一种钻割一体化与振荡注热协同强化煤层瓦斯抽采方法

摘要

本发明公开的一种钻割一体化与振荡注热协同强化煤层瓦斯抽采方法，适用于微孔隙、低渗透、高吸附的煤层区域瓦斯治理。通过钻割一体化技术在注热抽采孔中形成若干缝槽，再通过蒸汽发生器向注热抽采孔压入周期性变温的高压蒸汽，蒸汽通过自旋式振荡脉冲射流喷头形成振荡过热蒸汽，冲击加热煤体，本发明克服了单一增透技术的局限性，通过水力割缝显著增大单孔的卸压范围，形成裂隙网络，为过热蒸汽提供流动通道，而振荡变化的蒸汽温度和压力又促进了煤体裂隙的扩展和贯通，通过二者的协同作用，显著提高了瓦斯的解吸效率，实现瓦斯的高效抽采。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻割一体化与振荡注热协同强化煤层瓦斯抽采方法，尤其适用于煤矿井 下微孔隙、低渗透、高吸附的高瓦斯煤层区域瓦斯治理。

背景技术

我国煤层普遍具有瓦斯压力高、含量大、渗透率低、吸附性强的特点，瓦斯抽采难度极 大。因此对煤层进行人工增透，增大煤层的透气性，提高瓦斯的预抽率是保障煤矿安全生产 的重要途径。

目前，以水力割缝为代表的水利化措施以其高效的卸压增透作用在我国煤矿区域瓦斯治 理过程中得到了广泛应用。但是，由于我国煤层地质条件复杂，煤层渗透率低，单一的水力 化措施由于水射流切割及高压水冲击破碎能力的限制导致卸压增透效果有限，瓦斯抽采浓度 低，抽采周期长，无法满足高强度的煤炭开采要求。

此外，现有的研究成果表明，温度每升高1℃，煤体吸附瓦斯的能力将降低约8％。近年 来不少学者提出了煤层注热抽采技术，通过向煤层中注入高温蒸汽提高煤体温度，进而促进 瓦斯解吸，但注热形式较为单一，工程应用较少。

发明内容

技术问题：本发明目的是针对现有技术中的存在的问题，提供一种操作方便、增透效果 显著、能大幅提高瓦斯抽采效率的钻割一体化与振荡注热协同强化煤层瓦斯抽采方法。

技术方案：本发明的钻割一体化与振荡注热协同强化煤层瓦斯抽采方法，包括在煤层中 交错布置注热抽采孔和普通抽采孔的孔位，依次施工普通抽采孔、封孔、联入瓦斯抽放干管 进行瓦斯抽采；然后逐一施工注热抽采孔，利用钻机在注热抽采孔的孔位处钻进直至穿过煤 层顶板1m处，退钻，再用高压射流由内而外间隔切割注热抽采孔周围的煤体，在注热抽采孔 的外围形成若干缝槽；其特征在于，还包括如下步骤：

a.向注热抽采孔内置入耐高温瓦斯抽放管，耐高温瓦斯抽放管的管壁上间隔开有多圈通 孔，多圈通孔的间隔距离与缝槽的间隔距离相等，将前端部安装有自旋式振荡脉冲射流喷头 的蒸汽输送管道从耐高温瓦斯抽放管的入口处送入孔底部的首个缝槽处，所述自旋式振荡脉 冲射流喷头通过轴承与蒸汽输送管道相连，蒸汽输送管道的外露段经蒸汽输送管道阀门与蒸 汽发生器相连，将耐高温瓦斯抽放管的多圈通孔分别与各缝槽的位置对齐后，进行注热抽采 孔和耐高温瓦斯抽放管的封孔，并通过装有瓦斯抽采支管阀门的瓦斯抽采支管将耐高温瓦斯 抽放管与瓦斯抽放干管相连通；

b.关闭蒸汽输送管道阀门，打开瓦斯抽采支管阀门，通过瓦斯抽采支管抽采瓦斯；

c.待注热抽采孔内瓦斯浓度低于30％时，关闭瓦斯抽采支管阀门，打开蒸汽输送管道阀 门；

d.启动蒸汽发生器，通过蒸汽输送管道向注热抽采孔内注入100～500℃的过热蒸汽，持 续1～2h后，关闭蒸汽发生器和蒸汽输送管道阀门，停止注热；

e.打开瓦斯抽采支管阀门，再对注热抽采孔进行瓦斯抽采；

f.重复步骤c、d和e多次，当注热抽采孔的瓦斯浓度始终低于30％时，将蒸汽输送管道向 注热抽采孔孔口方向移动，使自旋式振荡脉冲射流喷头移至相邻的下一个缝槽的位置处；

g.重复步骤d、e和f，完成注热抽采孔内的振荡注热协同强化煤层瓦斯抽采。

所述缝槽之间的间距为0.5m。

所述的自旋式振荡脉冲射流喷头包括喷头体、设在喷头体侧面上的多个射流喷嘴，射流 喷嘴与喷头体中心孔切向相连，射流喷嘴包括喷嘴入口、振荡腔体和喷嘴出口，喷嘴入口由 外向内有两级孔壁倾角变换，喷嘴出口由内向外有三级孔壁倾角变换

