一种利用冻结法提高低透煤层渗透性的方法及装置制造方法
【专利摘要】一种利用冻结法提高低透煤层渗透性的方法及装置，属于提高煤层渗透性的方法及装置。装置包括：冻结循环系统、制冷循环系统和冷凝水循环系统；方法是在巷道和工作面布置完成后，利用冻结法的原理在煤岩体中布置冻结管路，在巷道中安装制冷循环系统和冷凝水循环系统，向煤体中进行钻深孔注水并封闭钻孔，运行制冷系统进行冻结，冷冻完成后，先前钻孔注入的水凝结，水凝结有9％的膨胀率，导致煤岩体中的裂隙增加；冻结完成后，关闭制冷循环系统和冷凝水循环系统，井下的高温环境煤岩体自然解冻，待煤岩体钻孔中的水解冻后再次注水封孔并循环冻融过程。数次循环后，煤体的裂隙明显增加，提高了煤岩体的渗透性，实现煤岩体中赋存瓦斯的抽采率的提高。
【专利说明】一种利用冻结法提高低透煤层渗透性的方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提高煤层渗透性的方法及装置，特别是一种利用冻结法提高低透 煤层渗透性的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 随着煤炭工业的快速发展，煤矿安全开采水平也一直进行着革新与提高。我国 52%的矿井属于高瓦斯矿井，瓦斯治理是保障矿井安全高效生产的前提。然而我国松软、 低透、高瓦斯煤层比例很高，淮南、淮北、四川、平顶山、贵州等矿区主采煤层均属于松软、低 透、高瓦斯煤层，对于瓦斯的抽采或提前预抽是治理瓦斯的有效手段。但由于低透煤层的低 渗透性，瓦斯很难直接并充分的抽出，所以提高煤层的渗透性有利于瓦斯的抽采和预抽。现 如今，煤层的低渗透率和不能形成赋存瓦斯有效抽采是中国高瓦斯矿井安全生产发展的两 大技术障碍，而前者又是后者最为直接的原因。所以，煤层瓦斯治理的出路在于提高煤层渗 透率。现有能相对有效提高煤层渗透性的方法有水压致裂，有机溶剂压裂，松动爆破、大直 径钻孔、网格式密集布孔、交叉布孔和预裂控制爆破等，而要达到瓦斯治理的高效性，需要 对提高煤层的渗透性的方法做进一步研究。
【发明内容】
[0003] 技术问题：本发明的目的是提供一种利用冻结法提高低透煤层渗透性的方法及装 置，以实现提高高瓦斯矿井中煤岩体赋存瓦斯的抽采率。
[0004] 技术方案：本发明的目的是这样实现的：提高低透煤层渗透性包括方法和装置； 提高低透煤层渗透性方法包括如下步骤：
[0005] a.在巷道向煤体中钻出分布的封闭注水钻孔和冻结循环管孔，在已布置好工作面 的巷道中向煤体中的冻结循环管孔内布置冻结循环管路，在巷道中安装制冷循环系统和冷 凝水循环系统；
[0006] b.向封闭注水钻孔中注入高压水，使高压水能够充分充满煤体中的裂隙，然后将 封闭注水钻孔进行封孔；
[0007] C.煤体的冻结循环管路中的冷冻介质使用冷盐水，因为其凝结点比纯水的凝结点 低，可达-10°c，可以作为有效的制冷介质；制冷循环系统采用液氨制冷，通过蒸发器与冻 结循环管路中的冷盐水进行热交换；冷凝水循环系统利用水循环将制冷氨循环中的热量吸 收并传递到井上。其制冷过程为：冷盐水循环系统中冻结循环管里的冷盐水吸收煤层热量， 在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨；氨循环中的液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩 机压缩成过热蒸气进入氨冷凝器冷却，高压液氨从氨冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发 器液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量；冷却水循环系统的冷却水在水泵、水冷凝器 和管路中循环，将煤层热量和压缩机产生的热量传递到井上；
[0008] d.对煤体进行冻结，冻结使煤体裂隙中原赋含的水和注入的高压水凝结，水凝结 后有9 %的膨胀率，裂隙扩大；冻结完成后，关闭制冷循环系统和冷凝水循环系统，此后井 下的高温环境煤岩体自然解冻，待煤岩体钻孔中的水解冻后再次注水封孔并循环冻融过 程，数次循环后，煤体的裂隙明显增加，煤体的渗透性得到了增大，瓦斯的抽采率得到提高， 更益于瓦斯的抽采。
