一种基于超声波的自增压煤体致裂增透强化瓦斯抽采方法

摘要

本发明公开了一种基于超声波的自增压煤体致裂增透强化瓦斯抽采方法，先在高位抽放巷内向煤层打设增透钻孔，并通过两个封孔囊袋及注浆对增透钻孔进行密封；利用水自身重力向增透钻孔最深处注水，当内部水压超过注水管内水的重力，此时注水管上的单向球阀关闭停止注水；通过超声波振子发出超声波，超声波在水中传递的损耗使水温升高汽化增大增透钻孔最深处的压力，同时超声波在水中传递会产生空化效应，空化泡的产生和破灭会形成极高的拉应力；在空化效应和汽化增压的共同作用下对周围的煤体压裂形成裂隙；整个过程无需水泵，仅利用水的重力和超声波结合就能对煤体持续进行压裂增透，从而保证增透后对煤层的瓦斯抽采效果，并且有效降低能源消耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于超声波的自增压煤体致裂增透强化瓦斯抽采方法，属于煤层增透技术领域。

背景技术

水力压裂技术是常用的煤层增透方法，现有水力压裂的过程是利用地面高压泵，通过井筒向煤层挤注具有高压力的压裂液。当注入压裂液的速度超过煤层的吸收能力时，则在煤层表面上形成很高的压力，当这种压力超过煤层表面的破裂压力时，煤层将被压开并产生裂缝。这时，继续不停地向煤层挤注压裂液，裂缝就会继续向煤层内部扩张。这种方式虽然能实现对煤层的增透效果，但是还存在如下问题：一是由于进行压裂时所需的压力较高，因此需要在钻孔外设置大功率的高压泵，使得其需要消耗大量能源并且会产生较大噪声；二是水力压裂均为一次性压裂，即高压泵对煤层注入一次压裂液时会对煤层进行一次压裂，高压泵停止高压注水后，则停止压裂过程，这样也不能实现对煤层的持续增透。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于超声波的自增压煤体致裂增透强化瓦斯抽采方法，无需水泵，仅利用水的重力和超声波振子结合，就能对煤体持续进行压裂增透，从而保证增透后对煤层的瓦斯抽采效果，并且降低能源消耗。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于超声波的自增压煤体致裂增透强化瓦斯抽采方法，具体步骤为：

A、在煤层上方的高位抽放巷内选择一个位置向下打设增透钻孔，增透钻孔的最深处穿过岩层伸入煤层中、且不穿过煤层；

B、根据增透钻孔的深度，选择所需数量的PVC管首尾相连组成传输线保护管，传输线保护管一端固定有超声波振子，将传输线保护管的该端伸入增透钻孔内并达到最深处，传输线保护管另一端通过钢筋固定在增透钻孔的孔口处；传输线保护管内设有传输线，传输线一端与超声波振子电连接、另一端与处于高位抽放巷内的超声波发生器电连接；

C、在增透钻孔内靠近钻孔孔口的传输线保护管外部装有第一封孔囊袋，在增透钻孔内靠近煤层的传输线保护管外部装有第二封孔囊袋，第一封孔囊袋和第二封孔囊袋上分别对应装有第一囊袋注浆管和第二囊袋注浆管、且第一囊袋注浆管的注浆口和第二囊袋注浆管的注浆口均伸出增透钻孔外；将注浆管一端伸入增透钻孔并处于第一囊袋注浆管和第二囊袋注浆管之间，注浆管另一端伸出增透钻孔外；将注水管一端伸入增透钻孔并依次穿过第一封孔囊袋和第一封孔囊袋达到煤层内；在靠近注水管一端的注水管内部装有单向球阀、且单向球阀的出口朝向该端，注水管另一端伸出增透钻孔外；完成增透所需装置的布设过程；

D、将第一囊袋注浆管的注浆口和第二囊袋注浆管的注浆口分别与注浆泵连接，然后通过注浆泵使浆液分别注入第一封孔囊袋和第二封孔囊袋，使第一封孔囊袋和第二封孔囊袋均完全充起分别与增透钻孔的内壁压紧密封，此时将第一囊袋注浆管的注浆口和第二囊袋注浆管的注浆口与注浆泵断开并分别封堵，从而第一封孔囊袋、第二封孔囊袋和增透钻孔的内壁之间形成密封空间；将注浆管另一端与注浆泵连接，然后通过注浆泵使浆液注入密封空间内，待浆液注满密封空间后，将注浆管另一端与注浆泵断开并封堵，从而完成增透钻孔的封堵过程；

