致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法技术

本发明专利技术涉及一种致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，属于煤矿开采领域。该抽采方法中应用了致裂触发器，该致裂触发器的外管内腔中设有液氮储集袋与反应管，反应管内依次设有限位板、氢氧化钙固体以及充水薄膜袋，穿刺导管上设有冲击帽，穿刺导管的穿刺端头由后向前依次穿过充水薄膜袋、氢氧化钙固体以及限位板后，其上的冲击帽可挤压充水薄膜袋；利用致裂触发器在分段致裂孔内实施多次致裂，可大幅度提高煤体的透气性，解决了低透煤层瓦斯抽采过程中，常规瓦斯抽采方法所存在的抽采效率低、瓦斯抽采量衰减快的难题。

【技术实现步骤摘要】
致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法
本专利技术属于煤矿开采领域，具体涉及一种致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法。
技术介绍
煤矿瓦斯又称煤层气，是赋存于煤及围岩内以甲烷为主要成分的可燃性气体。煤矿瓦斯是矿井安全生产的主要威胁，但同时又是一种清洁能源。多数矿井采用瓦斯抽采的方法实施瓦斯灾害治理，其具有一举三得之功效。其一，可以保障煤炭生产安全、大幅降低煤矿瓦斯事故的发生率；其二，可以有效保护生态环境；其三，当前我国环保问题严重，大力推进瓦斯抽采有助于改善我国能源结构，降低天然气对外依存度。我国多数矿井属高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，且煤层透气性系数低、煤层瓦斯地质条件复杂，致使采用常规的瓦斯抽采方法难以实现工作面采前瓦斯抽采达标。故，针对煤层透气性系数低、抽采难度大等难题，研究某种适宜的煤层增透方法对煤体实施强化抽采，提高瓦斯抽采效果，已成为我国煤矿安全工作者竞相追逐的热点之一。经过多年的研究与实践，目前已形成了以水力压裂、高压水力割缝、深孔预裂爆破等为主的煤层增透技术体系。液氮相变致裂是以上煤层增透技术体系中的一种新兴工艺，其是利用液氮由液相转换为气相而产生的高压致使煤层产生次生裂隙的一种方法，该项技术目前已在国外的页岩气与煤层气开采中得以大面积推广应用，而在我国的研究与应用尚处于初级阶段。特别是，适用于煤矿井下工程实际的分段致裂煤层的瓦斯抽采方法仍属于行业
的空白。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种致裂触发器及基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，以解决低透煤层瓦斯抽采过程中，常规瓦斯抽采方法存在的抽采效率低、瓦斯抽采量衰减快的难题。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种致裂触发器，包括外管与穿刺导管；外管的内腔中固设有液氮储集袋与反应管；该反应管通过安装板架固设在液氮储集袋的后方，反应管内沿轴线方向由前至后依次设有限位板、氢氧化钙固体以及充水薄膜袋，其中限位板的中心开设有用以穿过穿刺导管的通过孔，位于通过孔的旁侧处开有若干透气孔Ⅰ；穿刺导管上固设有冲击帽，穿刺导管的穿刺端头由后向前依次穿过充水薄膜袋、氢氧化钙固体以及限位板后，其上的冲击帽可挤压充水薄膜袋；外管的尾端设有与筛管相接的螺纹段；穿刺导管的穿刺端头处设有透气孔Ⅱ，穿刺导管的尾端设有与导气管相接的螺纹段。进一步，还包括卡位机构，该卡位机构主要由卡位插销与卡位弹簧组成；安装板架上设有插销安装孔，卡位插销插装在插销安装孔中，卡位弹簧套装在卡位插销上、且卡位弹簧的两端头对应由安装板架以及卡位插销上的挡块隔挡限位，以使卡位插销可在卡位弹簧的作用下复位；卡位机构至少有两个，以各卡位插销垂直于反应管轴线的方式相对设置在反应管的后端头面处。进一步，穿刺导管上位于冲击帽后方处还依次设有活动块与固定块，其中活动块是由两个圆台体以底面对应贴合的形式组合而成，套装在穿刺导管上的活动块可沿穿刺导管轴线在冲击帽与固定块之间前后移动；穿刺导管上的冲击帽为半球型结构，该半球型结构上具有球型弧面与圆台凹槽；其中球型弧面朝向充水薄膜袋一侧以顶压充水薄膜袋，卡位插销上具有与球型弧面相配合的导引斜面；圆台凹槽位于活动块一侧，活动块嵌合在圆台凹槽内时，活动块上的圆台侧面与球型弧面配合形成卡位插销导引面。