一体化强化煤层瓦斯抽采系统以及抽采方法

本发明属于煤矿瓦斯防治利用领域，应用到高瓦斯、低渗透、硬煤层，具体的为一体化强化煤层瓦斯抽采系统以及抽采方法。

背景技术：

瓦斯抽采是治理瓦斯灾害的最有效方法，而煤层透气性则制约着煤层瓦斯抽采率。我国大部分煤层的主要特点是低透气性，随着开采深度的增加，煤层的透气性越来越差，严重影响了瓦斯的抽采效果。为了提高瓦斯抽采率，比较常用的方法是增加煤层透气性来增加瓦斯抽采量，主要使用的水力化措施有水力割缝、水力压裂等。但是单独使用水力割缝时，割缝的深度有限制，导致抽放半径小，只有大量钻孔才能有效抽放瓦斯，而单独使用水力压裂，无法控制裂纹的起裂位置，并且裂纹扩展范围较少，无法使瓦斯充分解吸。这些问题的存在，使水力压裂和水力割缝在现场的应用有一定限制，亟需提出新的方法，解决这些局限性，从而提高煤层透气性。

技术实现要素：

本发明提供了一体化强化煤层瓦斯抽采系统以及抽采方法用以解决上述背景技术中提出的技术问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一体化强化煤层瓦斯抽采系统，其特征在于，包括脉冲水力化系统和脉冲微波发生系统，所述脉冲水力化系统主要包括脉冲控制系统、贮水箱、高压水泵，所述脉冲微波发生系统主要包括脉冲控制系统、微波源、波导，所述脉冲控制系统通过导线分别连接高压水泵和微波源，从而调控所述脉冲水力化系统和所述脉冲微波发生系统。

进一步地，所述脉冲控制系统的正向脉冲输出是水力化措施作用时间，反向脉冲输出是微波作用时间，微波系统的波导转换器有谐振式波导缝隙天线阵。

进一步地，所述脉冲水力系统通过注液管与扩容钻杆连接，然后伸入水力化钻孔，所述注液管设置在所述扩容杆内。

进一步地，所述脉冲微波发生系统通过微波转换器与感应探头连接，伸入脉冲微波钻孔。

进一步地，，所述脉冲控制系统还通过导线连接温度感应器，以及控制电磁阀的开启。

一体化强化煤层瓦斯抽采方法，包括如下几个步骤：

步骤一、在煤层交替施工水力化钻孔和微波钻孔，钻孔间距为2.5-3m；

步骤二、脉冲水力化系统首先通过注液管依次连接扩容钻杆、多功能钻头伸入水力化钻孔，然后对微波钻孔进行封孔；

步骤三、开启贮水箱向高压水泵注水，同时打开脉冲发生系统监控高压水泵的压力，当水压达到注水压力时，通过脉冲水力化系统打开电磁阀，实现脉冲水压在水力化钻孔内进行水力割缝，割缝过程中通过脉冲控制系统根据脉冲方向调整技术措施，当达到整周期的下半周期时，控制开启微波源，调控波导，通过感应探头向煤层辐射，而且旋转微波转换器，使谐振式波导缝隙天线阵正对钻孔两侧的煤壁，使缝隙天线阵产生的最大辐射强度作用煤层，按照脉冲方向，依次调控水力割缝和微波重复作用煤层，同时连接微震仪，实时监测裂隙扩展方向；

步骤四、完成水力割缝后，对水力化钻孔进行封孔，通过脉冲控制系统打开电磁阀，同时打开遥控多功能钻头前的孔路，进行脉冲水力压裂，正向脉冲进行水力压裂，反向脉冲进行微波辐射煤层；

步骤五、完成脉冲脉冲水力压裂后，反向开启电磁阀，对水力化钻孔进行放水，开启贮水箱的抽水泵抽水，放水时调控脉冲控制系统输出反向脉冲进行微波辐射，直至放水完毕后，旋转波导转换器，使最大辐射强度能够完全作用煤层，辐射一段时间后，将压裂孔和微波钻孔中的瓦斯抽采管并入瓦斯抽采网路进行瓦斯抽放，全程运行可视化监测仪实时监控检测并记录煤层瓦斯抽采的数据信息。