E、将注水管另一端与处于高位抽放巷内的水箱连接，水箱内的水受重力作用通过注水管到达增透钻孔的最深处，持续注入直至第二封孔囊袋和增透钻孔的最深处之间的水压超过注水管内水的重力，此时单向球阀关闭停止注水；

F、设定超声激励参数后启动超声波发生器，进而使超声波振子发出超声波，超声波在水中传递的损耗会转化为大量热量，从而使水温升高汽化增大增透钻孔最深处的压力，同时超声波在水中传递会产生空化效应，空化泡的产生和破灭会形成极高的拉应力；在空化效应和汽化增压的共同作用下，对增透钻孔最深处周围的煤体压裂形成裂隙；

G、当裂隙产生后，增透钻孔内的水及汽化后的水汽会进入裂隙内，从而使增透钻孔最深处的水压降低，当内部水压低于注水管内水的重力时，单向球阀打开使注水管内的水进入增透钻孔最深处，直至增透钻孔的最深处的水压再次超过注水管内水的重力，此时单向球阀关闭停止注水，并重复步骤F的压裂过程并形成新的裂隙；如此持续一段时间后关闭超声波发生器，从而完成对该增透钻孔最深处周围煤体的压裂增透过程；

H、在高位抽放巷内再选择一个位置，并重复步骤A至G，完成该位置的煤层压裂增透过程；如此循环，完成高位抽放巷内各个位置的煤层压裂增透过程；最后在高位抽放巷内向煤层打设多个瓦斯抽采钻孔，对煤层进行瓦斯抽采工作。

进一步，所述第一封孔囊袋和第二封孔囊袋均为橡胶材质。

进一步，所述注水管为不锈钢材质。

与现有技术相比，本发明先在高位抽放巷内向煤层打设增透钻孔，然后在增透钻孔内设置超声波振子，第一封孔囊袋和第二封孔囊袋放置在增透钻孔内并通过注浆充填对增透钻孔最深处进行密封，同时在第一封孔囊袋和第二封孔囊袋之间形成的密封空间内注浆，最终形成密封段，防止对增透钻孔最深处周围煤体压裂增透后，煤体内部的瓦斯从增透钻孔流出；然后利用水自身重力向增透钻孔最深处注水，当内部水压超过注水管内水的重力，此时注水管上的单向球阀关闭停止注水；通过超声波振子发出超声波，超声波在水中传递的损耗会转化为大量热量，从而使水温升高汽化(由于单向阀的作用汽化后的水汽无法从增透钻孔及注水管内排出)增大增透钻孔最深处的压力，同时超声波在水中传递会产生空化效应，空化泡的产生和破灭会形成极高的拉应力；在空化效应和汽化增压的共同作用下，对增透钻孔最深处周围的煤体压裂形成裂隙；当裂隙产生后，增透钻孔内的水及汽化后的水汽会进入裂隙内，从而使增透钻孔最深处的水压降低，当内部水压低于注水管内水的重力时，单向球阀再次打开使注水管内的水进入增透钻孔最深处，如此重复持续一段时间后，完成对该增透钻孔最深处周围煤体的压裂增透过程；接着在高位抽放巷内再选择一个位置，并重复上述压裂增透过程，持续循环，直至完成整个高位抽放巷各个位置的煤层压裂增透过程；最后在高位抽放巷内向煤层打设多个瓦斯抽采钻孔，对煤层进行瓦斯抽采工作；因此本发明整个压裂增透过程无需水泵，仅利用水的重力和超声波振子结合，通过空化效应和汽化增压的共同作用下就能对煤体持续进行压裂增透，从而保证增透后对煤层的瓦斯抽采效果，并且有效降低能源消耗。

附图说明

图1是本发明的整体布设示意图；

图2是图1中第一封孔囊袋部分的局部放大图；

图3是图1中第二封孔囊袋部分的局部放大图；

图4是本发明中PVC管的结构示意图。

图中：1、煤层，2、煤巷，3、高位抽放巷，4、增透钻孔，5、瓦斯抽采孔，6、超声波振子，7、超声波发生器，8、传输线，9、PVC管，10-1、第一封孔囊袋，10-2、第二封孔囊袋，11-1、第一囊袋注浆管，11-2、第二囊袋注浆管，12、注浆泵，13、注浆管，14、密封空间，15、单向球阀，16、水箱，17、注水管，18、钢筋。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明的具体步骤为：

