一种液氮气化循环后注高温氮气增加煤体透气性的方法

摘要

本发明公开了一种液氮气化循环后注高温氮气增加煤体透气性的方法，在工作面巷道内施工瓦斯抽采钻孔；通过磁化水注入管向瓦斯抽采钻孔内注入磁化水，然后磁化水向瓦斯抽采钻孔周围的煤体内渗流；液氮罐内的液氮向瓦斯抽采钻孔内注满液氮；液氮冻结渗入煤体内的磁化水，并且气化转变为氮气，使瓦斯抽采钻孔内压力升高；瓦斯抽采钻孔内已气化的氮气进入氮气加热罐内被收集；重复上述冻融步骤，对瓦斯抽采钻孔实施多次液氮气化循环；氮气加热罐对其内部收集的氮气进行加热，使高温氮气注入瓦斯抽采钻孔内，使高温氮气对煤体进行致裂。本发明先使煤体产生弱化区，然后在对煤体进行破裂增透，从而缩短氮气的蓄热时间，同时提高对煤体的增透范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用氮气增加煤体透气性的方法，具体是一种液氮气化循环后注高温氮气增加煤体透气性的方法。

背景技术

我国煤层的构造复杂，渗透率普遍较低，许多高瓦斯煤体均属于低透气性煤体。同时随着煤矿开采深度的逐步加大，应力的增高，进一步降低了煤体的透气性。在透气性差的矿井进行未卸压煤体瓦斯预抽效果往往都不理想，增加煤体透气性显得尤为重要。目前，我国增加煤体透气性过程中主要采用水力化措施，如水力压裂、水力切割。采用水力化增透措施时，煤体被水浸泡后易泥化，从而造成堵塞瓦斯流动通道，并且受到水的表面张力限制其增透范围有限；另外在进行水力化增透措施时，煤体起裂压力要求至少为25MPa，因此在高压水作用下极易诱导煤与瓦斯突出，给煤矿高效生产带来严重的安全隐患。

申请号为201210056438.2的中国专利公开了一种注温度和压力耦合作用下的氮气增透抽采瓦斯的方法，该方法对增透孔注入温度和压力耦合作用下的氮气，通过温度和压力耦合作用下氮气的耦合作用，对煤体进行增透，具体原理为氮气压开煤体小尺度裂隙，使煤体中原始闭合裂隙展开裂隙进一步扩展，增透后气体会通过裂隙通道排出煤体，该方法虽然不会堵塞瓦斯流动通道，但是在增加煤体透气性的过程中，氮气需要很长的蓄热时间后才能导致煤体破裂而增透，另外其也存在注气时间长、增透范围有限的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种液氮气化循环后注高温氮气增加煤体透气性的方法，先使煤体产生弱化区，然后在对煤体进行破裂增透，从而不仅大大缩短氮气的蓄热时间并减少注气时间，同时有效提高对煤体的增透范围。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种液氮气化循环后注高温氮气增加煤体透气性的方法，采用的氮气增透装置包括液氮罐、液氮量观测仪、第一液氮输送绝热管、第一氮气回流管、液氮缓冲罐、第二液氮输送绝热管、第二控制阀、封孔管连接装置、氮气加热装置、第三控制阀、第二氮气回流管、高温氮气注入管、第四控制阀、三通阀、回流口连接管、磁化水注入管和第五控制阀，液氮量观测仪固定在液氮罐上，液氮罐的出口通过第一液氮输送绝热管与液氮缓冲罐的进口连通，液氮缓冲罐的回流口通过第一氮气回流管与液氮缓冲罐的回流口连通，液氮缓冲罐的出口通过第二液氮输送绝热管及封孔管连接装置与封孔管的进口连接，所述封孔管通过封孔段固定在瓦斯抽采钻孔内，封孔管的管壁上开设有氮气回流口和磁化水注入口，磁化水注入口与磁化水注入管的一端连通，氮气回流口通过回流口连接管与三通阀其中一个端口连通，三通阀另外两个端口分别通过第二氮气回流管和高温氮气注入管与氮气加热罐的回流口和氮气加热罐的出口连通；第一液氮输送绝热管上设有第一控制阀，第二液氮输送绝热管上设有第二控制阀，第二氮气回流管上设有第三控制阀，高温氮气注入管上设有第四控制阀，磁化水注入管路上设有第五控制阀；其工作时的具体步骤为：