进一步，穿刺导管上设有圆盘状的导向板，该导向板的外径小于外管的内径，导向板的边缘处设有导向带，对应的，外管的内壁面上设有与导向带相配合的导向槽。一种基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，主要包括以下步骤：S1：应用钻进设备，在煤矿井下回采工作面的运输顺槽内沿煤层的倾向方向施工分段致裂孔，该分段致裂孔的终孔位置与回采工作面的回风顺槽间隔一定距离；S2：分段致裂孔施工完毕后，先将钢制的抽采管放入到分段致裂孔内，后采用封堵材料进行分段致裂孔封孔；S3：分段致裂孔封孔完成后，将权利要求4所述的致裂触发器放入到抽采管内，并将筛管与致裂触发器中的外管相连接，持续输送筛管以推进致裂触发器，使致裂触发器经抽采管逐步进入至分段致裂孔内，待致裂触发器到达预定位置后，停止输送；将导气管经抽采管输送至致裂触发器处，待导气管接近致裂触发器中的穿刺导管时，将导气管的前端头与穿刺导管的尾端螺纹连接，但不用输送；抽采管的端头设有法兰，通过法兰将钢制的四通(端口一)与钢制的抽采管进行连接，并将四通另一侧(与端口一正对的端口二)的法兰与推进活塞相连接；S4：将推进活塞与液压泵站相连接，液压泵站输送高压油以驱动推进活塞向分段致裂孔的孔口方向移动，进而实现推进活塞推动导气管向分段致裂孔的深度方向移动，直至设置在穿刺导管上的冲击帽挤压充水薄膜袋，并使得充水薄膜袋中的水外泄；外泄的水与氢氧化钙固体接触并放出大量的热；继续向分段致裂孔深度方向移动的穿刺导管将刺破液氮储集袋，泄漏的液氮受氢氧化钙与水反应所放出的热量影响而产生相变，形成大量的高压氮气，该高压氮气使得煤体内产生大量的次生裂隙；S5：在四通上设置的气体参数监测口，并通过气体压力测定装置对该分段致裂孔内的气体压力进行测定；S6：待气体压力降低且连续1周数值变化小于10％时，再利用钻进设备在与该分段致裂孔间隔一定距离处钻进一个瓦斯抽采钻孔；瓦斯抽采钻孔施工完毕后，随即对其进行有效封堵，而后放入相应的温度测定装置对该瓦斯抽采钻孔内的温度进行测定，以确定前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围边界，确保该瓦斯抽采钻孔的位置在前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围内；若该瓦斯抽采钻孔的位置不在前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围内，则在接近分段致裂孔的方向上，再次钻进一个瓦斯抽采钻孔、直至该瓦斯抽采钻孔在前一分段致裂孔内的液氮相变致裂的影响范围内；S7：在四通的另两个端口(端口三与端口四)处对应设置蝶阀，其中四通的上端口(端口三)与抽采管网相连接，下端口(端口四)与气水分离装置相连接；打开抽采管网接口处的蝶阀，在抽采管网的负压驱动下，分段致裂孔内的气体通过筛管进入抽采管网内，同时，施工在分段致裂孔旁侧的瓦斯抽采钻孔也并入抽采管网实施瓦斯抽采；S8：每天通过气体压力测定装置监测抽采过程中的瓦斯抽采量与瓦斯浓度；若瓦斯抽采量发生明显的衰减，且瓦斯浓度低于30％后，可调整四通上端口蝶阀的开闭度，同时关闭下端口蝶阀；而后，卸载四通上的推进活塞，并将致裂触发器与连有穿刺导管的导气管退出分段致裂孔。进一步，还包括步骤S9：再次将氢氧化钙固体与充水薄膜袋放入致裂触发器的相应位置，后将致裂触发器、穿刺导管以及导气管逐步放入到分段致裂孔内，待致裂触发器到达第二预定位置后，重复S4～S5，而后重复S7直至实现瓦斯抽采达标。进一步，步骤S3中所述的预定位置为致裂触发器的第一次致裂预定位置，其位于分段致裂孔孔口至深度方向的三分之二深度处；步骤S9中所述的第二预定位置为致裂触发器的第二次致裂预定位置，其位于分段致裂孔孔口至深度方向的三分之一深度处。进一步，步骤S6中确定液氮相变致裂影响范围边界的方式为：通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种致裂触发器，其特征在于：包括外管与穿刺导管；外管的内腔中固设有液氮储集袋与反应管；该反应管通过安装板架固设在液氮储集袋的后方，反应管内沿轴线方向由前至后依次设有限位板、氢氧化钙固体以及充水薄膜袋，其中限位板的中心开设有用以穿过穿刺导管的通过孔，位于通过孔的旁侧处开有若干透气孔Ⅰ；穿刺导管上设有冲击帽，穿刺导管的穿刺端头由后向前依次穿过充水薄膜袋、氢氧化钙固体以及限位板后，其上的冲击帽可挤压充水薄膜袋；外管的尾端设有与筛管相接的螺纹段；穿刺导管的穿刺端头处设有透气孔Ⅱ，穿刺导管的尾端设有与导气管相接的螺纹段。/n