[0009] 提高低透煤层渗透性的装置包括：冻结循环系统、制冷循环系统和冷凝水循环系 统；
[0010] 所述的冻结循环系统包括：冻结循环管和盐水泵；冻结循环管的与盐水泵连接构 成冻结循环系统，在冻结循环系统内通过冷盐水；
[0011] 所述的制冷循环系统包括：蒸发器、压缩机、储氨器、节流阀和氨冷凝器；蒸发器、 压缩机、储氨器、节流阀和氨冷凝器首尾相接，构成制冷循环系统，其中，通过蒸发器与冻结 循环系统关联，通过氨冷凝器与冷凝水循环系统关联；
[0012] 所述冷凝水循环系统包括：水泵和水冷凝器；水泵和水冷凝器首尾相接，构成冷 凝水循环系统；
[0013] 所述的冻结循环管包括：内管和外管，外管为盲管，内管插入到外管内至近外管内 底部，内管另一端从外管另一端的外管口穿出为出口，并被外管口封闭，在内管穿着出外管 口的一端的外管壁上有进口；内管的出口与外管的进口相连构成循环系统。
[0014] 有益效果：本发明利用冻结法的原理，使用"氨-盐水"冻结系统对煤层进行人工 冻结，使钻孔注入的高压水和煤层本身所含的孔隙水凝结膨胀，增加煤层的裂隙，同时降低 了瓦斯的活性、降低了瓦斯膨胀能，起到了防止瓦斯突出的作用。对煤层自然解冻后，孔隙 水蒸发，煤层留下的裂隙增加。与现有方法相比，本发明涉及的方法适应性强，几乎不受地 层条件的限制，冻结区形成以冻结管中心为圆心、半径为R沿径向随时间扩展的冻煤圆柱。 由于冰的导热性是水的四倍，随着冻结管不断的供冷，冻煤圆柱直径不断增加，可以通过 调控制冷系统和冻结时间，人工控制冷冻区域厚度，从而灵活控制致裂区域，使致裂效果更 明显，更充分提高煤层的渗透性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的冻结法系统管路布置图。
[0016] 图2是本发明的冻结循环管剖面结构图。
[0017] 图中：1、低透煤层；2、冻结循环管；3、封闭注水钻孔；4、封孔；5、盐水泵；6、蒸发 器；7、压缩机；8、储氨器；9、节流阀；10、氨冷凝器；11、水泵；12、水冷凝器；13、外管；14、内 管。
【具体实施方式】
[0018] 实施例1 :提高低透煤层渗透性包括方法和装置；提高低透煤层渗透性方法包括 如下步骤：
[0019] a.在巷道向煤体中钻出分布的封闭注水钻孔和冻结循环管孔，在已布置好工作面 的巷道中向煤体中的冻结循环管孔内布置冻结循环管路（冷盐水循环管路），在巷道中安 装制冷循环系统（氨循环系统）和冷凝水循环系统；
[0020] b.向封闭注水钻孔中注入高压水，使高压水能够充分充满煤体中的裂隙，然后将 封闭注水钻孔进行封孔；
[0021] c.煤体的冻结循环管路中的冷冻介质使用冷盐水，因为其凝结点比纯水的凝结点 低，可达-10°c，可以作为有效的制冷介质；制冷循环系统采用液氨制冷，通过蒸发器与冻 结循环管路中的冷盐水进行热交换；冷凝水循环系统利用水循环将制冷氨循环中的热量吸 收并传递到井上。其制冷过程为：冷盐水循环系统中冻结循环管2里的冷盐水13吸收煤层 1热量，在盐水箱内将热量传递给蒸发器6中的液氨；氨循环中的液氨变为饱和蒸气氨，再 被氨压缩机7压缩成过热蒸气进入氨冷凝器10冷却，高压液氨从氨冷凝器经贮氨器8，经节 流阀9流入蒸发器6液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量；冷却水循环系统的冷却水 在水泵11、水冷凝器12和管路中循环，将煤层1热量和压缩机7产生的热量传递到井上；
[0022] d.对煤体进行冻结，冻结使煤体裂隙中原赋含的水和注入的高压水凝结，水凝结 后有9 %的膨胀率，裂隙扩大；冻结完成后，关闭制冷循环系统和冷凝水循环系统，此后井 下的高温环境煤岩体自然解冻，待煤岩体钻孔中的水解冻后再次注水封孔并循环冻融过 程，数次循环后，煤体的裂隙明显增加，煤体的渗透性得到了增大，瓦斯的抽采率得到提高， 更益于瓦斯的抽采。
[0023] 提高低透煤层渗透性的装置包括：冻结循环系统、制冷循环系统和冷凝水循环系 统；