进一步地，所述步骤三中，每次所完成的水力割缝是圆盘状缝槽，水力割缝的压力为9~12mpa。

进一步地，所述步骤四中，水力压裂时的高压水压力为20~30mpa。

进一步地，所述脉冲控制系统的电压设置为1000kv，电脉冲发生频率为1/30hz~1/60hz，每30s~60s输出一个脉冲。

进一步地，各所述步骤中，微波的工作频率为3.5ghz，功率为2.5kw。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种脉冲微波-水力割缝-水力压裂一体化强化瓦斯抽采系统以及抽采方法，克服了传统的单一水力化措施的局限性，通过脉冲系统将微波和水力化措施结合起来，根据脉冲输出方向控制微波和水力化措施作用次序，操作方便，而且短时间变化次序，微波多次交替作用，既能降低水力化措施输出的高压水压力，也能达到很好的割缝压裂效果。

2、微波催生裂隙，加快瓦斯解吸，使煤层应力降低，利于水力割缝，加深了脉冲水力切割的缝槽深度，加快水力割缝速度，缝槽的存在使水力压裂产生的裂纹扩展方向有一定的控制，同时微波辐射对煤体的扩孔造隙，降低煤岩强度，使水力压裂效果更显著。

3、水力化措施和微波交替作用煤体，进一步使裂隙扩展范围更广，并且微波辐射和水力割缝交替使用，避免一直不停的重复水力割缝造成钻头的损伤，每次少量的高压水作用，使微波加热更快，根据脉冲方向的变化，一个周期内水利化措施起作用的短时间内微波产生的热量持续存在，更利于水蒸气压的产生，减少微波加热消耗的能量，节约能源。

4、微波和水力压裂随着脉冲方向的改变交替作用，微波作用后使水力压裂更容易，裂缝开度更大，使煤体产生的裂隙能够相互更快扩展贯通，更快形成裂隙网络，从而增加煤层透气性，提高煤层瓦斯抽采量。

5、水力化措施和微波交替作用煤层，更大程度的避免高压水造成的煤层水锁效应，同时微波转换器加上谐振式波导缝隙方阵使煤层处在微波产生的最大辐射强度圈内，使微波的作用效果达到最好，避免了微波能的损失。

以下将结合附图对本发明专利的技术方案作进一步说明。

附图说明

图1为本发明中一体化强化煤层瓦斯抽采系统示意图；

图2为脉冲发出周期图；

图3为波导转换器简图；

图中：1-脉冲控制系统，2-微波源，3-波导，4-感应探头，5-温度感应器，6-贮水箱，7-高压水泵，8-电磁阀，9-注液管，10-导线，11-煤层，12-瓦斯抽采管，13-封孔器，14-扩容钻杆，15-多功能钻头，16-支架，17-微震仪，18-水力化钻孔一，19-微波钻孔，20-波导转换器，21-谐振式波导缝隙天线方阵。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语知识为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1，请参照附图1，一体化强化煤层瓦斯抽采系统，包括脉冲水力化系统和脉冲微波发生系统，所述脉冲水力化系统主要包括脉冲控制系统1、贮水箱6、高压水泵7，所述脉冲微波发生系统主要包括脉冲控制系统1、微波源2、波导3，所述脉冲控制系统1通过导线10分别连接高压水泵7和微波源2，从而调控所述脉冲水力化系统和所述脉冲微波发生系统。所述脉冲控制系统1的正向脉冲输出是水力化措施作用时间，反向脉冲输出是微波作用时间，微波系统的波导转换器有谐振式波导缝隙天线阵。所述脉冲水力系统通过注液管9与扩容钻杆14连接，然后伸入水力化钻孔18，所述注液管9设置在所述扩容杆14内。所述脉冲微波发生系统通过微波转换器20与感应探头4连接，伸入脉冲微波钻孔19。

