利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法及抽采系统与流程

本发明属于瓦斯开采技术领域，特别涉及一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法及抽采系统。

背景技术：

煤炭是我国的主体能源，与采煤伴生的瓦斯灾害是一直是制约煤矿安全生产的一大难题。随着开采深度和开采强度的不断增加，井下瓦斯涌出量越来越大，瓦斯超限频发，瓦斯突出和瓦斯爆炸危险性日益严重。高效抽采煤层瓦斯是防治瓦斯灾害的根本性办法。国家部门也将瓦斯抽采放在了首要位置，并制定了“先抽后采、监测监控、以风定产”的煤矿瓦斯治理方针。

近年来，基于水力压裂的煤层液氮致裂技术逐渐发展并应用于井下煤层改造增透，然而由于液氮温度极低(77k)，低温环境会严重抑制瓦斯解吸，与此同时，煤层中由液氮冻结而形成的冰融化较慢，所产生的水分还能导致水锁效应，封堵孔隙裂隙等瓦斯运移通道，阻碍瓦斯抽采。

研究表明，相变材料可通过相变过程释放热量，对煤体进行加热，从而提高瓦斯解吸率。对于每种相变储热材料，都有固定的相变温度，当外界温度高于相变温度时，相变材料通过相变过程吸收并储存热量，当外部环境低于其相变温度时，相变材料通过相变过程释放热量以调节温度，相变反应完成前，相变材料的温度基本维持不变。利用相变材料与煤体间的温度差完成相变放热，提高煤层煤体温度，促进瓦斯解吸。

物质的存在通常认为有三态，物质从一种状态变到另外一种状态叫相变。相变的形式有以下四种：(1)固-液相变；(2)液-汽相变；(3)固-汽相变；(4)固-固相变。相变过程中伴有能量的吸收或释放，我们就可以利用相变过程中有能量的吸收和释放现象，利用相变材料来存储能量。

相变储能材料有多种，如由上海工程技术大学申请，专利号为zl201510742887.6，名称为一种复合相变储能材料及其制备方法就提供了其中一种，又如由沈阳化工研究院有限公司申请，专利号为zl201510259828.3，名称为一种改性二氧化硅定型相变储能材料及其制备方法又提供了一种。

技术实现要素：

有鉴于现有技术中所采用的液氮温度极低，会严重抑制瓦斯解吸，并且会造成煤层中冰融化慢，形成水锁效应，阻碍瓦斯抽采的问题。本发明的目的之一是提供一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，所要解决的技术问题是消除煤层瓦斯开采中由于液氮对煤层造成的水锁效应，进而保证瓦斯抽采顺畅进行。

技术方案如下:一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，包括如下步骤：

1)钻孔在煤层中施工一个抽采孔；

2)建立抽采系统先将用于输入相变材料的钢管伸入到所述抽采孔内，然后将用于输入液氮的液氮管伸入到抽采孔内，再然后将瓦斯抽采管伸入到所述抽采孔的内部；在所述钢管、液氮管和瓦斯抽采管连接完毕后，最后利用封孔器对所述抽采孔进行密封；

3)煤层致裂打开液氮泵，向所述抽采孔内注入液氮，利用低温的液氮对煤层进行冻结并致裂；

4)加热煤层打开输送泵和计量器，利用所述输送泵将所述储存仓内的相变材料通过钢管输入到所述抽采孔内，相变材料在低温下发生相变，向外持续释放大量的热量，对所述煤层进行加热；

5)抽采瓦斯通过瓦斯抽采管向外抽采瓦斯。

采用以上技术方案，抽采孔是向煤层钻设形成的，不但用于瓦斯的抽采，还用于向里面注入液氮和相变材料，以对煤层实现冷冻和加热致裂。在抽采孔内设置好各个管路后，为了保证注入的液氮和相变材料不会漏出，因此需要采用封孔器对抽采孔进行密封，以达到最好的冷热致裂效果。煤层经过液氮和相变材料的冷热致裂后，瓦斯气体更加容易排出，且相变材料放热还有加速瓦斯气体解离的效果，瓦斯排出进入到抽采孔内后，再通过瓦斯抽采管进行抽采。