A、在工作面巷道内根据煤体倾向施工向下的瓦斯抽采钻孔；

B、采用高压注浆法对瓦斯抽采钻孔进行密封并设置封孔管，所述封孔管为液氮输送专用管；

C、打开第五控制阀，通过磁化水注入管及封孔管向瓦斯抽采钻孔内注入磁化水，磁化水的注入压力为2～4MPa，持续时间为1～2h，然后磁化水向瓦斯抽采钻孔周围的煤体内渗流；

D、关闭第五控制阀，静置6～8h，然后打开第一控制阀和第二控制阀，液氮罐内的液氮经第一液氮输送绝热管、液氮缓冲罐、第二液氮输送绝热管、封孔管连接装置及封孔管向瓦斯抽采钻孔内注入液氮，直至注满；

E、关闭第一控制阀和第二控制阀，静置2～3h，使瓦斯抽采钻孔内形成相对封闭的空间，液氮冻结渗入煤体内的磁化水，并且一部分液氮经气化转变为氮气，使瓦斯抽采钻孔内压力升高；

F、打开第三控制阀，使瓦斯抽采钻孔内已气化的氮气经氮气回流口、回流口连接管、三通阀及第二氮气回流管进入氮气加热罐内，直至瓦斯抽采钻孔内的液氮完全气化后关闭第三控制阀；

G、重复步骤D～F，对瓦斯抽采钻孔实施多次液氮气化循环，从而使煤体形成弱化区；

H、氮气加热罐对其内部收集的氮气进行加热，使氮气的加热温度达到60～100℃的高温氮气，然后打开第四控制阀，使高温氮气经高温氮气注入管、三通阀及封孔管注入瓦斯抽采钻孔内，使高温氮气对煤体形成的弱化区进行致裂，最终达到增加煤体的透气性。

进一步，所述步骤G的液氮气化循环次数为4～8次。

进一步，第一液氮输送绝热管上设有第一逆止阀，第一氮气回流管上设有第二逆止阀，第二氮气回流管上设有第三逆止阀，高温氮气注入管上设有第四逆止阀。

与现有技术相比，本发明采用先注入磁化水进而进行多次液氮气化循环，最后注入高温氮气对煤体进行致裂；由于磁化水较常规水在煤中扩散的范围大，因此注入磁化水使煤体的吸水率高，大幅度提高了后续注入液氮的冻结范围，且煤体由于吸水冻结成冰后，使其膨胀率更大，有助于提高煤体冻融致裂效果；煤层布置下向的瓦斯抽采钻孔，液氮靠自身重力流入钻孔内，确保液氮能填满整个瓦斯抽采钻孔，且随着液氮的气化，氮气向瓦斯抽采钻孔外移动，便于氮气的收集。然后由于磁化水放热成冰，此时液氮吸热气化转变为氮气，使瓦斯抽采钻孔内压力升高，加快液氮在煤体的渗流，增加煤体的冻结范围；在多次液氮气化循环作用下，通过煤体的冻结作用及磁化水结冰的膨胀作用促使煤体宏观裂隙发展沟通和微小孔隙张开发育，从而形成煤体弱化区。然后对煤体弱化区注入高温氮气，致裂针对性强，煤体致裂效果好，透气性增加幅度大，能有效提高煤层瓦斯抽采效果；高温氮气还能为瓦斯解析提供热源，加快瓦斯的解析速率，便于瓦斯高浓度、大流量抽采。收集的氮气经升温设备变为高温氮气，实现了液氮的循环利用，不用再额外提供氮气源，简单方便。该方法不但有效解决了低透气煤层增透范围小、增透效果差的难题，还能提高瓦斯抽采浓度并加快低透气性煤层瓦斯抽采速率，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明装配后的结构示意图。

