煤层地下松动方法及装置与流程

本发明涉及煤炭及煤层气开采技术领域，具体而言，涉及一种煤层地下松动方法及装置。

背景技术：

赋存在地下的煤层被地下水所饱和，且受地压影响，孔隙、空隙、裂隙一般呈闭合状态，因而煤层天然透气性一般较差，可视为隔水层。煤层透气性受赋存深度和变质程度的影响，一般埋深越深透气性越差，同样，变质程度越高透气性也越差。煤炭下气化技术采用热化学方法，将地下煤层直接原地转化为可燃气体，实现了煤炭的化学开采，该技术的关键是利用煤层自身的透气性，将含有氧气的气化剂，送入煤层中，氧气通过扩散、对流等方式与煤层渗透、接触、反应，渗透式气化反应是保持气化过程稳定进行的关键所在。

然而煤层因自身禀赋的差异，对于高变质的烟煤、无烟煤以及深部煤层，由于煤层天然透气性差，气化剂与煤层接触传质阻力大，煤层易形成壁面式反应，往往随着壁面焦化、灰化而使气化反应会进一步恶化，进而造成气化稳定性差、煤层回采率低。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种煤层地下松动方法及装置，旨在解决煤层的透气性差导致的煤层气化稳定性差以及煤层回采率低的问题。

一个方面，本发明提出了一种煤层地下松动方法。该方法包括如下步骤：钻孔步骤，在地面至待松动煤层中钻设钻孔；输送步骤，将液体炸药和起爆药通入钻孔中并压入待松动煤层；松动步骤，将起爆药和液体炸药依次引燃，对待松动煤层进行松动。

进一步地，上述煤层地下松动方法中，钻孔步骤中，钻孔为垂直孔或斜孔，钻孔的方位沿待松动煤层主裂隙方向或最大主应力方向；或钻孔为定向孔或水平井，钻孔的方位沿垂直待松动煤层主裂隙方向或垂直最大主应力方向。

进一步地，上述煤层地下松动方法中，在钻孔步骤和输送步骤之间还包括：分段步骤，将待松动煤层划分为多个待松动煤层段。

进一步地，上述煤层地下松动方法中，输送步骤中，从位于钻孔底端的待松动煤层段开始，依次向各待松动煤层段输送起爆药和液体炸药；松动步骤中，将各待松动煤层段中的起爆药和液体炸药依次引燃，依次对各待松动煤层段进行松动。

进一步地，上述煤层地下松动方法，钻孔步骤和输送步骤之间还包括：注水步骤，向与钻孔间隔设置的预制孔内注入水，待松动煤层置于钻孔和预制孔之间。

进一步地，上述煤层地下松动方法，输送步骤和松动步骤之间还包括：注顶替液步骤，向预制孔内注入顶替液。

进一步地，上述煤层地下松动方法，松动步骤之后还包括：气化步骤，将气化剂输送至待松动煤层，并对待松动煤层进行气化。

本发明使用液体炸药和起爆药，并将液体炸药和起爆药压入待松动煤层的天然孔隙和裂隙中，液体炸药和起爆药在压力的驱使下可以不断地沿待松动煤层的孔隙、裂隙中渗透和扩展。之后再引燃液体炸药，使孔隙和裂隙中的液体炸药爆炸并且产生冲击波，继而使煤层碎裂，孔隙和裂隙得到扩展和延伸，从而在待松动煤层中形成一定的裂缝网络，大大提高了待松动煤层的透气性，形成渗透式地下气化过程，从而提高了待松动煤层地下气化过程的稳定性和煤层回采率。此外，液体炸药直接作用于待松动煤层，避免了对钻孔中套管的损坏；不需要人工松动煤层，本实施例提供的煤层松动方法为全部地面操作，避免了安全隐患。

