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。
技术实现要素：
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。
2〕关闭激光发生器和压风管道阀门，钻机带动钻头退出钻孔，关闭钻机。
3〕将孔口密封器固定在钻孔壁上。将孔口密封器连接到气渣分离器上，连接气渣分离器和瓦斯抽采管道。
4〕启动钻机和激光发生器，钻机带动钻杆钻进到穿过煤层顶板，再将钻头后退到煤层内，连接光纤接头i和光纤接头iii。钻进过程中，从钻头喷出的风流携带岩屑进入气渣分离器，此时，雾化喷嘴喷出的水雾捕捉岩屑，气流进入瓦斯抽采管路。
5〕关闭激光发生器和压风管道阀门，启动加压泵，将液氮罐中的液氮泵入钻孔，迅速冷冻煤体，一段时间后，关闭加压泵。
6〕启动激光发生器，打开压风管道阀门，钻机带动钻头转动，使钻头围绕轴心线旋转，对钻头所在位置的煤体进行激光割缝。值得说明的是，将液氮致裂用于煤层瓦斯抽采的中，因液氮冷冻煤体的融化时间太长而导致作业效率不高。此外，由于温度梯度变化速率而导致的应力梯度是冷热交变致裂煤体的关键。因此，本发明将冷冻煤体迅速升温是改善液氮致裂煤体效果的有效途径之一。而激光是通过原子受激辐射发光和共振放大形成的，经透射镜聚焦后，能在焦点附近产生几千度甚至上万度的高温。
此外，激光的高方向性使其能有效地传递较长距离后仍具极高的功率密度，可达103mw/cm2。本发明利用聚焦的高功率密度激光束照射，引起激光作用点的温度急剧上升，煤岩汽化，形成缝槽。缝槽处的煤岩渣屑被辅助气体吹除。
7〕依次重复步骤5〕～6〕若干次。
8〕将钻头沿孔口方向后退，重复步骤5〕～7〕，完成对下一位置的激光割缝，周而复始，完成多个位置的液氮速冻和激光割缝交变作业。
9〕关闭压风管道阀门、瓦斯抽采管道阀门和激光发生器，退出钻头，卸除孔口密封器，封孔，进行瓦斯抽采。
本发明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。
附图说明
图1本发明的一种液氮联合激光冷热交变抽采瓦斯系统示意图。
图中：液氮罐(1)、加压泵(2)、激光发生器(3)、钻机(4)、气渣分离器(5)、钻杆(6)、孔口密封器(7)、光纤(8)、钻头(9)、瓦斯抽采管道(10)、瓦斯抽采管道阀门(11)、压风管道(12)、压风管道阀门(13)、三通(14)、光纤接头i(3-1)、光纤接头ii(8-1)、光纤接头iii(8-2)、分光器i(9-1)、分光器ii(9-2)、轴向激光头i(9-3)、轴向激光头ii(9-4)、侧向激光头i(9-5)、侧向激光头ii(9-6)、喷射孔(9-7)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
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1、加压泵2、激光发生器3、钻机4、气渣分离器5、钻杆6、孔口密封器7、光纤8、钻头9、瓦斯抽采管道10、瓦斯抽采管道阀门11、压风管道12、压风管道阀门13、三通14。
液氮罐1连接液氮管道上的加压泵2。所述液氮管道和压风管道12分别连接三通14的一个入口分支。所述三通14的出口分支通过管道与钻机4连接。所述压风管道12安装有压风管道阀门13。所述钻机4带动钻杆6钻进。所述钻杆6中空，即具有容纳光纤8的轴向通道。所述钻杆6一端连接钻头9。所述钻杆6一端连接钻头9。所述激光发生器3通过光纤接头i3-1分别与光纤接头ii8-1和光纤接头iii8-2连接。光纤接头ii8-1和光纤接头iii8-2通过光纤8分别与分光器iv9-1和分光器v9-2连接。分光器i9-1通过光纤与轴向激光头i9-3和轴向激光头ii9-4连接，分光器ii9-2通过光纤与侧向激光头i9-5和侧向激光头ii9-6连接。所述轴向激光头i9-3、轴向激光头ii9-4、侧向激光头i9-5和侧向激光头ii9-6均是所述钻头9的表面镶嵌的激光头。
所述激光发生器3发射激光。所述激光通过钻杆6内部的光纤8导入所述激光头。所述钻头9在煤层或岩层中钻进时，所述激光射向钻头9周围的煤体或岩体。所述液氮罐1内的液氮被加压后，进入钻杆6的中空内腔，并从钻头9的喷射孔9-7射向煤体。
所述孔口密封器7为一管状体。所述孔口密封器7的前端开口，并固定在钻孔孔口孔壁上，后端与气渣分离器5连接。所述钻杆6可以从孔口密封器7的后端伸入孔口密封器7内部，并进入所述钻孔钻进。
所述的气渣分离器5上设置有雾化喷头5-1。钻头9喷出的风流携带岩屑进入气渣分离器5时，雾化喷嘴5-1喷出的水雾捕捉岩屑，气流则被抽采。
所述气渣分离器5连接所述孔口密封器7。在气渣分离时，通过所述瓦斯抽采管道10抽瓦斯。所述瓦斯抽采管道10安装有瓦斯抽采管道阀门11。
实施例2：
本实施例公开基于实施例1所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3-1与光纤接头8-1，打开压风管道阀门13，启动钻机4和激光发生器3，钻机4带动钻头9钻进2m，形成煤层或岩壁上的孔口。钻进过程中，高能激光从激光头9-3和激光头9-4射出，在钻头9前方的岩体内形成超前自由面，以减少钻头9的钻进阻力。从钻头9喷出的风流携带岩屑进入气渣分离器5，此时，雾化喷嘴5-1喷出的水雾捕捉岩屑，气流进入瓦斯抽采管路10。
2〕关闭激光发生器3和压风管道阀门13，钻机4带动钻头9退出钻孔，关闭钻机4。
3〕将孔口密封器7固定在钻孔壁上。将孔口密封器7连接到气渣分离器5上，连接气渣分离器5和瓦斯抽采管道10。
4〕打开压风管道阀门13和瓦斯抽采管道阀门11，启动钻机4和激光发生器3，钻机4带动钻杆6钻进到穿过煤层顶板0.5m处，退钻1m，连接光纤接头3-1和光纤接头8-2，
5〕关闭激光发生器3和压风管道阀门13，启动加压泵2，将液氮罐1中的液氮泵入钻孔，迅速冷冻煤体，0.5～1h后，关闭加压泵2。
6〕启动激光发生器3，打开压风管道阀门13，钻机4带动钻头9转动，使钻头9围绕轴心线旋转，对钻头9所在位置的煤体进行激光割缝。
7〕依次重复步骤5〕～6〕5～10次。
8〕将钻头9沿孔口方向后退1～1.5m，重复步骤5〕-7〕，完成对下一位置的激光割缝，周而复始，完成多个位置(同一孔的不同深度的位置)的液氮速冻和激光割缝交变作业。
9〕关闭压风管道阀门13、瓦斯抽采管道阀门11和激光发生器3，退出钻头9，卸除孔口密封器7，封孔，进行瓦斯抽采。