进一步，作为优选，为了在注入相变材料时，能够更加均匀地填入到抽采孔中，对煤层起到更加良好的加热效果，在所述建立抽采系统步骤中，所述钢管的内端靠近所述抽采孔的底部。

进一步，作为优选，为了在注入液氮时，能够更加均匀地填入到抽采孔中，对煤层起到更加良好的冷却效果，在所述建立抽采系统步骤中，所述液氮管的内端距离所述抽采孔的底部0.4m-0.6m。

进一步，作为优选，为了便于瓦斯抽采，在所述建立抽采系统步骤中，所述瓦斯抽采管的内端伸入到所述抽采孔的中部。

进一步，作为优选，为了准确掌握相变材料的注入量，并提供注入的动力，在所述建立抽采系统步骤中，所述钢管的外端连接到输送泵上，所述输送泵连接到计量器，所述计量器连接到储存仓。

进一步，作为优选，为了给液氮的注入提供动力，在所述建立抽采系统步骤中，所述液氮管的外端通过胶管连接到液氮泵，液氮泵再连接到液氮罐上。

本发明的目的之二是提供一种用于相变材料辅助液氮致裂煤层抽采瓦斯的抽采系统，来作为实现上述方法的基础，技术方案如下：

一种用于相变材料辅助液氮致裂煤层抽采瓦斯的抽采系统，包括设置在煤层上的抽采孔，所述抽采孔内设置有封孔器，且另设置有钢管、液氮管和瓦斯抽采管穿过所述封孔器，伸入到所述抽采孔内，所述钢管的外端接通到储存仓，所述液氮管的外端接通到液氮罐。

进一步，作为优选，所述钢管的外端连接到输送泵上，所述输送泵连接到计量器，所述计量器再连接到所述储存仓。

进一步，作为优选，所述液氮管连接到液氮泵上，所述液氮泵再连接到所述液氮罐上。

有益效果：本发明构思新颖且设计巧妙合理，在本发明的技术方案中，煤层在经过液氮冷却致裂后，再通过相变材料加热，在冷热交替的温度处理下，能够进一步对煤层进行致裂，并加速瓦斯的解离，使得瓦斯从煤层中排出更加通畅高效，进而使得整个抽采工作更加安全可靠，操作方便，畅通并效率高。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例一

如图1所示的一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，其特征在于包括如下步骤：

1)钻孔在煤层3中施工一个抽采孔2；

2)建立抽采系统先将用于输入相变材料的钢管6伸入到抽采孔2内，然后将用于输入液氮的液氮管7伸入到抽采孔2内，再然后将瓦斯抽采管8伸入到抽采孔2的内部；在钢管6、液氮管7和瓦斯抽采管8连接完毕后，最后利用封孔器5对抽采孔2进行密封；

3)煤层致裂打开液氮泵13，向抽采孔2内注入液氮，利用低温的液氮对煤层3进行冻结并致裂；

4)加热煤层打开输送泵9和计量器10，利用输送泵9将储存仓11内的相变材料通过钢管6输入到抽采孔2内，相变材料在低温下发生相变，向外持续释放大量的热量，对煤层3进行加热；