一方面，本发明还提出了一种煤层地下松动装置。该装置包括：供液装置和连续管；其中，供液装置用于提供液体炸药和起爆药；连续管用于穿设于钻孔内，连续管的第一端与供液装置相连通，连续管的第二端对应于待松动煤层设置，连续管用于将液体炸药和起爆药输送至待松动煤层。

进一步地，上述煤层地下松动装置中，供液装置包括：输送泵和储液罐；其中，输送泵的出口与连续管的第一端相连通，输送泵的入口与储液罐相连通。

进一步地，上述煤层地下松动装置，还包括：一端开口的输气管、点火装置和喷液装置；其中，输气管的开口端与连续管的第二端相连通，点火装置和喷液装置均设置于输气管，喷液装置用于向待松动煤层输送液体炸药和起爆药，点火装置用于引燃液体炸药和起爆药。

进一步地，上述煤层地下松动装置，还包括：第一封隔器、第二封隔器；其中，第一封隔器和第二封隔器均设置于输气管，并且，点火装置和喷液装置均设置于第一封隔器和第二封隔器之间。

进一步地，上述煤层地下松动装置，还包括：传感器、控制器和报警器；其中，传感器设置于输气管，并且，传感器设置于第一封隔器的上方，传感器用于获取点火装置在钻孔中的深度值；控制器与传感器电连接，用于接收传感器获取的深度值，并在深度值大于预设值时发出驱动信号；报警器与控制器电连接，用于接收驱动信号并发出报警信号。

进一步地，上述煤层地下松动装置中，喷液装置为喷枪。

进一步地，上述煤层地下松动装置，还包括：引导装置；其中，引导装置设置于输气管的闭口端。

本发明通过连续管将液体炸药和起爆药由地面注入待松动煤层中，而不污染钻孔中的套管，同时减少了液体炸药的挂壁损失。供液装置可以持续提供液体炸药和起爆药，以使液体炸药和起爆药不断地沿待松动煤层的孔隙、裂隙渗透和扩展，有利于待松动煤层的松动，提高了煤层的透气性，进而提高了煤层的气化稳定性以及煤层回采率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的煤层地下松动方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的煤层地下松动方法中，钻孔为垂直孔或斜孔时，钻孔的方位示意图；

图3为本发明实施例提供的煤层地下松动方法中，钻孔为定向孔或水平井时，钻孔的方位示意图；

图4为本发明实施例提供的煤层地下松动方法中，钻孔为定向孔或水平井时，钻孔的方位的俯视图；

图5为本发明实施例提供的煤层地下松动方法的又一流程图；

图6为本发明实施例提供的煤层地下松动方法的又一流程图；

图7为本发明实施例提供的煤层地下松动方法的又一流程图；

图8为本发明实施例提供的煤层地下松动方法的又一流程图；

图9为本发明实施例提供的煤层地下松动装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

方法实施例：

参见图1，图1为本实施例提供的煤层地下松动方法的流程图。如图所示，该方法包括如下步骤：

钻孔步骤S1，在地面至待松动煤层中钻设钻孔。

具体地，在拟进行煤炭地下气化区域内，由地面向待松动煤层15钻设钻孔13，钻孔13的底部位于待松动煤层15中。具体实施时，至少钻设一个钻孔13。优选地，钻设两个及两个以上的钻孔13。具体实施时，钻孔13可以为垂直孔或斜孔，也可以为定向孔或水平井。当钻孔13为垂直孔或斜孔时，可以在与钻孔1相距50米处，预先钻设预制孔14，预制孔14的底部可以与钻孔13的底部处于煤层同一层位内；当钻孔13为定向孔或水平井时，可以在与钻孔13距离200米处，预先钻设预制孔14，钻孔13的近水平段位于待松动煤层15中并与预制孔14的底部相连通。

