[发明专利]一种液氮联合激光冷热交变抽采瓦斯系统及方法

说明书

本发明公开一种液氮联合激光冷热交变抽采瓦斯系统及方法。针对液氮致裂煤体融化时间长而影响瓦斯抽采效率的问题，基于致裂和热驱联合强化瓦斯抽采的基本思想，提出一种液氮联合激光冷热交变抽采瓦斯系统及方法。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；能够充分发挥致裂和热驱的协同作用，即通过先速冻煤体再急剧升温，形成巨大的温度梯度变化速率，致使煤体内产生巨大的拉剪应力梯度，从而高效地致裂煤体，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

煤炭资源的深部开采逐渐成为常态，而深部瓦斯资源丰富，如何实现这两种资源的协调开采是深部煤与瓦斯共采的关键问题。先抽后采一直是我国高瓦斯矿井煤炭资源开采和瓦斯灾害防控中坚持的基本原则。然后，渗透率低长期制约着煤层瓦斯的高效抽采。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。破裂煤体构造瓦斯运移通道是强化增透的基本思想之一。此外，瓦斯的产出是一个解吸-扩散-渗流的复杂过程，而温度是影响这一过程的主控因素之一，煤体温度越高，瓦斯解吸速率和程度越大、扩散和渗流越快，煤层瓦斯的采收率越高。提高煤层温度也是改善煤层瓦斯抽采效率的有效途径之一。因此，致裂和热驱的联合是提高瓦斯抽采效率的一种可行方法。

发明内容

本发明公开一种液氮联合激光冷热交变抽采瓦斯系统及方法，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，一种液氮联合激光冷热交变抽采瓦斯系统，其特征在于:主要包括液氮罐、加压泵、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、瓦斯抽采管道阀门、压风管道、压风管道阀门、三通。

液氮罐连接液氮管道上的加压泵。所述液氮管道和压风管道分别连接三通的一个入口分支。所述三通的出口分支通过管道与钻机连接。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。所述液氮罐内的液氮被加压后，进入钻杆的中空内腔，并从钻头的喷射孔射向煤体。

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，所述钻头前端对称设置有喷射孔。

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：

1〕连接光纤接头I与光纤接头II，启动钻机和激光发生器，钻机带动钻头钻进，形成煤层或岩壁上的孔口。