图中：1、液氮罐；2、液氮量观测仪；3、第一液氮输送绝热管；4、第一控制阀；5、第一逆止阀；6、第一氮气回流管；7、第二逆止阀；8、液氮缓冲罐；9、第二液氮输送绝热管；10、第二控制阀；11、封孔管连接装置；12、氮气加热罐；13、第三控制阀；14、第三逆止阀；15、第二氮气回流管；16、高温氮气注入管；17、第四控制阀；18、第四逆止阀；19、氮气回流口；20、三通阀；21、回流口连接装置；22、磁化水注入管；23、第五控制阀；24、封孔管；25、封孔段；26、瓦斯抽采钻孔；27、煤体。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种液氮气化循环后注高温氮气增加煤体透气性的方法，采用的氮气增透装置包括液氮罐1、液氮量观测仪2、第一液氮输送绝热管3、第一氮气回流管6、液氮缓冲罐8、第二液氮输送绝热管9、第二控制阀10、封孔管连接装置11、氮气加热装置12、第三控制阀13、第二氮气回流管15、高温氮气注入管16、第四控制阀17、三通阀20、回流口连接管21、磁化水注入管22和第五控制阀23，液氮量观测仪2固定在液氮罐1上，液氮罐1的出口通过第一液氮输送绝热管3与液氮缓冲罐8的进口连通，液氮缓冲罐8的回流口通过第一氮气回流管6与液氮缓冲罐8的回流口连通，液氮缓冲罐8的出口通过第二液氮输送绝热管9及封孔管连接装置11与封孔管24的进口连接，所述封孔管24通过封孔段25固定在瓦斯抽采钻孔26内，封孔管24的管壁上开设有氮气回流口19和磁化水注入口，磁化水注入口与磁化水注入管22的一端连通，氮气回流口19通过回流口连接管21与三通阀20其中一个端口连通，三通阀20另外两个端口分别通过第二氮气回流管15和高温氮气注入管16与氮气加热罐12的回流口和氮气加热罐12的出口连通；第一液氮输送绝热管3上设有第一控制阀4，第二液氮输送绝热管9上设有第二控制阀10，第二氮气回流管15上设有第三控制阀13，高温氮气注入管16上设有第四控制阀17，磁化水注入管22上设有第五控制阀23；其工作时的具体步骤为：

A、在工作面巷道内根据煤体倾向施工向下的瓦斯抽采钻孔26；

B、采用高压注浆法对瓦斯抽采钻孔26进行密封并设置封孔管24，所述封孔管24为液氮输送专用管；

C、打开第五控制阀23，通过磁化水注入管22及封孔管24向瓦斯抽采钻孔26内注入磁化水，磁化水的注入压力为2～4MPa，持续时间为1～2h，然后磁化水向瓦斯抽采钻孔26周围的煤体内渗流；磁化水相比于常规水在煤体27内的渗流速度快，渗透范围广；

D、关闭第五控制阀23，静置6～8h，然后打开第一控制阀4和第二控制阀10，液氮罐1内的液氮经第一液氮输送绝热管3、液氮缓冲罐8、第二液氮输送绝热管9、封孔管连接装置11及封孔管24向瓦斯抽采钻孔26内注入液氮，直至注满；在液氮缓冲罐8内气化的氮气经第一氮气回流管6和第二逆止阀7回流入液氮罐1，从而可平衡液氮罐1和液氮缓冲罐8的气压，有利于加速液氮注入速度；

E、关闭第一控制阀4和第二控制阀10，静置2～3h，使瓦斯抽采钻孔26内形成相对封闭的空间，液氮冻结渗入煤体27内的磁化水，并且一部分液氮经气化转变为氮气，使瓦斯抽采钻孔26内压力升高；从而加快液氮在煤体27的渗流，并且增加煤体27的冻结范围；

F、打开第三控制阀13，使瓦斯抽采钻孔26内已气化的氮气经氮气回流口19、回流口连接管21、三通阀20及第二氮气回流管15进入氮气加热罐12内，直至瓦斯抽采钻孔26内的液氮完全气化后关闭第三控制阀13；

G、重复步骤D～F，对瓦斯抽采钻孔26实施多次液氮气化循环，从而使煤体27形成弱化区；在进行循环的过程中如液氮用尽，则通过更换液氮罐1的方式补充液氮；

H、氮气加热罐12对其内部收集的氮气进行加热，使氮气的加热温度达到60～100℃的高温氮气，然后打开第四控制阀17，使高温氮气经高温氮气注入管16、三通阀20及封孔管24注入瓦斯抽采钻孔26内，使高温氮气对煤体27形成的弱化区进行致裂，最终达到增加煤体27的透气性。

进一步，所述步骤G的液氮气化循环次数为4～8次。采用这个范围的循环次数，既不会增加过多的冻融循环时间，并且可保证冻融循环后煤体27产生较好的弱化区，从而便于后续高温氮气对弱化区的致裂，最终使煤体27的致裂效果好，煤体27的透气性增加幅度大。

进一步，第一液氮输送绝热管3上设有第一逆止阀5，第一氮气回流管6上设有第二逆止阀7，第二氮气回流管15上设有第三逆止阀14，高温氮气注入管16上设有第四逆止阀18。设置多个逆止阀可防止上述管路中液氮或氮气的回流，提高液氮或氮气的注入效果。