输送步骤S2，将液体炸药和起爆药通入钻孔中并压入待松动煤层。

具体地，将液体炸药和起爆药加压后，压入或挤入待松动煤层15的裂隙中，高压液体炸药在待松动煤层15的原生孔隙、裂隙中流动，使各孔隙、各裂隙之间发生连通，从而在待松动煤层15中进一步延伸、扩展。具体实施时，液体炸药可以为硝化甘油基液体炸药、水基稠化液化炸药、硝基烷烃基液体炸药等。起爆药主要由氧化剂、可燃剂以及其他辅助材料组成，氧化剂可以为氯酸钾、高氯酸钾等，可燃剂可以为镁粉等，其他辅助材料可以为硝酸铵、铝粉等。液体炸药和起爆药可以先在地面混配后，再经压力设备增压后注入待松动煤层15中；也可以先注入液体炸药，再注入起爆药。

松动步骤S3，将起爆药和液体炸药依次引燃，对待松动煤层进行松动。

具体地，先将起爆药引燃，已引燃的起爆药再将液体炸药引爆，进而使待松动煤层15形成高渗透性的裂隙网络16。具体实施时，起爆药的引燃方式可以为电点火起爆、机械撞击起爆、感温起爆、遥控起爆等。具体的起爆药引燃方式可以根据实际需要来确定，本实施例对其不做任何限定。此外，当待松动煤层15被爆破形成裂缝网络11后，可以向钻孔13内开始压入高压空气，高压空气可以从预制孔14排出，进而带出残留的起爆药和液体炸药，同时，也可防止裂缝网络11的闭合。

与现有技术中使用固体炸药相比，本实施例中，使用液体炸药和起爆药，并将液体炸药和起爆药压入待松动煤层15的天然孔隙和裂隙中，液体炸药和起爆药在压力的驱使下可以不断地沿待松动煤层15的孔隙、裂隙中渗透和扩展。之后再引燃液体炸药，使孔隙和裂隙中的液体炸药爆炸并且产生冲击波，继而使煤层碎裂，孔隙和裂隙得到扩展和延伸，从而在待松动煤层15中形成一定的裂缝网络11，大大提高了待松动煤层15的透气性，形成渗透式地下气化过程，从而提高了待松动煤层15地下气化过程的稳定性和煤层回采率。此外，液体炸药直接作用于待松动煤层15，避免了对钻孔13中套管17的损坏；不需要人工松动煤层，本实施例提供的煤层松动方法为全部地面操作，避免了安全隐患。

参见图2至图4，钻孔步骤S1中，当钻孔13为垂直孔或斜孔时，钻孔13的方位可以沿待松动煤层15主裂隙方向X或最大主应力方向。当钻孔13为定向孔或水平井，钻孔13的近水平段的方位可以沿垂直待松动煤层15主裂隙方向X或垂直最大主应力方向。进而利于液体沿裂隙的扩展，可以增强爆破的效果，进一步提高气化过程煤层的回采率。

参见图5，图5为本实施例提供的煤层地下松动方法的又一流程图。如图所示，该方法包括如下步骤：

钻孔步骤S1，在地面至待松动煤层中钻设钻孔。

分段步骤S4，将待松动煤层划分为多个待松动煤层段。

具体地，当钻孔13为垂直孔或斜孔时，可以将待松动煤层15划分为多个待松动煤层段，例如将待松动煤层15划分为A、B、C、D、E共5个待松动煤层段。当钻孔13为定向孔或水平井时，可以将定向孔或水平井的近水平段煤层划分为多个待松动煤层段，例如将定向孔或水平井的近水平段煤层划分为A、B、C、D、E共5段，每段待松动煤层段长可以为30米～50米。

输送步骤S2，将液体炸药和起爆药通入钻孔中并压入待松动煤层。

松动步骤S3，将起爆药和液体炸药依次引燃，对待松动煤层进行松动。

需要说明的是，钻孔步骤S1、输送步骤S2和松动步骤S3的具体实施过程参见上述实施例即可，本实施例在此不再赘述。

本实施例中，将待松动煤层15分为多段，对各待松动煤层段依次进行松动，可以使待松动煤层15形成范围更大的裂隙网络16，使待松动煤层15的透气性得到了进一步的提高，进而提高了待松动煤层15的气化稳定性和待松动煤层15的回采率。