[0024] 所述的冻结循环系统包括：冻结循环管2和盐水泵5 ;冻结循环管2的管路与盐水 泵5连接构成冻结循环系统，在冻结循环系统内通过冷盐水13 ;
[0025] 所述的制冷循环系统包括：蒸发器6、压缩机7、储氨器8、节流阀9和氨冷凝器10 ; 蒸发器6、压缩机7、储氨器8、节流阀9和氨冷凝器10首尾相接，构成制冷循环系统，其中， 通过蒸发器6与冻结循环系统关联，通过氨冷凝器10与冷凝水循环系统关联；
[0026] 所述冷凝水循环系统包括：水泵11和水冷凝器12 ;水泵11和水冷凝器12首尾相 接，构成冷减水循环系统；
[0027] 所述的冻结循环管包括：内管14和外管13,外管13为盲管，内管14插入到外管 13内至近外管13内底部，内管14另一端从外管13另一端的外管口穿出为出口，并被外管 口封闭，在内管穿着出外管口的一端的外管壁上有进口；内管的出口与外管的进口相连构 成循环系统。
【权利要求】
1. 一种利用冻结法提高低透煤层渗透性的方法，其特征是：提高低透煤层渗透性方法 包括如下步骤： a. 在巷道向煤体中钻出分布的封闭注水钻孔和冻结循环管孔，在已布置好工作面的巷 道中向煤体中的冻结循环管孔内布置冻结循环管路，在巷道中安装制冷循环系统和冷凝水 循环系统； b. 向封闭注水钻孔中注入高压水，使高压水能够充分充满煤体中的裂隙，然后将封闭 注水钻孔进行封孔； c. 煤体的冻结循环管路中的冷冻介质使用冷盐水，因为其凝结点比纯水的凝结点低， 可达-10°C，可以作为有效的制冷介质；制冷循环系统采用液氨制冷，通过蒸发器与冻结循 环管路中的冷盐水进行热交换；冷凝水循环系统利用水循环将制冷氨循环中的热量吸收并 传递到井上。其制冷过程为：冷盐水循环系统中冻结循环管里的冷盐水吸收煤层热量，在盐 水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨；氨循环中的液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压 缩成过热蒸气进入氨冷凝器冷却，高压液氨从氨冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器液 氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量；冷却水循环系统的冷却水在水泵、水冷凝器和管 路中循环，将煤层热量和压缩机产生的热量传递到井上； d. 对煤体进行冻结，冻结使煤体裂隙中原赋含的水和注入的高压水凝结，水凝结后有 9 %的膨胀率，裂隙扩大；冻结完成后，关闭制冷循环系统和冷凝水循环系统，此后由于井下 的高温环境煤岩体自然解冻，待煤岩体钻孔中的水解冻后再次注水封孔并循环冻融过程， 数次循环后，煤体的裂隙明显增加，煤体的渗透性得到了增大，使瓦斯的抽采率得到提高， 更益于瓦斯的抽采。
2. 根据权利要求1所述的一种利用冻结法提高低透煤体渗透性方法的装置，其特征在 于：提高低透煤层渗透性的装置包括：冻结循环系统、制冷循环系统和冷凝水循环系统； 所述的冻结循环系统包括：冻结循环管和盐水泵；冻结循环管的管路与盐水泵连接构 成冻结循环系统，在冻结循环系统内通过冷盐水； 所述的制冷循环系统包括：蒸发器、压缩机、储氨器、节流阀和氨冷凝器；蒸发器、压缩 机、储氨器、节流阀和氨冷凝器首尾相接，构成制冷循环系统，其中，通过蒸发器与冻结循环 系统关联，通过氨冷凝器与冷凝水循环系统关联； 所述冷凝水循环系统包括：水泵和水冷凝器；水泵和水冷凝器首尾相接，构成冷凝水 循环系统； 所述的冻结循环管包括：内管和外管，外管为盲管，内管插入到外管内至近外管内底 部，内管另一端从外管另一端的外管口穿出为出口，并被外管口封闭，在内管穿着出外管口 的一端的外管壁上有进口；内管的出口与外管的进口相连构成循环系统。
【文档编号】E21F7/00GK104061013SQ201410284535
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】季明, 张益东, 程亮, 贾锦波, 张猛, 郭红军, 邓改革, 张春喜, 崔满堂, 张明磊 申请人:中国矿业大学