[发明专利]一种激光钻割一体化强化瓦斯抽采系统及方法

说明书

本发明公开一种激光钻割一体化强化瓦斯抽采系统及方法。针对我国煤层瓦斯含量高、透气性低的特点，并结合激光切割效率高、方向性强的优点，将激光切割应用于煤矿井下低透气性煤层的瓦斯高效抽采中。该系统能够实现钻进和煤层切割的一体化作业，显著提高施工效率；而且能够充分发挥卸压和热驱的协同作用，即激光切割形成的缝槽能够有效卸除煤体的围压，而激光诱导高温作用，能够显著提高煤体的温度，降低煤层瓦斯的吸附势，促进煤层瓦斯的快速解吸，显著降低煤层中的残余瓦斯含量，从而实现提高低透气性煤层的瓦斯抽采效率和有效防治低透气性煤层瓦斯灾害的目的。

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域。

背景技术

我国煤层渗透率主要分布在0.01×10^-15～5×10^-15m²内，比国外相同煤阶煤储层的渗透率低1～2个数量级，渗透率低是我国煤层瓦斯高效抽采的主要挑战之一。随着煤矿开采深度的延伸，煤层渗透率低导致的瓦斯抽采效率低和瓦斯灾害危险性大等问题日益凸显。因此，强化增透成为改善瓦斯抽采效果，实现深部煤与瓦斯共采和瓦斯灾害防控的关键技术之一。

目前，强化增透方法的核心思想主要包括：①破裂煤体构造瓦斯运移通道。例如水力化措施、深孔预裂爆破、电爆震等分别采用高压水、炸药、电脉冲等媒介作用于煤体迫使其产生新裂隙和驱使原生裂隙扩展，在煤体内形成裂隙网络，为瓦斯运移提供有利通道；②占据吸附位置换瓦斯。例如采用CO₂、N₂等气体驱替煤层瓦斯。前者虽然能够对煤层瓦斯进行有效地预抽，将煤层瓦斯含量降低至临界值以下，但煤层内仍然存在较多的瓦斯，这不仅未能实现煤层瓦斯资源的最大化采收，而且可能会造成煤层回采时因瓦斯涌出量较大而出现瓦斯超限等问题。后者因置换后煤层突出危险性未能消除而更适合于不可采煤层中的瓦斯资源采收。

发明内容

本发明公开一种激光钻割一体化强化瓦斯抽采系统及方法，该方法尤其适用于煤矿井下高瓦斯低透气性煤层的瓦斯高效抽采。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种激光钻割一体化强化瓦斯抽采系统，其特征在于:主要包括压风管道、压风管道阀门、激光发生器、钻机、气渣分离器、钻杆、孔口密封器、光纤、钻头、瓦斯抽采管道和瓦斯抽采管道阀门。

所述压风管道与钻机连接。所述压风管道安装有压风管道阀门。所述钻机带动钻杆钻进。所述钻杆中空，即具有容纳光纤的轴向通道。所述钻杆一端连接钻头。所述钻头的表面镶嵌有若干激光头。所述激光发生器发射激光。所述激光通过钻杆内部的光纤导入所述激光头。所述钻头在煤层或岩层中钻进时，所述激光射向钻头周围的煤体或岩体。

所述孔口密封器为一管状体。所述孔口密封器的前端开口，并固定在钻孔孔口孔壁上，后端与气渣分离器连接。所述钻杆可以从孔口密封器的后端伸入孔口密封器内部，并进入所述钻孔钻进。

在气渣分离时，通过所述瓦斯抽采管道抽瓦斯。所述瓦斯抽采管道安装有瓦斯抽采管道阀门。

进一步，所述激光发生器通过光纤接头I与光纤接头II或光纤接头III连接。

光纤接头II和光纤接头III通过光纤分别与分光器IV和分光器V连接。分光器I通过光纤与轴向激光头I和轴向激光头II连接，分光器II通过光纤与侧向激光头I和侧向激光头II连接。

所述轴向激光头I、轴向激光头II、侧向激光头I和侧向激光头II均是所述钻头的表面镶嵌的激光头。

进一步，所述的气渣分离器上设置有雾化喷头。钻头喷出的风流携带岩屑进入气渣分离器时，雾化喷嘴喷出的水雾捕捉岩屑，气流则被抽采。

进一步，所述钻头(9)前端对称设置有喷射孔(9-7)。

本发明还公开基于上述系统的激光钻割一体化强化瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：