上述实施例中，输送步骤S2中，从位于钻孔底端的待松动煤层段开始，依次向各待松动煤层段输送起爆药和液体炸药。

松动步骤中S3，将各待松动煤层段中的起爆药和液体炸药依次引燃，依次对各待松动煤层段进行松动。

具体实施时，可以先向待松动煤层段A输送起爆药和液体炸药，再将待松动煤层段A中的起爆药和液体炸药依次引燃，进而对待松动煤层段A进行松动。然后重复上述输送、引燃起爆药和液体炸药的步骤，对待松动煤层段B、待松动煤层段C、待松动煤层段D和待松动煤层段E依次进行松动。使用这种方法可以最大程度上提高待松动煤层15的透气性，进而提高了待松动煤层15的气化稳定性和待松动煤层15的回采率。

参见图6，图6为本实施例提供的煤层地下松动方法的又一流程图。如图所示，该方法包括如下步骤：

钻孔步骤S1，在地面至待松动煤层中钻设钻孔。

分段步骤S4，将待松动煤层划分为多个待松动煤层段。

注水步骤S5，向与钻孔间隔设置的预制孔内注入水，待松动煤层置于钻孔和预制孔之间。

具体地，为了防止液体炸药和起爆药进入预制孔14内，可以向预制孔14内注入一定量的水，避免了实施爆破作业时，预制孔14受到损坏的问题。

输送步骤S2，将液体炸药和起爆药通入钻孔中并压入待松动煤层。

松动步骤S3，将起爆药和液体炸药依次引燃，对待松动煤层进行松动。

其中注水步骤S5与分段步骤S4没有先后顺序。

需要说明的是，钻孔步骤S1、分段步骤S4、输送步骤S2和松动步骤S3的具体实施过程参见上述实施例即可，本实施例在此不再赘述。

本实施例中，在输送液体炸药和起爆药之前，向预制孔14内注入一定量的水可以防止液体炸药和起爆药进入预制孔14内，进而避免了液体炸药引燃后，预制孔14遭到破坏的问题。

参见图7，图7为本实施例提供的煤层地下松动方法的又一流程图。如图所示，该方法包括如下步骤：

钻孔步骤S1，在地面至待松动煤层中钻设钻孔。

分段步骤S4，将待松动煤层划分为多个待松动煤层段。

注水步骤S5，向与钻孔间隔设置的预制孔内注入水，待松动煤层置于钻孔和预制孔之间。

输送步骤S2，将液体炸药和起爆药通入钻孔中并压入待松动煤层。

注顶替液步骤S6，向预制孔内注入顶替液。

具体地，在向钻孔13中输送液体炸药和起爆药的过程中，如果观察到预制孔14中的液位出现变化后，就可以停止液体炸药和起爆药的注入操作，并向预制孔14内注入一定量的顶替液，将预制孔14内的液体炸药和起爆药顶入待松动煤层15中。然后根据油管泵入液体炸药和起爆药的多少，估算待松动煤层15中的液体炸药和起爆药的量，待到钻孔13与预制孔14中的液位平衡后，将起爆药和液体炸药依次引燃。

松动步骤S3，将起爆药和液体炸药依次引燃，对待松动煤层进行松动。

需要说明的是，钻孔步骤S1、分段步骤S4、注水步骤S5、输送步骤S2和松动步骤S3的具体实施过程参见上述实施例即可，本实施例在此不再赘述。

本实施例中，向预制孔14内注入一定量的顶替液，可以将预制孔14内的液体炸药和起爆药顶入待松动煤层15中，防止了当液体炸药爆炸后对预制孔14的损坏，起到了保护预制孔14的作用。

