微生物与水力化联合增透技术相协同的煤层瓦斯治理方法与流程

1.本发明涉及煤矿瓦斯治理技术领域，特别是一种微生物与水力化联合增透技术相协同的煤层瓦斯治理方法。


背景技术：

2.瓦斯抽采作为能够有效解决煤矿瓦斯问题的根本技术措施之一，已经被各煤矿普遍应用。但是，由于地质条件的原因，我国大多数煤层的赋存条件比较复杂、透气性比较差，从而导致煤层瓦斯抽采效率低下，进而严重影响煤炭的安全、高效开采。因此，为治理低渗透性煤层的瓦斯，国内外众多学者在煤层增透技术方面进行了大量研究，相关研究成果包括水力化增透技术(水力压裂、水力割缝、水力冲孔等)、爆破增透技术(深孔预裂爆破、松动爆破、co2相变致裂等)、化学改性增透技术(煤层酸化、增渗液等)等。上述煤层增透技术中，水力化增透技术的应用比较广泛，但是对于可解析瓦斯量小、瓦斯吸附性强的煤层，对其进行水力化增透措施后，虽然有效丰富了煤层内部的裂隙网络，使得煤层内部通过钻孔与外界的接触面积有效增加，但是由煤层所释放出的可解析瓦斯量非常有限，即使连接负压抽采系统，其抽采效果也并不理想，故导致煤层瓦斯含量的降低量非常有限，进而无法实现有效缩短抽采时间和降低钻孔工程量的目的。此外，受矿井泵站综合抽采能力的限制、抽采设备库存量不足等因素，可能会出现抽采设备的安装远远滞后巷道掘进或工作面回采的情况，此时仅靠排放钻孔来释放煤层内的瓦斯将会严重影响巷道掘进速度及煤炭的安全开采，特别是对于采掘接替比较紧张的矿井。此外，甲烷是一种温室气体，而现在大多数煤矿从煤层中所抽采的甲烷是直接排放到大气中的，因此将会对大气造成污染。为此，需要一种能够在抽采效率较低或无法进行抽采条件下能够有效治理低渗透性煤层内部瓦斯的环保型瓦斯治理方法。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种微生物与水力化联合增透技术相协同的煤层瓦斯治理方法。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：微生物与水力化联合增透技术相协同的煤层瓦斯治理方法，包括如下步骤：
5.步骤1，首先在煤体中分别施工钻孔组，每组钻孔组包括1个压裂钻孔、2个导向钻孔和2个控制钻孔，并在钻孔施工完成后对各钻孔进行水力割缝形成缝槽，各个缝槽之间形成主裂隙，沿主裂隙形成多条微裂隙，其中各个压裂钻孔、导向钻孔和控制钻孔分别与外接管相连，外接管上分别设有球阀；
6.步骤2，配置压裂液，压裂液为水和厌氧型甲烷氧化菌菌液的混合液，对各钻孔组的压裂钻孔进行水力压裂，对每个压裂钻孔采用分段压裂的方式，所述分段压裂是按照钻孔内由里到外的顺序进行逐段压裂；
7.步骤3，压裂钻孔完成后，回收设备并关闭各压裂钻孔、导向钻孔及控制钻孔外接
管上的球阀，保证钻孔及煤体内部裂隙不与外界空气沟通，厌氧型甲烷氧化菌吸附在煤的表面和孔隙中，对煤微孔中吸附的ch4进行驱离和置换，使吸附态ch4变为游离态ch4，从而方便厌氧型甲烷氧化菌对其进行转化，进而扩大厌氧型甲烷氧化菌消除煤体内部ch4的范围。
8.进一步地，所述步骤1中钻孔施工完成后对各钻孔进行水力割缝是利用割缝-压裂一体化装置进行水力割缝。
9.进一步地，所述步骤1中每组钻孔组的布置为：压裂钻孔位于中间，压裂钻孔的外部两侧依次为导向钻孔和控制钻孔。
10.进一步地，所述步骤1中每组钻孔中的压裂钻孔、导向钻孔及控制钻孔均在位于孔口处的位置安装有套管，套管外部通过水泥砂浆与煤体进行固定，套管通过法兰盘及螺栓与外接管固定。
