[发明专利]一种利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法

说明书

本发明公开了一种利用液氮‑热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法，将液氮注入并气化吸热使煤体温度快速降低，煤体内的水分结冰膨胀对煤体施加结冰膨胀力致裂；同时气化后的氮气体积快速膨胀对煤体施加气体膨胀力致裂，钻孔内的气压快速增大，氮气经过排气管排出；然后停止液氮注入后，液氮在穿层钻孔内持续气化膨胀，对煤体施加气体膨胀力致裂，气化后的氮气回流回收；便于后续的重复使用；使热蒸气注入，使其对煤体施加气体冲击力致裂，同时使煤体温度快速升温利用温差对煤体致裂；然后热蒸气排出穿层钻孔，从而降低穿层钻孔内的气压使热蒸气能持续注入；如此重复循环，进行冷热交替对煤体进行冲击；从而有效缩短增透时间并保证增透效果。

技术领域

本发明涉及一种煤层增透方法，具体是一种利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法。

背景技术

我国煤矿高瓦斯煤层占50％～70％，随着开采深度的不断增加，煤层压力及瓦斯压力都在不断地增大，瓦斯问题日趋严重，瓦斯爆炸和瓦斯突出成为矿井安全生产亟待解决的难题。我国煤层又多为高瓦斯低透气性煤层，现有的水力压裂、水力割缝和预裂爆破等方法已不足以克服煤层瓦斯高吸附、低渗透性的问题，使得目前瓦斯抽采的浓度低、抽放量小，抽采效果不理想。目前液氮注井的方式因其冷冲击、相变气体膨胀力及水冰相变冻胀力的多重作用机制被广泛关注。但实际试验中发现，现有液氮注井方法及专利，均存在以下显著问题：由于液氮注井过程中存在剧烈的气化问题，液氮气化膨胀为21℃的纯氮气后会使其体积具有696倍的膨胀率，这就意味着在液氮注井初期，液氮还未流动到煤体位置处时钻孔已被升温气化的氮气充满且气压不断上升，钻孔内气压很快便达到几十个MPa，而液氮因其稳定性差又导致注井泵所能提供的有效压力和流速不高，与钻孔内生成的气体膨胀压相比相差了10倍以上，最终导致液氮无法大量快速的注入钻孔，只能以极小的流量将液氮注入钻孔，但是这样就无法发挥液氮增透的优点(即利用液氮气化时体积膨胀的冲击力及液氮温度低对煤体冻结效果相叠加，而一旦液氮小流量的注入，则会失去快速膨胀产生的冲击力)；同时会大大增加煤层增透所需的时间及无法保证增透效果。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法，能保证液氮快速、持续注入穿层钻孔内，同时利用液氮和热蒸汽的循环冲击、相变气体的膨胀压力以及煤体受到温差作用对煤体进行致裂，有效缩短增透时间并保证增透效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用液氮-热气冷热循环冲击的高效增透煤体方法，具体步骤为：

A、在巷道内打设至少一个穿层钻孔，该钻孔穿过岩层伸入煤层内；

B、采用水力割缝设备伸入穿层钻孔达到煤层内，以穿层钻孔为中心沿垂直于穿层钻孔的方向在煤层中等间距的割出多个圆盘形裂缝；

C、将液氮及热气输送管一端和排气管一端伸入穿层钻孔达到煤层内，然后对液氮及热气输送管和排气管与穿层钻孔岩层段进行密封；排气管另一端通过三通接头分别连接两个气体管路；两个气体管路上分别装有安全阀和截止阀门；液氮及热气输送管另一端通过三通接头分别与液氮注入管一端和热气注入管一端连接，液氮注入管另一端和热气注入管另一端分别与液氮泵站的出口和热气泵站的出口连接；液氮泵站的回流口与液氮回流管一端连接，液氮回流管另一端与液氮注入管的中部连接；在液氮注入管、液氮回流管和热气注入管均装有控制阀门；液氮注入管、热气注入管和排气管上均装有流量计压力表；处于煤层部分的排气管外表面设有温度检测装置；

D、打开截止阀门和液氮注入管上的控制阀门，然后启动液氮泵站，使液氮经过液氮注入管、液氮及热气输送管注入穿层钻孔内，并进入各个圆盘形裂缝内，液氮气化吸热使煤体温度快速降低，煤体内的水分结冰膨胀对煤体施加结冰膨胀力致裂；同时气化后的氮气体积快速膨胀对煤体施加气体膨胀力致裂，穿层钻孔内的气压快速增大，氮气经过排气管从截止阀门所处的气体管路排出穿层钻孔，从而降低穿层钻孔内的气压使液氮能持续注入；