参见图8，图8为本实施例提供的煤层地下松动方法的又一流程图。如图所示，该方法包括如下步骤：

钻孔步骤S1，在地面至待松动煤层中钻设钻孔。

分段步骤S4，将待松动煤层划分为多个待松动煤层段。

注水步骤S5，向与钻孔间隔设置的预制孔内注入水，待松动煤层置于钻孔和预制孔之间。

输送步骤S2，将液体炸药和起爆药通入钻孔中并压入待松动煤层。

注顶替液步骤S6，向预制孔内注入顶替液。

松动步骤S3，将起爆药和液体炸药依次引燃，对待松动煤层进行松动。

气化步骤S7，将气化剂输送至待松动煤层，并对待松动煤层进行气化。

具体地，气化剂可以为含氧气化剂，氧气浓度可以为0～100％。具体实施时，含氧气化剂以及含氧气化剂与助燃剂的配制和混合方式可以为地面混合方式，也可以为井下混合方式。具体的配制和混合方式可以根据实际需要而确定，本实施例对其不做任何限定。含氧气化剂的输送可以通过环空型输送管道由地面输送至火区，也可以直接通过套管17由地面输送至火区。具体的输送方式可以根据实际需要而确定，本实施例对其不做任何限定。

与现有技术相比，本实施例中，对具有大面积裂隙网络16的煤层进行气化，气化过程更加稳定，煤层回采率更高。

综上，本实施例使用液体炸药和起爆药，并将液体炸药和起爆药压入待松动煤层的天然孔隙和裂隙中，液体炸药和起爆药在压力的驱使下可以不断地沿待松动煤层的孔隙、裂隙中渗透和扩展。之后再引燃液体炸药，使孔隙和裂隙中的液体炸药爆炸并且产生冲击波，继而使煤层碎裂，孔隙和裂隙得到扩展和延伸，从而在待松动煤层中形成一定的裂缝网络，大大提高了待松动煤层的透气性，形成渗透式地下气化过程，从而提高了待松动煤层地下气化过程的稳定性和煤层回采率。此外，液体炸药直接作用于待松动煤层，避免了对钻孔中套管的损坏；不需要人工松动煤层，本实施例提供的煤层松动方法为全部地面操作，避免了安全隐患。

装置实施例：

参见图9，图中示出了本实施例提供的煤层地下松动装置的优选结构。如图所示，该装置包括：供液装置1和连续管2。

其中，供液装置1用于提供液体炸药和起爆药。连续管2穿设于钻孔13内，并且，连续管2的第一端(图9所示的上端)与供液装置1相连通，具体实施时，连续管2上可以设置有控制阀10，通过控制阀10可以控制液体炸药和起爆药的输送。连续管2的第二端(图9所示的下端)对应于待松动煤层15设置，连续管2用于将液体炸药和起爆药输送至待松动煤层15的裂隙中。具体实施时，液体炸药可以为硝化甘油基液体炸药、水基稠化液化炸药、硝基烷烃基液体炸药等。起爆药主要由氧化剂、可燃剂以及其他辅助材料组成，氧化剂可以为氯酸钾、高氯酸钾等，可燃剂可以为镁粉等，其他辅助材料可以为硝酸铵、铝粉等。液体炸药和起爆药可以先在地面混配后，再注入待松动煤层15中；也可以先注入液体炸药，再注入起爆药。

本实施例中，通过连续管2将液体炸药和起爆药由地面注入待松动煤层15中，而不污染钻孔13中的套管17，同时减少了液体炸药的挂壁损失。供液装置1可以持续提供液体炸药和起爆药，以使液体炸药和起爆药不断地沿待松动煤层15的孔隙、裂隙渗透和扩展，有利于待松动煤层15的松动，提高了煤层的透气性，进而提高了煤层的气化稳定性以及煤层回采率。

上述实施例中，供液装置1可以包括：输送泵11和储液罐12。其中，输送泵11的出口可以与连续管2的第一端相连通，输送泵11的入口可以与储液罐12相连通。具体实施时，液体炸药各组分的配制可以在储液罐12内进行，液体炸药和起爆药的混合和配制也可以在储液罐12内将进行。

