石破碎。液态二氧化碳相变致裂属于物理致裂过程，采用低压启动(9v)，比传统爆破更安全，且不需要验炮，爆破后即可进人，可实现连续工作。该技术应用于煤层增透瓦斯抽采的原理有两方面：第一，利用相变瞬间释放的压力使得岩体产生张拉裂隙，致使煤体破碎，增加煤岩体内瓦斯运移通道；第二，致裂瞬间大量二氧化碳气体，煤体对二氧化碳的吸附能力远大于甲烷，游离状态的二氧化碳被煤体吸附，占据一定的吸附位，致使煤体内吸附状态的甲烷转化为游离状态，从而增加煤层裂隙内的游离瓦斯含量。在以上两方面作用下，由负压抽采系统将裂隙内游离瓦斯汇集到抽采管路，实现低渗煤层瓦斯高效抽采。

液态二氧化碳相变爆破技术最早由美国埃多克斯公司开发，早期用于管道清堵、大型储罐管壁清理，以及采石场大规模开挖等，因其安全性高，易控制，在其他爆破领域也获得了广泛的应用。这些年国内也开发了各种各样的二氧化碳相变致裂装置，诸如申请号为“201520283079.3”、“201520285309.X”、“201510489513.8”和“201510556527.7”等专利申请公开了目前国内较为前沿的二氧化碳相变致裂装置。这些二氧化碳相变致裂装置主要包括用于装载液态二氧化碳的储液管和用于释放二氧化碳气体的释放管，均存在以下不足：

一、不具有导向装置，释放孔在钻孔内位置及二氧化碳致裂释放孔朝向都不能进行监测及调整，无法实现定向致裂。研究表明，高压气体在煤岩体内致裂裂隙扩展会沿煤层最大地应力方向进行扩展，因此定向致裂对于提高二氧化碳相变致裂装置的致裂效率具有重要应用意义。

二、释放管结构单一，释放孔角度、形状、数量、释放管长度等没有进行多样化设计，不能满足不同致裂强度的要求，致裂效果单一。

三、没有专用的封孔器，由于二氧化碳相变致裂设备需要回收重复利用，因此传统水泥浆液、化学封孔方法都不能满足封孔需要，目前在实践过程中，均没有有效封孔装置，在一定程度上影响了致裂效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可进行定向爆破致裂的液态二氧化碳相变定向爆破致裂装置。