一种低渗煤层高压气水混压增透驱替瓦斯方法与系统

本发明属于煤层增透强化瓦斯抽采，具体涉及一种低渗煤层高压气水混压增透驱替瓦斯方法与系统。

背景技术：

1、随着科技与经济的不断发展，对煤炭的消耗量也越来越大。虽然国家对于新能源的开发利用不断深入，但目前对煤炭的需求量依旧占据首位。煤炭的需求量不断增加，因煤炭资源有限，导致矿井开采深度逐年增加。深度增加伴随着煤层渗透率下降、矿山压力提高、瓦斯突出危险性增大等问题，容易导致矿井事故的发生，严重危害员工生命安全和矿井生产效益。因此，瓦斯的治理与利用一直是煤炭开采过程中的重点解决问题。

2、目前瓦斯治理的主要方法是通过抽采瓦斯降低煤层瓦斯浓度，将煤层中赋存的瓦斯通过抽采技术采出并输送至回风巷或地表。在抽采过程中，影响瓦斯抽采效率的主要因素是煤层透气性。我国煤矿地质条件复杂，与国外的赋存条件相比，国内瓦斯抽采条件较差，主要体现在低渗煤层多、瓦斯浓度高、矿山压力大。

3、为提高瓦斯抽采效率，增加煤层透气性。利用人为手段增加煤层透气性是主要的技术方法，例如注水增渗、注气增渗、高压爆破等技术，通过扩展裂纹裂隙来提高煤层的渗透率，提高瓦斯抽采的效果。以上增渗技术对煤矿高效生产起到了促进作用，但也存在相关问题：注水增渗时注入的水分容易在孔隙间产生“水锁效应”，堵塞孔隙抑制煤体瓦斯解吸；注气增渗时注入的气体易诱发突出事故；高压爆破时若操作不当易引发岩层扰动及矿山压力显现等影响。这些问题逐渐引起业内人士的关注，严重阻碍了强制增渗瓦斯抽采技术的发展。

4、如今单一的人工增透方法暴露出许多问题：各类技术仅凸显了单个抽采条件难题的突破，在其他难题上依旧存在缺陷，且技术的集成化与协同化程度低，增透的影响范围小。针对以上问题国内外学者向联合增透方法进行研究，如果既能减少成本与能耗，又能大幅度提高煤层气的抽采率，将对我国能源消费结构的改善发挥重要作用。但是，通过将各种不同技术进行联合增透的方法容易导致高成本、工艺复杂，矿井收益不增反降。因此，很有必要克服已有的技术缺陷，设计一种高效联合增透方法，解决注水增渗时造成“水锁效应”和增渗影响范围小的问题，既能简化工艺、节省抽采能耗，又能有效提高瓦斯抽采效率。

技术实现思路

1、本发明提出一种低渗煤层高压气水混压增透驱替瓦斯方法与系统，将注水增渗与注气增渗相结合，以解决目前水力压裂时造成“水锁效应”、增渗影响半径小等问题，提高瓦斯抽采效率。

2、根据本发明的目的提出了一种低渗煤层高压气水混压增透驱替瓦斯方法与系统，其特征在于：包括以下五个步骤：

3、s1：按照钻孔、封孔作业要求进行施工，检漏：

4、在煤层内施工瓦斯抽采钻孔，按照钻孔要求施工高压注入钻孔，在封孔时使用抗高压材料进行封孔，避免因注入压力过大导致漏水、漏气。封孔后静置24h等待凝固，并进行检漏；

5、s2：启动乳化泵，将高压水注入钻孔：

6、启动乳化泵，提取水箱中的水并加压，通过溢流阀和压力调节阀将水压调整到目标压力值，打开高压水截止阀，对目标钻孔进行高压水力压裂；

7、s3：停止注水，打开排水阀进行卸压排水：

8、关闭乳化泵和高压水截止阀，打开排水阀，将钻孔内剩余的水通过排水管路输送至排水槽；

9、s4：启动空压机，停止排水，将高压气体注入钻孔：

10、关闭排水阀，启动空气压缩机，从矿井压风管路提取空气并加压，加压后输送至高压气体储罐，通过加热装置对高压气体进行加热，使用气动压力调节阀将气压调整到目标压力值，打开高压气体截止阀，对目标钻孔进行二次压裂；

11、s5：停止注气，卸压后采排瓦斯：

12、关闭空气压缩机和高压气体截止阀，打开减压阀，卸压后压力稳定可进行抽采瓦斯作业；

13、所述的s1中封孔时采用的抗高压材料：使用硅酸盐水泥和特种水泥复配基料、氧化物膨胀剂、金属膨胀剂、萘系减水剂进行封孔，使用高压无缝钢管，可承受高压水、气施加的压力。

14、所述的s2中调节水压的具体参数为：乳化泵压力静压从2mpa逐渐升压，最高压力不能超过70mpa，压力调节阀将水压调节到目标压力值(根据矿井煤层条件不同目标压力值也不同，压力范围在20～70mpa)。