11.进一步地，所述套管的长度l9不小于3m。
12.进一步地，所述步骤1中各钻孔组的布置包括采煤工作面煤层钻孔布置和掘进工作面煤层钻孔布置：
13.(1)采煤工作面
14.采煤工作面中，相邻两组钻孔组共用1个控制钻孔，导向钻孔、控制钻孔和压裂钻孔的长度根据采煤工作面倾斜长度l1来确定，其中，控制钻孔和压裂钻孔的长度相等，且长度l2应至少小于采煤工作面倾斜长度30m，即l2≤l
1-30；导向钻孔的长度较控制钻孔或压裂钻孔的长度短；
15.每个压裂钻孔内施工缝槽的数量根据l2和钻孔内最外侧缝槽距孔口之间的距离l8来确定，钻孔内最外侧缝槽距孔口之间的距离l8至少为30m，而压裂钻孔内相邻缝槽之间的距离l7为20-30m，单个缝槽的宽度l3为2-4m；
16.每个控制钻孔内部的缝槽数量、缝槽的轴向位置和相邻缝槽之间的距离l7与压裂钻孔相同；
17.每个导向钻孔内部的缝槽数量与压裂钻孔一致，但是缝槽的轴向位置与压裂钻孔和控制钻孔不同，导向钻孔内部的缝槽与压裂钻孔和控制钻孔相对应的缝槽在钻孔轴向上相距l7/2m，各导向钻孔、控制钻孔和压裂钻孔的孔径不小于94mm，钻孔均为垂直于巷道煤壁施工的顺层钻孔，钻孔倾角同煤层倾角；
18.(2)掘进工作面
19.压裂钻孔垂直掘进工作面施工，而控制钻孔和导向钻孔与巷道中心轴之间具有夹角，导向钻孔、控制钻孔和压裂钻孔的长度主要根据掘进计划来确定；压裂钻孔的长度l
11
为100-140m；
20.同时为保证整体掘进效率可通过增开掘进工作面数量来保证掘进施工队伍的掘进效率，即在一个掘进工作面进行瓦斯治理时，掘进施工队伍可以去另一个掘进工作面进行掘进，等到另一个掘进工作面进行瓦斯治理时，再返回该掘进工作面进行施工；
21.掘进工作面本掘进循环中各钻孔与下一循环掘进各钻孔之间需要有一定的压茬，压茬长度l
10
为20-40m；
22.各导向钻孔、控制钻孔和压裂钻孔内缝槽数量、缝槽宽度及相邻缝槽之间的距离要求与采煤工作面相同。
23.进一步地，所述步骤2对每个压裂钻孔按照由里到外的顺序进行逐段压裂具体包
的过程，进一步扩大厌氧型甲烷氧化菌消除煤体内部ch4的范围；此外，厌氧型甲烷氧化菌能够使煤体发生部分降解，增大煤体的孔容，使得煤体内部裂缝及孔隙之间的连通性增强，进一步增加煤体的渗透性。
37.3)本发明微生物与水力化联合增透技术相协同的煤层瓦斯治理方法能够有效缓解矿井抽采能力紧张或不足的情况，并且同样可以从根本上消除煤体内部的甲烷，同时有效减少向大气中排放的甲烷量，保护生态环境。
附图说明
38.图1为本发明采煤工作面煤层各钻孔组的布置及压裂后裂隙分布平面示意图；
39.图2为本发明的压裂钻孔孔口套管及外接管的连接剖面示意图；
40.图3为掘进工作面煤层各钻孔布置平面图；
41.图4为本发明的压裂钻孔中前置高压胶囊、后置高压胶囊和连接杆的安装结构示意图；
42.图5为本发明的不同钻孔组内不同压裂段进行压裂时压裂钻孔及导向钻孔内前置高压胶囊和后置高压胶囊的布置示意图，图中前置高压胶囊和后置高压胶囊中为黑色代表注水加压。
43.图中：
44.1-煤体；2-压裂钻孔；3-导向钻孔；4-控制钻孔；5-缝槽；6-主裂隙；7-微裂隙；8-外接管；9-球阀；10-套管；11-水泥砂浆；12-法兰盘；13-螺栓；