5)抽采瓦斯通过瓦斯抽采管8向外抽采瓦斯。

在具体实施过程中，煤层往往是在岩层中间，因此如图1所示，在煤层3的上方会有第一岩层1，下方会有第二岩层4。在钻设抽采孔2时，通过第二岩层4向煤层3钻，且将抽采孔2打入到第一岩层1位置，实际抽采孔2是贯穿煤层3的。封孔器5设置在第二岩层4的位置。在向抽采孔2中灌入液氮过程中，灌入的液氮要足够量，且时间要足够，液氮进入到抽采孔2时，会大量吸热，对煤层3造成严重的冷冻，并致裂。同时由于煤层3中有水分，会有一个煤层致裂-水分渗入-水分冷冻成冰，这三步的过程。这个过程可以帮助煤层进一步出现裂隙。冷冻操作完成后，再向抽采孔2灌入相变材料，相变材料在抽采孔2内发生相变放热，由于煤层刚经过冷冻处理，在骤热的情况下，会进一步致裂，同时融化，并气化掉被冷冻的水分，解除水锁效应，使得煤层内冰所处的空间形成缝隙，作为瓦斯解离的通道，在持续加热的情况下，高温环境还会造成瓦斯的解离速度加快，更加快速地进入到抽采孔2内。

瓦斯抽采管8的外端接入到瓦斯外管网上，直接通过瓦斯外管网进行抽采到井外。

本实施例在具体实施过程中，所采用的相变储热材料为无机盐相变蓄能材料，主要成分为硬脂酸和二氧化钛，其他为常规添加剂，其中硬脂酸的占比为25％，所形成的无机盐相变蓄能材料熔点为53.84℃,熔化潜热为47.82kj/kg,凝固点为53.31℃,凝固潜热为46.60kj/kg,具有很好的稳定性。

在具体实施过程中，作为一种优选的技术方案，在建立抽采系统步骤中，钢管6的内端靠近抽采孔2的底部。

由于抽采孔2是条形，因此将钢管6的内端靠近到抽采孔2的底部，可以更加均匀方便地将相变材料灌入到抽采孔2内，不会存在相变材料堆积才抽采孔2内局部地方的问题。

在具体实施过程中，作为一种优选的技术方案，在建立抽采系统步骤中，液氮管7的内端距离抽采孔2的底部0.4m-0.6m。同样液氮管7的设置，距离抽采孔2底部0.4m-0.6m，使得液氮的注入与相变材料有位置差，更加均匀地在抽采孔2内。

在具体实施过程中，作为一种优选的技术方案，在建立抽采系统步骤中，瓦斯抽采管8的内端伸入到抽采孔2的中部。将瓦斯抽采管8的内端设置在抽采孔2的中部，更加方便瓦斯抽采。

在具体实施过程中，作为一种优选的技术方案，在建立抽采系统步骤中，钢管6的外端连接到输送泵9上，输送泵9连接到计量器10，计量器10连接到储存仓11。输送泵9用来为相变材料的输送提供动力，计量器10用来对相变材料的输送提供流量显示。

在具体实施过程中，作为一种优选的技术方案，在建立抽采系统步骤中，液氮管7的外端通过胶管12连接到液氮泵13，液氮泵13再连接到液氮罐14上。液氮泵13用来为液氮的输送提供动力。

实施例二

一种用于相变材料辅助液氮致裂煤层抽采瓦斯的抽采系统，包括设置在煤层3上的抽采孔2，抽采孔2内设置有封孔器5，且另设置有钢管6、液氮管7和瓦斯抽采管8穿过封孔器5，伸入到抽采孔2内，钢管6的外端接通到储存仓11，液氮管7的外端接通到液氮罐14。

在具体实施过程中，钢管6、液氮管7和瓦斯抽采管8是事先伸入到抽采孔2内后，再在抽采孔2的外部设置封孔器5的，封好孔的同时，也就将钢管6、液氮管7和瓦斯抽采管8的内端设置到了抽采孔2内。储存仓11用来装相变材料，液氮罐14用来装液氮。

在具体实施过程中，作为一种优选的技术方案，钢管6的外端连接到输送泵9上，输送泵9连接到计量器10，计量器10再连接到储存仓11。相变材料在储存仓11内，通过输送泵9的动力，将相变材料泵入到钢管6内，并向抽采孔2内注入，计量器10用来对泵入的相变材料进行计量，以在实际操作时进行合理的量化控制。

在具体实施过程中，作为一种优选的技术方案，液氮管7连接到液氮泵13上，液氮泵13再连接到液氮罐14上。液氮泵13用来对液氮进行动力驱动，将液氮灌入到抽采孔2内。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。