15、s2中高压水力压裂过程通过压力监测装置实时监控，数据实时传输到控制台，当压力超过目标压力值时，控制台通过向压力调节阀传送指令调节水压。

16、所述的s3中停止注水由注水目标时间和乳化泵吸水量决定，当注水时间达到目标时间时或乳化泵无法继续从水箱里抽取水分时，停止注水。

17、所述的s4中调节气压和温度的具体参数为：空气压缩机压力静压从2mpa逐渐升压，最高压力不能超过70mpa，气动压力调节阀将气压调整到目标压力值(根据矿井煤层条件不同目标压力值也不同，压力范围在20～70mpa)，加热装置将高压气体温度升至150℃。

18、s4中使用加热装置加热高压气体的目的为：通过增加高压气体温度(150℃)，带动煤层孔隙温度升高(目标温度为80℃-90℃，不超过100℃)，加速煤层间隙瓦斯的解吸和运移，同时可以促进吸附水的脱附，将孔隙间未排除的水分蒸发，增大煤层透气性。

19、s4中加热装置通过与水箱连接进行冷却，避免因工作时间长和加热功率大等因素导致设备失灵与起火，引发安全事故。

20、s4中高压注气过程通过压力监测装置和温度监测装置实时监控，数据实时传输到控制台，当气体压力和温度超过目标值时，控制台通过向气动压力调节阀和加热装置传送指令调节压力和温度。

21、所述的s5中卸压时排出的高压空气经由卸压保护管路进入缓冲箱体，因瓦斯含量比空气高，在缓冲箱体内经过稀释后再排入管网。

22、s5中缓冲箱体的工作原理为：缓冲箱体由活塞、缓冲套、缓冲密封圈、缓冲阀组成，其内部形成一个密闭空间作为缓冲腔，通过吸收活塞对缓冲腔的冲击卸掉高压气体压力，卸压后的气体可通过缓冲阀排出。

23、设有乳化泵、溢流阀、压力调节阀、气动压力调节阀、压力监测装置、空气压缩机、加热装置、温度监测装置、高压水截止阀、高压气体截止阀、排水阀、减压阀、控制台。

24、所述乳化泵设置于水箱旁，便于从水箱内取水加压，其工作数据传输到控制台，通过控制台控制启停和加压功率。

25、所述溢流阀设置于连接在乳化泵的高压水管内，溢流方向流向水箱内，受控制台控制启闭。

26、所述压力调节阀设置于乳化泵后的高压水管内，通过控制台控制阀门开度，实时调节压力。

27、所述气动压力调节阀设置于加热装置后的高压气管内，通过控制台控制阀门开度，实时调节压力。

28、所述压力监测装置设置于压力调节阀和气动压力调节阀后的高压水管和气管内部，监测数据实时传输到控制台，当压力数值超过额定值时控制台进行预警。

29、所述空气压缩机设置于矿井压风管路附近，其工作数据传输到控制台，受控制台控制启停和工作功率。

30、所述加热装置设置于高压气体储罐后，受控制台控制启停，连接一条冷却管路通向水箱。

31、所述温度监测装置设置于气动压力调节阀后的高压气管内部，监测数据实时传输到控制台，当温度数值超过额定值时控制台进行预警。

32、所述高压水截止阀设置于与高压三通连接的高压水管内，受控制台控制启闭。

33、所述高压气体截止阀设置于与高压三通连接的高压气管内，受控制台控制启闭。

34、所述排水阀设置于连接在高压注水、气—抽采管路上的排水管路内，受控制台控制启闭。

35、所述减压阀设置于连接在高压注水、气—抽采管路上的卸压管路内，受控制台控制启闭。

36、所述控制台连接有高压水管线路、高压气管线路、压力监测线路、温度监测线路，通过高压水管线路向乳化泵、溢流阀、压力调节阀、高压水截止阀传输信号，通过高压气管线路向空压机、高压气体储罐、加热装置、气动压力调节阀、高压气体截止阀传输信号，控制启停。并通过压力监测线路和温度监测线路实时接收监测装置传输到控制台的数据，将数据处理分析后再呈现给工作人员。

37、与现有技术相比，本发明公开的一种低渗煤层高压气水混压增透驱替瓦斯方法与系统的优点在于：

38、(1)本发明通过高压气水混压增透方法，在注气二次致裂过程中，通过高压气体冲击解决了煤层间隙因水与煤层吸附使毛管阻力增加导致的“水锁效应”，疏通了煤层孔隙，扩大产气通道，提高煤层渗透率，有效提高抽采效率。

39、(2)与单一增透方法相比，使用高压注水注气的联合增透方法可扩大增渗影响范围，提高煤层的透气性。且压裂介质主要为水和空气，与其他增渗工艺相比，材料成本低，工艺简单，提高瓦斯治理的效益。

40、(3)本发明通过加热装置对高压气体进行加热，加热后的气体进入煤层中，可以降低煤体瓦斯吸附量，无规则热运动加剧，加速瓦斯的解吸运动。同时可以将孔隙间未排除的水分蒸发，促进瓦斯运移，增大煤层渗透能力。

41、(4)本发明与co2等注气增渗措施相比，避免突出事故隐患，与爆破增渗措施相比，可减少爆炸的风险，安全性具有明显提高，这在国内重视矿山安全管理的背景下具有重要意义。