本实施例中，储液罐12可以对待松动煤层15持续提供液体炸药和起爆药，可以用于液体炸药和起爆药的混合和配制。输送泵11可以将液体炸药和起爆药压入待松动煤层15的裂隙中，有利于液体炸药和起爆药在裂隙中不断地渗透和扩展。

上述各实施例中，还可以包括：一端开口的输气管3、点火装置4和喷液装置5。其中，输气管3的开口端可以与连续管2的第二端通过连接件11相连通，具体实施时，输气管3可以直接从钢材上切削加工而成。点火装置4和喷液装置5均可以设置于输气管3上，喷液装置5可以将液体炸药和起爆药输送至待松动煤层15的裂隙中，点火装置4可以将待松动煤层15裂隙中的液体炸药和起爆药引燃，进而使待松动煤层15产生裂隙网络16。具体实施时，点火装置4可以设置于喷液装置5的上方(图9所示的上方)。喷液装置5可以为喷枪，当然，具体实施时，可以在输气管3上开设多个通孔以代替喷液装置5将液体炸药和起爆药输送至待松动煤层15的裂隙中。

本实施例中，喷液装置5可以使液体炸药和起爆药的喷射压力更大，进而更加有利于液体炸药和起爆药在待松动煤层15的裂隙中的渗透和扩展。

上述各实施例中，还可以包括：第一封隔器6和第二封隔器7。其中，第一封隔器6和第二封隔器7均可以设置于输气管3上，并且，点火装置4和喷液装置5均设置于第一封隔器6和第二封隔器7之间。第一封隔器6和第二封隔器7在液体压力下可以打开，与钻孔13的内壁贴合，形成密封。

本实施例中，第一封隔器6和第二封隔器7可以将待松动煤层15分隔为多段，并分别进行作业，并且，第一封隔器6和第二封隔器7可以将喷液装置5喷出的液体炸药的压力直接作用到待松动煤层15上，而保证钻孔13中的套管17不承压，有利于保护钻孔13。此外，作业结束后，第一封隔器6和第二封隔器7可以卸载回收，避免了不必要的浪费。

上述各实施例中，还可以包括：传感器8、控制器(图中未示出)和报警器(图中未示出)。其中，传感器8可以置于输气管3上且设置于第一封隔器6的上方(图9所示的上方)，传感器8可以获取点火装置4在钻孔13中的深度值。具体实施时，传感器8可以为无线套管17接箍定位器，具体地，可以为机械套管接箍定位器。控制器可以与传感器8电连接，控制器可以接收传感器8获取的深度值，并在深度值大于预设值时发出驱动信号。报警器可以与控制器电连接，报警器可以接收驱动信号并发出报警信号。

需要说明的是，深度值的预设值可以根据实际需要来确定，本实施例对其不做任何限定。

本实施例中，利用传感器8、控制器和报警器可以实现对点火装置4下放深度的监控，克服了连续管2预弯曲、受外力变形以及计数误差所导致的计量误差，校正了点火装置4的下放深度，并通过报警信号及时停止下放，精确的定位了施工层位，使得操作更加方便、可靠。

上述各实施例中，还可以包括：引导装置9。其中，引导装置9可以设置于输气管3的闭口端，以防止输气管3的闭口端碰刮或插入套管17的内壁。

需要说明的是，本发明中煤层地下松动方法和煤层地下松动装置原理相同，相关之处可以相互参照。

综上，本实施例通过连续管将液体炸药和起爆药由地面注入待松动煤层中，而不污染钻孔中的套管，同时减少了液体炸药的挂壁损失。供液装置可以持续提供液体炸药和起爆药，以使液体炸药和起爆药不断地沿待松动煤层的孔隙、裂隙渗透和扩展，有利于待松动煤层的松动，提高了煤层的透气性，进而提高了煤层的气化稳定性以及煤层回采率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。