需要说明的是，所述脉冲控制系统1还通过导线10连接温度感应器5，以及控制电磁阀8的开启。

一体化强化煤层瓦斯抽采方法，其中脉冲的周期数决定作用于煤层的技术装置，一个完整周期的前半周期是水力化措施起作用，后半周期是微波辐射作用，水力化措施和微波交替作用于煤层，显著增加煤层裂隙数，包括如下几个步骤：

步骤一、在煤层11交替施工水力化钻孔18和微波钻孔19，钻孔间距为2.5-3m；

步骤二、脉冲水力化系统首先通过注液管9依次连接扩容钻杆14、多功能钻头15伸入水力化钻孔18，然后对微波钻孔19进行封孔；

步骤三、开启贮水箱6向高压水泵7注水，同时打开脉冲发生系统1监控高压水泵7的压力，当水压达到注水压力时，通过脉冲水力化系统1打开电磁阀8，实现脉冲水压在水力化钻孔18内进行水力割缝，割缝过程中通过脉冲控制系统1根据脉冲方向调整技术措施，当达到整周期的下半周期时，控制开启微波源2，调控波导3，通过感应探头4向煤层11辐射，而且旋转微波转换器20，使谐振式波导缝隙天线阵21正对钻孔两侧的煤壁，使缝隙天线阵产生的最大辐射强度作用煤层，按照脉冲方向，依次调控水力割缝和微波重复作用煤层，同时连接微震仪17，实时监测裂隙扩展方向；

步骤四、完成水力割缝后，对水力化钻孔18进行封孔，通过脉冲控制系统1打开电磁阀8，同时打开遥控多功能钻头15前的孔路，进行脉冲水力压裂，正向脉冲进行水力压裂，反向脉冲进行微波辐射煤层11；

步骤五、完成脉冲脉冲水力压裂后，反向开启电磁阀8，对水力化钻孔进行放水，开启贮水箱6的抽水泵抽水，放水时调控脉冲控制系统1输出反向脉冲进行微波辐射，直至放水完毕后，旋转波导转换器20，使最大辐射强度能够完全作用煤层，辐射一段时间后，将压裂孔和微波钻孔中的瓦斯抽采管12并入瓦斯抽采网路进行瓦斯抽放，全程运行可视化监测仪实时监控检测并记录煤层瓦斯抽采的数据信息。

需要说明的是，所述步骤三中，每次所完成的水力割缝是圆盘状缝槽，水力割缝的压力为9~12mpa；所述步骤四中，水力压裂时的高压水压力为20~30mpa。

需要说明的是，所述脉冲控制系统1的电压设置为1000kv，电脉冲发生频率为1/30hz~1/60hz，每30s~60s输出一个脉冲。

需要说明的是，各所述步骤中，微波的工作频率为3.5ghz，功率为2.5kw。

实施例2作为对比方案，根据脉冲方向交替使用水力化措施和微波作用煤体，微波的存在能够使水力化措施高压水的输出压力降低10mpa左右，故放弃实施例2。

图2所示的是脉冲波形周期图，图3所示的是波导转换器简图，该方法能够扩展原有的孔裂隙，增加新裂隙，形成更多的孔裂隙网络图，有利于瓦斯解吸，增加煤层透气性，增加煤层瓦斯抽采量。

一种脉冲微波-水力割缝-压裂一体化煤层增透的方法，通过微波与脉冲水力化措施相结合，能够使煤体生成更多的微裂隙。微波的作用，降低煤层硬度，减低水力化措施高压水输出压裂，使水力化措施效果更明显，而缝槽的存在使水力压裂产生的裂纹扩展方向有一定的控制，在缝槽和裂纹的导向作用下以及微波辐射煤体的作用下形成的裂隙网络，增加了煤层透气性，提高煤层瓦斯抽采量。且随着脉冲方向的改变，水力化措施和微波交替作用煤体，裂隙扩展范围更广，避免一直不停的重复水力割缝造成钻头的损伤，每次少量的高压水作用，使微波加热更快，更大程度的避免高压水造成的煤层水锁效应。

上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。