45.14-前置高压胶囊；15-后置高压胶囊；16-连接杆；17-注液管；18-手动加压泵；19-高压胶管；20-乳化液泵；21-进液管；22-返液管；23-水箱；24-掘进工作面；25-巷道。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.实施例一
48.请参阅图1，微生物与水力化联合增透技术相协同的煤层瓦斯治理方法，包括如下步骤：
49.步骤1，首先在煤体1中分别施工钻孔组，每组钻孔组包括1个压裂钻孔2、2个导向钻孔3和2个控制钻孔4，并在钻孔施工完成后对各钻孔进行水力割缝形成缝槽5(按照钻孔内由里到外的顺序进行水力割缝)，各个缝槽5之间形成主裂隙6，沿主裂隙6形成多条微裂隙7，其中各个压裂钻孔2、导向钻孔3和控制钻孔4分别与外接管8相连，外接管8上分别设有球阀9；
50.其中，所述步骤1中钻孔施工完成后对各钻孔进行水力割缝是利用割缝-压裂一体化装置进行水力割缝。
51.其中，压裂钻孔2的作用就是对煤体1进行高压破裂，使煤体1产生裂隙；导向钻孔3的作用就是利用缝槽5来诱导和控制压裂钻孔2周边裂隙的产生和扩展；控制钻孔4主要是
用来控制和监测压裂钻孔2在压裂液的作用下所产生裂隙的扩展范围，同时通过自身的缝槽5来诱导裂隙的扩展方向。
52.所述步骤1中每组钻孔的布置为：压裂钻孔2位于中间，压裂钻孔2的外部两侧依次为导向钻孔3和控制钻孔4。为减少施工装置的整体搬移次数，可按照先施工控制钻孔4和导向钻孔3，后施工压裂钻孔2的顺序。各钻孔内缝槽5的施工尽量采用后退的方式，方便割缝过程中钻孔内煤渣的清理。
53.参照图2，所述步骤1中每组钻孔中的压裂钻孔2、导向钻孔3及控制钻孔4均在位于孔口处的位置安装有套管10，套管10外部通过水泥砂浆11与煤体1进行固定，套管10通过法兰盘12及螺栓13与外接管8固定。
54.套管10的长度l9不小于3m。
55.参照图1及图3，步骤1中，各钻孔组的布置包括采煤工作面煤层钻孔布置和掘进工作面煤层钻孔布置：
56.(1)采煤工作面
57.采煤工作面中，相邻两组钻孔组共用1个控制钻孔4，导向钻孔3、控制钻孔4和压裂钻孔2的长度根据采煤工作面倾斜长度l1来确定，其中，控制钻孔4和压裂钻孔2的长度相等，且长度l2应至少小于采煤工作面倾斜长度30m，即l2≤l
1-30；导向钻孔3的长度较控制钻孔4或压裂钻孔2的长度短，长度差为l6，单位m；具体地，l6为2-10m；压裂钻孔2与导向钻孔3之间的水平距离l4为5m-20m，导向钻孔3与控制钻孔4之间的水平距离l5为5m-15m；
58.每个压裂钻孔2内施工缝槽5的数量根据l2和钻孔内最外侧缝槽5距孔口之间的距离l8来确定，一般钻孔内最外侧缝槽5距孔口之间的距离l8至少为30m，而压裂钻孔2内相邻缝槽5之间的距离l7为20-30m，单个缝槽5的宽度l3为2-4m；
59.每个控制钻孔4内部的缝槽5数量、缝槽5的轴向位置和相邻缝槽5之间的距离l7与压裂钻孔2相同；
60.每个导向钻孔3内部的缝槽5数量与压裂钻孔2一致，但是缝槽5的轴向位置与压裂钻孔2和控制钻孔4不同，导向钻孔3内部的缝槽5与压裂钻孔2和控制钻孔4相对应的缝槽5在钻孔轴向上相距l7/2m(即10-15m)，这样布置的目的是尽可能保证压裂钻孔2在压裂过程产生的裂缝更加均匀，瓦斯治理“空白带”更少。此外，各导向钻孔3、控制钻孔4和压裂钻孔2的孔径不小于94mm，钻孔均为垂直于巷道煤壁施工的顺层钻孔，钻孔倾角同煤层倾角。同时，每组钻孔组内的控制钻孔4可与相邻组钻孔共用，即每一个控制钻孔4可以对其两侧的压裂钻孔2分别进行控制。