A、在煤层1上方的高位抽放巷3内选择一个位置向下打设增透钻孔4，增透钻孔4的最深处穿过岩层伸入煤层1中、且不穿过煤层1；

B、根据增透钻孔4的深度，选择所需数量的PVC管9首尾相连组成传输线保护管，传输线保护管一端固定有超声波振子6，将传输线保护管的该端伸入增透钻孔4内并达到最深处，传输线保护管另一端通过钢筋固定在增透钻孔4的孔口处；传输线保护管内设有传输线8，传输线8一端与超声波振子6电连接、另一端与处于高位抽放巷3内的超声波发生器7电连接；

C、在增透钻孔4内靠近钻孔孔口的传输线保护管外部装有第一封孔囊袋10-1，在增透钻孔4内靠近煤层1的传输线保护管外部装有第二封孔囊袋10-2，第一封孔囊袋10-1和第二封孔囊袋10-2上分别对应装有第一囊袋注浆管11-1和第二囊袋注浆管11-2、且第一囊袋注浆管11-1的注浆口和第二囊袋注浆管11-2的注浆口均伸出增透钻孔4外；将注浆管17一端伸入增透钻孔4并处于第一囊袋注浆管11-1和第二囊袋注浆管11-2之间，注浆管17另一端伸出增透钻孔4外；将注水管17一端伸入增透钻孔4并依次穿过第一封孔囊袋10-1和第二封孔囊袋10-2达到煤层1内；在靠近注水管17一端的注水管17内部装有单向球阀15、且单向球阀15的出口朝向该端，注水管17另一端伸出增透钻孔4外；完成增透所需装置的布设过程；

D、将第一囊袋注浆管11-1的注浆口和第二囊袋注浆管11-2的注浆口分别与注浆泵12连接，然后通过注浆泵12使浆液分别注入第一封孔囊袋10-1和第二封孔囊袋10-2，使第一封孔囊袋10-1和第二封孔囊袋10-2均完全充起分别与增透钻孔4的内壁压紧密封，此时将第一囊袋注浆管11-1的注浆口和第二囊袋注浆管11-2的注浆口与注浆泵断开并分别封堵，从而第一封孔囊袋10-1、第二封孔囊袋10-2和增透钻孔4的内壁之间形成密封空间14；将注浆管17另一端与注浆泵12连接，然后通过注浆泵12使浆液注入密封空间14内，待浆液注满密封空间14后，将注浆管13另一端与注浆泵12断开并封堵，从而完成增透钻孔4的封堵过程；

E、将注水管17另一端与处于高位抽放巷3内的水箱连接，水箱内的水受重力作用通过注水管17到达增透钻孔4的最深处，持续注入直至第二封孔囊袋10-2和增透钻孔4的最深处之间的水压超过注水管17内水的重力，此时单向球阀15关闭停止注水；

F、设定超声激励参数后启动超声波发生器7，进而使超声波振子6发出超声波，超声波在水中传递的损耗会转化为大量热量，从而使水温升高汽化增大增透钻孔4最深处的压力，同时超声波在水中传递会产生空化效应，空化泡的产生和破灭会形成极高的拉应力；在空化效应和汽化增压的共同作用下，对增透钻孔4最深处周围的煤体压裂形成裂隙；

G、当裂隙产生后，增透钻孔4内的水及汽化后的水汽会进入裂隙内，从而使增透钻孔4最深处的水压降低，当内部水压低于注水管17内水的重力时，单向球阀15打开使注水管17内的水进入增透钻孔4最深处，直至增透钻孔4的最深处的水压再次超过注水管17内水的重力，此时单向球阀15关闭停止注水，并重复步骤F的压裂过程并形成新的裂隙；如此持续一段时间后关闭超声波发生器7，从而完成对该增透钻孔4最深处周围煤体的压裂增透过程；

H、在高位抽放巷3内再选择一个位置，并重复步骤A至G，完成该位置的煤层压裂增透过程；如此循环，完成高位抽放巷3内各个位置的煤层压裂增透过程；最后在高位抽放巷3内向煤层打设多个瓦斯抽采钻孔5，对煤层1进行瓦斯抽采工作。

进一步，所述第一封孔囊袋10-1和第二封孔囊袋10-2均为橡胶材质。

进一步，所述注水管17为不锈钢材质。