【技术特征摘要】
1.一种致裂触发器，其特征在于：包括外管与穿刺导管；外管的内腔中固设有液氮储集袋与反应管；该反应管通过安装板架固设在液氮储集袋的后方，反应管内沿轴线方向由前至后依次设有限位板、氢氧化钙固体以及充水薄膜袋，其中限位板的中心开设有用以穿过穿刺导管的通过孔，位于通过孔的旁侧处开有若干透气孔Ⅰ；穿刺导管上设有冲击帽，穿刺导管的穿刺端头由后向前依次穿过充水薄膜袋、氢氧化钙固体以及限位板后，其上的冲击帽可挤压充水薄膜袋；外管的尾端设有与筛管相接的螺纹段；穿刺导管的穿刺端头处设有透气孔Ⅱ，穿刺导管的尾端设有与导气管相接的螺纹段。


2.根据权利要求1所述的致裂触发器，其特征在于：还包括卡位机构，该卡位机构主要由卡位插销与卡位弹簧组成；安装板架上设有插销安装孔，卡位插销插装在插销安装孔中，卡位弹簧套装在卡位插销上、且卡位弹簧的两端头对应由安装板架以及卡位插销上的挡块隔挡限位，以使卡位插销可在卡位弹簧的作用下复位；卡位机构至少有两个，以各卡位插销垂直于反应管轴线的方式相对设置在反应管的后端头面处。


3.根据权利要求2所述的致裂触发器，其特征在于：穿刺导管上位于冲击帽后方处还依次设有活动块与固定块，其中活动块是由两个圆台体以底面对应贴合的形式组合而成，套装在穿刺导管上的活动块可沿穿刺导管轴线在冲击帽与固定块之间前后移动；穿刺导管上的冲击帽为半球型结构，该半球型结构上具有球型弧面与圆台凹槽；其中球型弧面朝向充水薄膜袋一侧以顶压充水薄膜袋，卡位插销上具有与球型弧面相配合的导引斜面；圆台凹槽位于活动块一侧，活动块嵌合在圆台凹槽内时，活动块上的圆台侧面与球型弧面配合形成卡位插销导引面。


4.根据权利要求1～3任一所述的致裂触发器，其特征在于：穿刺导管上设有圆盘状的导向板，该导向板的外径小于外管的内径，导向板的边缘处设有导向带，对应的，外管的内壁面上设有与导向带相配合的导向槽。


5.一种基于液氮相变分段致裂煤层的瓦斯抽采方法，其特征在于主要包括以下步骤：
S1：应用钻进设备，在煤矿井下回采工作面的运输顺槽内沿煤层的倾向方向施工分段致裂孔，该分段致裂孔的终孔位置与回采工作面的回风顺槽间隔一定距离；
S2：分段致裂孔施工完毕后，先将钢制的抽采管放入到分段致裂孔内，后采用封堵材料进行分段致裂孔封孔；
S3：分段致裂孔封孔完成后，将权利要求4所述的致裂触发器放入到抽采管内，并将筛管与致裂触发器中的外管相连接，持续输送筛管以推进致裂触发器，使致裂触发器经抽采管逐步进入至分段致裂孔内，待致裂触发器到达预定位置后，停止输送；
将导气管经抽采管输送至致裂触发器处，待导气管接近致裂触发器中的穿刺导管时，将导气管的前端头与穿刺导管的尾端螺纹连接，但不用输送；抽采管的端头设有法兰，通过法兰将钢制的四通与钢制的抽采管进行连接，并将四通另一侧的法兰与推进活塞相连接；
S4：将推进活塞与液压泵站相连接，液压泵站输送高压油以驱动推进活塞向分段致裂孔的孔口方向移动，进而实现推进活塞推动导气管向分段致裂孔的深度方向移动，直至设置在穿刺导管上的冲击帽挤压充水薄膜袋，并使得充水薄膜袋中的水外泄；
外泄的水与氢氧化钙固体接触并放出大量的热；继续向分段致裂孔深度方向移动的穿刺导管将刺破液氮储集袋，泄漏的液氮受氢氧化钙与水反应所放出的热量影响而产生相变，形成大量的高压氮气，该高压氮气使得煤体内...

【专利技术属性】
技术研发人员：程波，秦玉兵，刘永亮，隆清明，张仰强，颜文学，
申请(专利权)人：中煤科工集团重庆研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50