61.(2)掘进工作面
62.压裂钻孔2垂直掘进工作面24施工，而控制钻孔4和导向钻孔3需要有一定的夹角，其夹角大小的确定需要根据现场巷道25两侧需要掩护掘进的宽度l
12
以及巷道25掘进方向等工程具体参数而定，一般l
12
为20m；
63.导向钻孔3、控制钻孔4和压裂钻孔2的长度主要根据掘进计划来确定，考虑到在掘进工作面24施工钻孔治理瓦斯情况下需要停止掘进，因此压裂钻孔2的长度l
11
为100-140m，一般情况下，导向钻孔3及控制钻孔4的长度长于压裂钻孔2；
64.同时为保证整体掘进效率可通过增开掘进工作面24数量来保证掘进施工队伍的掘进效率，即在一个掘进工作面24进行瓦斯治理时，掘进施工队伍可以去另一个掘进工作
面24进行掘进，等到另一个掘进工作面24进行瓦斯治理时，再返回该掘进工作面24进行施工；
65.掘进工作面24本掘进循环中各钻孔与下一循环掘进各钻孔之间需要有一定的压茬，用来保证巷道25两侧掘进掩护范围内无“空白带”，压茬长度l
10
为20-40m。
66.各导向钻孔3、控制钻孔4和压裂钻孔2内缝槽5数量、缝槽5宽度及相邻缝槽5之间的距离要求与上述采煤工作面相同。
67.参照图4，步骤2，配置压裂液，压裂液为水和厌氧型甲烷氧化菌菌液的混合液，对各钻孔组的压裂钻孔2进行水力压裂，为保证压裂钻孔2周边裂缝分布的均匀性，对每个压裂钻孔2采用分段压裂的方式，并且按照钻孔内由里到外的顺序进行逐段压裂；
68.所述步骤2对每个压裂钻孔2按照由里到外的顺序进行逐段压裂具体包括步骤201-步骤207：
69.步骤201、压裂钻孔2、导向钻孔3及控制钻孔4均割缝完成后，首先配置压裂液，压裂液为水和厌氧型甲烷氧化菌菌液的混合液，配置方法为将水箱内放满水，并将厌氧型甲烷氧化菌菌液倒入水箱内(厌氧型甲烷氧化菌菌液的浓度及加入量根据实际应用情况进行确定)；
70.步骤202、然后依次将前置高压胶囊14、后置高压胶囊15、连接杆16放入压裂钻孔2内，且前置高压胶囊14和后置高压胶囊15分别置于压裂钻孔2内由里向外数的第1条缝槽5的两侧，进行第一段压裂；所述前置高压胶囊14与后置高压胶囊15间隔套装在连接杆16上，连接杆16末端通过高压胶管19与乳化液泵20相连，乳化液泵20与水箱23之间通过进液管21与返液管22相连，所述前置高压胶囊14和后置高压胶囊15另外分别通过注液管17与手动加压泵18相连；
71.步骤203、将前置高压胶囊14和后置高压胶囊15分别通过注液管17与手动加压泵18相连，手动加压泵18中加水，利用手动高压泵分别对前置高压胶囊14及后置高压胶囊15进行注水加压(压力不小于15mpa)，使之膨胀并挤压钻孔壁；
72.步骤204、连接水箱23与乳化液泵20之间的进液管21和回液管，以及乳化液泵20与连接杆16之间的高压胶管19；
73.步骤205、在该压裂钻孔2两侧的导向钻孔3内由里向外数的第1条缝槽5的两侧，也分别放置前置高压胶囊14、后置高压胶囊15，所述前置高压胶囊14与后置高压胶囊15间隔套装在连接杆16上，前置高压胶囊14和后置高压胶囊15另外分别通过注液管17与手动加压泵18相连，手动加压泵18中加水，并利用后置高压胶囊15上连接的手动高压泵仅对后置高压胶囊15进行注水加压(压力不小于15mpa)，参照图5所示，在压裂钻孔2两侧的导向钻孔3内第1条裂缝处，仅对后置高压胶囊15进行注水加压，使之膨胀并挤压钻孔孔壁完成钻孔的封堵，其目的是人为控制导向钻孔3内部裂隙的扩展，防止压裂钻孔2第一段压裂时导致导向钻孔3在与控制钻孔4通过裂隙沟通后，压裂钻孔2在进行其余段压裂时导向钻孔3不再扩展裂隙；
