[发明专利]高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统及方法

说明书

本发明专利涉及煤矿井下低渗煤层增透技术，高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，其中致裂装备包括高压气体释放管、封孔胶囊和高压双层输送管，高压双层输送管包括内层的高压双层输气内管和外层的高压双层输水外管，高压双层输气内管连接高压气体释放管，且高压气体释放管上分布有若干单向气体释放孔，封孔胶囊设置在高压双层输送管外壁靠近高压气体释放管的位置；充水装置与所述高压双层输水外管连通并可向致裂孔输水；充气装置与所述封孔胶囊和高压双层输气内管连通，并可切换的向封孔胶囊或致裂孔输气，且封孔胶囊在充气后能够径向膨胀封孔。本发明还提出结合此煤体增透系统使用的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法。

技术领域

本发明专利涉及煤矿井下低渗煤层增透技术，是一种强化煤层瓦斯抽采方法，具体为高压气液两相混合脉动致裂方法。

背景技术

开发利用煤层气(煤层瓦斯)不仅能增加洁净能源供应量，优化能源结构，而且是保障煤矿区高瓦斯煤层安全开采的根本举措。目前，煤矿区煤层气开发主要有地面井开发、地面井上下联合开发和井下开发三种形式，其中井下开发能力约占总开发量的80％以上，其地位不可动摇。

我国煤矿约42％的开采煤层属于难抽煤层，约占煤炭产量三分之一的高瓦斯突出矿井是煤矿区煤层气开发的主体，其中约61％的煤层属于难抽煤层，95％的高瓦斯突出矿井都具有难抽煤层。随着煤矿开采深度不断延伸，煤层致密程度逐渐升级，封闭瓦斯应力大幅叠加，导致煤层透气性极差，瓦斯抽采难度加大，抽采效率极低，直接影响煤层气开发和瓦斯灾害治理效果。

面对开产现状，煤层致裂增透促抽环节显得尤为重要，目前井下常用增透技术有：深孔预裂爆破、水力化增透、传统高压空气炮、二氧化碳相变致裂等，深孔预裂爆破长钻孔装药和封孔工艺存在的问题仍然未解决，并且炸药受到严格的管制，审批、购买、运输程序复杂，给生产带来严重的不便；水力化增透技术中的水力割缝、水力压裂、水力冲孔均因操作工艺复杂、影响范围小、适用范围有限，或易形成局部高瓦斯应力集中危险区等不能广泛应用；高压空气炮和二氧化碳相变致裂具有操作简单、安全性高，无火花、低成本、无污染等优点，但因以气体作为能量传递介质，高压气体在冲击煤体接触面时自身高倍数压缩，损耗过多能量，冲击力度大减，同时还因致裂自由面小，增透效果难以发挥。

脉冲形式的压裂技术以高压水力脉动压裂应用最为广泛，较恒压下的水力压裂技术，其可利用脉冲波叠加效应增强冲击强度，提高致裂增透效果，根据能量波传递叠加原理可知，脉冲叠加后的冲击波压力一般是初始输出压力的1.4倍以上，而且具有高频震荡扰动效应，影响范围更广，扰动致裂更充分，同时实现了低压输出高压冲击致裂的目的，有效降低了经济投入、装备要求，安全性也有一定提升。但目前高压水力脉动压裂仍需采用30MPa以上的输出水压，封孔强度、致裂设备性能、水资源利用量等投入仍不小，设备庞大、操作复杂，井下复杂地质构造附近很难实施，因此，利用成本低、操作简单的高压空气作为脉冲能量源，结合水介质传递能量的优越性，不仅能提升增透效果，还能极大缩减工艺、减少经济成本，便于井下环境的应用推广。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了的高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统其可解决低渗煤层瓦斯流动阻力大、抽采影响范围小、抽采时效短、抽采能力低、抽采成本高等问题。另外，本发明还提出一种高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，本发明提出高压空气脉冲水波周期性锤击煤体增透系统，包括充水装置、充气装置和致裂装备，所述致裂装备包括高压气体释放管、封孔胶囊和高压双层输送管，高压双层输送管包括内层的高压双层输气内管和外层的高压双层输水外管，高压双层输气内管端部连接高压气体释放管，且高压气体释放管上分布有若干单向气体释放孔，所述封孔胶囊设置在高压双层输送管外壁靠近高压气体释放管的位置；