一种利用液氮冷冲击及相变气体循环损伤的煤层增透方法与流程

本发明涉及一种煤层增透方法，具体是一种利用液氮冷冲击及相变气体循环损伤的煤层增透方法。

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，则会失去快速膨胀差生的冲击力)；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。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用液氮冷冲击及相变气体循环损伤的煤层增透方法，能保证液氮快速、持续注入穿层钻孔内，同时利用液氮的冷冲击、相变气体的膨胀压力以及裂缝内水分的冻胀压力对煤体进行致裂，有效保证增透效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用液氮冷冲击及相变气体循环损伤的煤层增透方法，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；用于使液氮注入后与煤体的充分接触，实现更好的致裂增透效果；

c、将液氮注入管一端和排气管一端伸入穿层钻孔达到煤层内，然后对液氮注入管和排气管与穿层钻孔岩层段进行密封；排气管另一端连通三通管，三通管另外两口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球形阀门；

d、将液氮注入管另一端与液氮泵连接，启动液氮泵并开启球形阀门，液氮经过液氮注入管注入穿层钻孔，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，氮气经过排气管从球形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内持续注入；

e、液氮持续注入至球形阀门所处的气体管路有液氮流出时，停止液氮泵并关闭球形阀门，设定安全阀的开启阈值，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，当穿层钻孔内的气压超过设定的开启阈值，则安全阀开启，此时穿层钻孔内的氮气从安全阀所处的气体管路排出穿层钻孔，从而使穿层钻孔内部的气压降低，当气压低于设定的开启阈值后安全阀关闭，此时液氮在穿层钻孔内持续气化膨胀，对煤体再次施加气体膨胀力致裂，直至穿层钻孔内的气压超过设定的开启阈值，则安全阀开启卸压，如此循环重复，对煤体多次进行气体膨胀力致裂，直至穿层钻孔内的液氮完全气化后安全阀不再开启；完成穿层钻孔的致裂增透过程；

f、在穿层钻孔两侧向煤层打设两个瓦斯抽采钻孔、且两个瓦斯抽采钻孔均穿过各个圆盘形裂缝；最后通过两个瓦斯抽采钻孔对煤层进行瓦斯抽采；

g、完成该处的瓦斯抽采后，间隔一定距离在巷道另一位置重复步骤a至f，进行该位置的煤层增透及瓦斯抽采，如此循环，直至完成整个巷道的煤层增透及瓦斯抽采。

进一步，所述液氮注入管的外表面包裹隔热层。降低液氮在经过液氮注入管注入穿层钻孔时的气化程度，保证进入穿层钻孔内的液氮量，从而提高其致裂效果。

进一步，所述安全阀的开启阈值为30mpa。

与现有技术相比，本发明首先在巷道中穿过岩石层向煤层打设一个穿层钻孔，利用水力割缝设备在穿层钻孔内将煤层等间距割出垂直于穿层钻孔的多个裂缝，将液氮注入管和排气管伸入穿层钻孔，并对穿层钻孔的岩层段进行封口，处于穿层钻孔外部的排气管装有三通管，三通管另外两口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球形阀门。其中球形阀门对液氮注入穿层钻孔时排放氮气进行开关控制，从而能控制液氮注入穿层钻孔的速度；当球形阀门关闭后，设定安全阀的阈值，从而使安全阀对穿层钻孔内的压力进行控制，每当穿层钻孔内的气压超过阈值后则安全阀开启，使内部的氮气排出卸压，并且卸压后安全阀自动关闭。该方法充分利用了液氮的冷冲击、相变气体的膨胀压力以及裂缝内残留水分的冻胀压力对煤体进行致裂，有效致裂面积广，尤其是相变气体的膨胀压力随着液氮的持续气化及安全阀的多次开启，使得穿层钻孔内部的气压能够反复达到安全阀的阈值，因此可以对煤体进行反复地膨胀损伤，扩大煤体的裂隙网络。致裂结束时，在周边打两个瓦斯抽采钻孔进行瓦斯抽采。本发明能保证液氮快速、持续注入穿层钻孔内，同时利用液氮的冷冲击、相变气体的膨胀压力以及裂缝内水分的冻胀压力对煤体进行致裂，有效保证增透效果。

附图说明

图1是本发明的施工布设立体示意图。

图中：1、煤层，2、圆盘形裂缝，3、岩层，4、球形阀门，5、安全阀，6、液氮注入管，7、瓦斯抽采孔，8、穿层钻孔，9、排气管。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的具体步骤为：

a、在巷道内打设两个穿层钻孔8，两个钻孔穿过岩层3伸入煤层1内；

b、采用水力割缝设备伸入穿层钻孔8达到煤层1内，以穿层钻孔8为中心沿垂直于穿层钻孔8的方向在煤层1中等间距的割出多个圆盘形裂缝2；用于使液氮注入后与煤体的充分接触，实现更好的致裂增透效果；

c、将液氮注入管6一端和排气管9一端伸入穿层钻孔8达到煤层内，然后对液氮注入管和排气管9与穿层钻孔8岩层段进行密封；排气管9另一端连通三通管，三通管另外两口分别连接两个气体管路；两个气体管路上分别装有安全阀5和球形阀门4；

d、将液氮注入管6另一端与液氮泵连接，启动液氮泵并开启球形阀门4，液氮经过液氮注入管6注入穿层钻孔8，并进入各个圆盘形裂缝2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8内的气压快速增大，氮气经过排气管9从球形阀门4所处的气体管路排出穿层钻孔8，从而降低穿层钻孔8内的气压使液氮内持续注入；

e、液氮持续注入至球形阀门4所处的气体管路有液氮流出时，停止液氮泵并关闭球形阀门4，设定安全阀5的开启阈值，液氮在穿层钻孔8内持续气化膨胀，对煤体施加气体膨胀力致裂，当穿层钻孔8内的气压超过设定的开启阈值，则安全阀5开启，此时穿层钻孔8内的氮气从安全阀5所处的气体管路排出穿层钻孔8，从而使穿层钻孔8内部的气压降低，当气压低于设定的开启阈值后安全阀5关闭，此时液氮在穿层钻孔8内持续气化膨胀，对煤体再次施加气体膨胀力致裂，直至穿层钻孔8内的气压超过设定的开启阈值，则安全阀5开启卸压，如此循环重复，对煤体多次进行气体膨胀力致裂，直至穿层钻孔8内的液氮完全气化后安全阀5不再开启；完成穿层钻孔8的致裂增透过程；

f、在穿层钻孔8两侧向煤层1打设两个瓦斯抽采钻孔7、且两个瓦斯抽采钻孔7均穿过各个圆盘形裂缝2；最后通过两个瓦斯抽采钻孔7对煤层进行瓦斯抽采；

g、完成该处的瓦斯抽采后，间隔一定距离在巷道另一位置重复步骤a至f，进行该位置的煤层增透及瓦斯抽采，如此循环，直至完成整个巷道的煤层增透及瓦斯抽采。

进一步，所述液氮注入管6的外表面包裹隔热层。降低液氮在经过液氮注入管6注入穿层钻孔时的气化程度，保证进入穿层钻孔8内的液氮量，从而提高其致裂效果。

进一步，所述安全阀5的开启阈值为30mpa。