74.步骤206、一切准备就绪后，启动乳化液泵20，开始对该压裂钻孔2进行压裂，压裂过程中随着水箱23内压裂液沿连接杆16内部不断进入压裂钻孔2内部，需要不断往水箱23内加入水和厌氧型甲烷氧化菌菌液，当钻孔组的控制钻孔4出现流水现象时，说明因为水力压裂而在煤体1内产生的裂隙已经扩展到控制钻孔4的位置，此时即可停止压裂，并开始对
压裂钻孔2内的连接杆16及高压胶管19内的液体卸压，然后对压裂钻孔2及导向钻孔3内的前置高压胶囊14、后置高压胶囊15分别进行卸压；完成该压裂钻孔2的第一段压裂；
75.步骤207、进行压裂钻孔2的第二段及后续各段的压裂：
76.压裂钻孔2和导向钻孔3内的前置高压胶囊14和后置高压胶囊15依次移动到压裂钻孔2内及导向钻孔3内由里向外第2条缝槽5处及后续各条缝槽5处的两侧，并分别对其进行注水加压；然后重复上述步骤201-步骤206，完成压裂钻孔2的由内向外的分段压裂工作；
77.其中，在进行步骤205时，利用前置高压胶囊14和后置高压胶囊15上分别连接的手动高压泵，分别对前置高压胶囊14及后置高压胶囊15同时进行注水加压，使之膨胀并挤压钻孔孔壁完成钻孔的封堵。参照图5所示，在压裂钻孔2两侧的导向钻孔3内第2条裂缝及第3条裂缝处，对前置高压胶囊14和后置高压胶囊15均进行注水加压(后续各段以此类推)。
78.步骤3，压裂钻孔2完成后，回收设备并关闭各压裂钻孔2、导向钻孔3及控制钻孔4外接管8上的球阀9，保证钻孔及煤体1内部裂隙不与外界空气沟通，厌氧型甲烷氧化菌吸附在煤的表面和孔隙中，对煤微孔中吸附的ch4进行驱离和置换，使吸附态ch4变为游离态ch4，从而方便甲烷氧化菌对其进行转化，进而扩大厌氧型甲烷氧化菌消除煤体1内部ch4的范围。
79.步骤3的具体操作步骤如下：压裂钻孔2完成后，依次回收各装备以便下次使用；当压裂钻孔2内部的前置高压胶囊14、后置高压胶囊15、连接杆16均撤出后，关闭压裂钻孔2外接管8上的球阀9；同理，当导向钻孔3内部的前置高压胶囊14、后置高压胶囊15、连接杆16均撤出后，关闭导向钻孔3外接管8上的球阀9；控制钻孔4外接管8上的球阀9在压裂完成后即可马上关闭；
80.此时，煤体1内将含有大量厌氧型甲烷氧化菌，这些微生物将会吸附在煤的表面和孔隙中，经过一系列的反应，将煤体1内部的ch4转换成h2o、co2和其他气体，而煤体1对co2的吸附强度远高于ch4，因此可以对煤微孔中吸附的ch4进行驱离和置换，使吸附态ch4变为游离态ch4，从而方便厌氧型甲烷氧化菌对其进行转化，进而扩大厌氧型甲烷氧化菌消除煤体1内部ch4的范围。此外，厌氧型甲烷氧化菌能够使煤体1发生部分降解，增大煤体1的孔容，使得煤体1内部裂缝及孔隙之间的连通性增强，进一步增加煤体1的渗透性。
81.由于厌氧甲烷氧化本身是氧化作用，所以需要不同的电子接收者进行还原作用与之耦合，本发明中厌氧型甲烷氧化菌利用的是与硝酸或亚硝酸根还原偶联反应，相应的化学反应式为：ch4+4no
3-→
co2+4no
2-+2h2o；3ch4+8no
2-+8h
+
→
3co2+4n2+10h2o。
82.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。