所述的热蒸汽输送管道的外表面上包裹有玻璃棉材料保温层。

有益效果：本发明通过割缝增大煤体的暴露面积，形成裂隙网络，提高单个钻孔的卸压 增透范围，改善单孔瓦斯抽采效果。同时，注入煤体的热蒸汽通过裂隙网络加热煤体，降低 瓦斯在煤体中的吸附势，提高瓦斯的解吸能力，显著改善瓦斯抽采效果。同时过热蒸汽经过 自旋式振荡脉冲喷嘴形成振荡变化的蒸汽压力促进裂纹的扩展和贯通，能够更充分地形成裂 隙网络。此外，水力割缝形成的卸压空间能够显著增大煤体与高温蒸汽的接触面，增大热蒸 汽的作用范围。本发明克服了单一增透技术的局限性，通过水力割缝显著增大单孔的卸压范 围，形成裂隙网络，为过热蒸汽提供流动通道，而振荡变化的蒸汽温度和压力又促进了煤体 裂隙的扩展和贯通，通过二者的协同作用，显著提高了瓦斯的解吸效率，实现瓦斯的高效抽 采。该方法成实用性强，尤其对于微孔隙、低渗透、高吸附的高瓦斯煤层区域瓦斯治理具有 广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的具体实施方法示意图。

图2是自旋式振荡脉冲射流喷头的结构示意图。

图3是图2中A-A方向的剖视图。

图4是自旋式振荡脉冲射流喷头的喷嘴入口结构示意图。

图5是自旋式振荡脉冲射流喷头的喷嘴出口结构示意图。

图中：1－煤层；2－煤层顶板；3－注热抽采孔；4－普通抽采孔；5－缝槽；6－自旋式 振荡脉冲射流喷头；6-1－喷嘴入口；6-2－振荡腔体；6-3－喷嘴出口；7－蒸汽发生器；8－ 热蒸汽输送管道；9－蒸汽输送管道阀门；10－耐高温瓦斯抽放管；11－瓦斯抽采支管；12 －瓦斯抽采支管阀门；13－轴承；14－瓦斯抽放干管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的钻割一体化与振荡注热协同强化煤层瓦斯抽采方法：具休步骤如下：

a.在煤层1中交错布置注热抽采孔3和普通抽采孔4的孔位，依次施工普通抽采孔4、封孔、 联入瓦斯抽放干管14进行瓦斯抽采；然后逐一施工注热抽采孔3，利用钻机在注热抽采孔3的 孔位处钻进直至穿过煤层顶板2一米处，退钻，再用高压射流由内而外间隔切割注热抽采孔3 周围的煤体，在注热抽采孔3的外围形成若干缝槽5，缝槽5之间的间距为0.5m；

b.向注热抽采孔3内置入耐高温瓦斯抽放管10，耐高温瓦斯抽放管10的管壁上间隔开有 多圈通孔，多圈通孔的间隔距离与缝槽5的间隔距离相等，将前端部安装有自旋式振荡脉冲射 流喷头6的蒸汽输送管道8从耐高温瓦斯抽放管10的入口处送入孔底部的首个缝槽5位置处，所 述自旋式振荡脉冲射流喷头6通过轴承13与蒸汽输送管道8相连，蒸汽输送管道8的外露段经蒸 汽输送管道阀门9与蒸汽发生器7相连，将耐高温瓦斯抽放管10的多圈通孔分别与各缝槽5的位 置对齐后，进行注热抽采孔3和耐高温瓦斯抽放管10的封孔，并通过装有瓦斯抽采支管阀门12 的瓦斯抽采支管11将耐高温瓦斯抽放管10与瓦斯抽放干管14相连通；所述的自旋式振荡脉冲 射流喷头6如图2所示；包括喷头体、设在喷头体侧面上的2个射流喷嘴，如图3所示，射流喷 嘴与喷头体中心孔切向相连，射流喷嘴包括喷嘴入口6-1、振荡腔体6-2和喷嘴出口6-3，喷嘴 入口6-1由外向内有两级孔壁倾角变换，如图4所示，喷嘴出口6-3由内向外有三级孔壁倾角变 换，如图5所示；所述的热蒸汽输送管道8的外表面上包裹有玻璃棉材料保温层。所述耐高温 瓦斯抽放管10与缝槽5相对应位置开设的孔直径为0.003m的孔眼。

c.关闭蒸汽输送管道阀门9，打开瓦斯抽采支管阀门12，通过瓦斯抽采支管11抽采瓦斯；

d.待注热抽采孔3内瓦斯浓度低于30％时，关闭瓦斯抽采支管阀门12，打开蒸汽输送管 道阀门9；

e.启动蒸汽发生器7，蒸汽发生器7采用输出蒸汽温度100～500℃的周期性变化调节。通 过蒸汽输送管道8经自旋式振荡脉冲射流喷头6向注热抽采孔3内注入100～500℃的过热蒸汽， 高温高压空气通过自旋式振荡脉冲射流喷头6可实现蒸汽压力的周期性脉动，喷嘴出口6-3喷 出的气流对自旋式振荡脉冲射流喷头6有一个反作用力，该反作用力的切向分力可使自旋式振 荡脉冲射流喷头6在喷气后自动旋转。持续1～2h后，关闭蒸汽发生器7和蒸汽输送管道阀门9， 停止注热；所述自旋式振荡脉冲射流喷头6通过轴承13与蒸汽输送管道8相连，且两两之间安 装有防水密封圈；

f.打开瓦斯抽采支管阀门12，再对注热抽采孔3进行瓦斯抽采；

g.重复步骤d、e和c多次，待注热抽采孔3的瓦斯浓度始终低于30％时，将蒸汽输送管道 8向注热抽采孔3孔口方向移动，使自旋式振荡脉冲射流喷头6移至相邻的下一个缝槽5的位置 处；

h.重复步骤e、f和g，完成注热抽采孔3内的振荡注热协同强化煤层瓦斯抽采。