本发明专利技术公开一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置及实施方法，该增透装置包括液氮注入系统、液氮汽化效应聚能系统和喷射系统；所述液氮注入系统包括液氮罐、液氮传输管路和液氮注入泵；液氮汽化效应聚能系统包括液氮注入管路和液氮汽化效应聚能管路，在液氮注入管路和液氮汽化效应聚能管路的连接处设置有第一开关阀门；在煤层和岩层上施工有钻孔，液氮汽化效应聚能管路的出口端伸入钻孔中，所述喷射系统设置在液氮汽化效应聚能管路的出口端；喷射系统包括喷射腔室，在喷射腔室与液氮汽化效应聚能管路的连接处设置有第二开关阀门，在喷射腔室上设置有喷嘴。本发明专利技术可提高对煤岩的致裂增透效果，进而提高瓦斯抽采效率，并提高矿井安全生产系数。井安全生产系数。井安全生产系数。
【技术实现步骤摘要】
一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置及实施方法
[0001]本专利技术涉及高瓦斯煤矿低渗透性煤层增透领域，具体地说是涉及一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，以及基于该装置的煤岩增透实施方法。
技术介绍
[0002]目前，我国绝大部分高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低渗煤层，透气性差，瓦斯抽采困难，效率偏低，严重制约了矿井安全生产。为增加煤储层透气性，常用的增透技术多为水力割缝、水力压裂、水力冲孔以及高压水射流割裂等水力化措施，浪费水资源且在水资源匮乏地区难以开展。
[0003]液氮作为一种超低温介质，温度为
‑
196℃，且液氮遇热汽化膨胀可相变成696倍体积的气态氮气，因此在提高煤层的透气性方面有较好的应用前景。而且液氮冷浸致裂作为一种无水化增渗技术不仅可以有效的避免水锁效应，还具有节约水资源和对环境无污染等优点，因此在煤层气抽采中得到了一定的应用。然而目前多是采用直接向钻孔中注入高压液氮的方式，来使煤岩产生裂隙，虽可起到一定的致裂效果，但对煤岩的增透作用有限。
技术实现思路
[0004]基于上述技术问题，本专利技术提出一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，以及采用该装置对煤岩增透的实施方法。
[0005]本专利技术所采用的技术解决方案是：
[0006]一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，包括液氮注入系统、液氮汽化效应聚能系统和喷射系统；
[0007]所述液氮注入系统包括液氮罐、液氮传输管路和液氮注入泵，液氮罐通过液氮传输管路与液氮注入泵的进口端连接；
[0008]所述液氮汽化效应聚能系统包括液氮注入管路和液氮汽化效应聚能管路，液氮注入管路的进口端与液氮注入泵的出口端连接，液氮注入管路的出口端与液氮汽化效应聚能管路的进口端连接，在液氮注入管路和液氮汽化效应聚能管路的连接处设置有第一开关阀门；
[0009]在煤层和岩层上施工有钻孔，液氮汽化效应聚能管路的出口端伸入钻孔中，所述喷射系统设置在液氮汽化效应聚能管路的出口端；
[0010]喷射系统包括喷射腔室，喷射腔室与液氮汽化效应聚能管路相连通，在喷射腔室与液氮汽化效应聚能管路的连接处设置有第二开关阀门，在喷射腔室上设置有喷嘴。
[0011]优选的，在液氮汽化效应聚能管路上设置有用于对其内部压力实时监测的压力监测装置。
[0012]优选的，所述第二开关阀门为仅能由液氮汽化效应聚能管路向喷射腔室流通的单向开关阀门。
[0013]优选的，在液氮注入泵的出口端还设置有液氮注入泵开关。
[0014]优选的，在液氮汽化效应聚能管路的外壁上，且对应岩层与煤层的交界处还设置有用于将钻孔与液氮汽化效应聚能管路的外壁之间间隙封堵住的封堵装置；在钻孔的末端且对应岩层的断面处还设置有封孔装置。
[0015]优选的，在液氮注入管路上还设置有泄压阀。
[0016]优选的，在液氮汽化效应聚能管路的外壁上还设置有加热装置。
[0017]优选的，所述喷嘴包括四个径向喷嘴和一个轴向喷嘴，且四个径向喷嘴沿喷射腔室的周圈均匀分布。
[0018]如上所述的一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置的实施方法，包括以下步骤：
[0019](1)开孔
[0020]在底板岩层巷道内，选定增透钻孔位置后，对增透钻孔进行施工；
[0021](2)装管
[0022]增透钻孔施工完成后，将液氮汽化效应聚能管路与喷射系统连接，并装填至钻孔预定煤层段位置，同时将液氮汽化效应聚能管路与液氮注入管路连接，再将液氮注入管路与液氮注入泵连接，液氮注入泵通过液氮传输管路连接液氮罐，使煤岩增透装置连接起来；
[0023](3)封堵
[0024]通过封堵装置对煤层段进行封堵，通过封孔装置对增透钻孔进行封堵孔工作；
[0025](4)注入液氮
[0026]打开液氮注入泵开关和第一开关阀门，关闭第二开关阀门，液氮罐中的液氮通过液氮传输管路、液氮注入泵和液氮注入管路输送至液氮汽化效应聚能管路，然后关闭液氮注入泵开关和第一开关阀门，保证液氮处于液氮汽化效应聚能管路中不会流出；
[0027](5)液氮汽化效应聚能
[0028]液氮留存在液氮汽化效应聚能管路中，会发生汽化效应，膨胀产生低温氮气，之后在液氮汽化效应聚能管路内形成具有高压的低温氮气及液氮混合物；
[0029](6)喷射致裂煤岩
[0030]通过压力监测装置进行实时监测，待液氮汽化效应聚能管路内高压的低温氮气及液氮混合物压力达到预设压力时，打开与喷射腔室相连的第二开关阀门，高压的低温氮气及液氮混合物通过喷嘴射出致裂煤岩。
[0031]优选的，该实施方法，在步骤(4)中，还包括关闭液氮注入泵开关和第一开关阀门后，开启泄压阀，对液氮注入管路进行泄压的步骤；
[0032]在步骤(5)中，还包括通过加热装置对液氮汽化效应聚能管路进行加热升温的步骤。
[0033]本专利技术所基于的原理及有益技术效果如下：
[0034]煤岩与液氮接触会直接改变煤岩内部温度场分布，对煤岩内部会造成损伤破坏，从而改变煤岩渗透性。液氮汽化膨胀可相变成696倍体积的气态氮气，且液氮汽化时可吸收周围大量热量，煤层孔隙内大多含水，当煤岩与液氮接触时，煤岩孔隙中的水分在液氮汽化吸热过程中会迅速冻结，水冰相变约产生9％的体积膨胀，理论上能够产生高达207MPa的冻胀力，会进一步致裂煤岩。基于上述背景，本专利技术利用液氮汽化效应聚能产生较大的致裂压力，通过汽化效应聚能应力、热应力、冻胀力三重效应有效致裂煤岩，增加煤层渗透性，提高
瓦斯抽采效率，保证矿井安全高效生产。本专利技术还可有效解决现有缺水地区高瓦斯低渗透性矿井增透技术措施难的问题。
[0035]相比于直接向煤层中注入液氮，本专利技术先通过液氮汽化效应聚能管路汽化聚能，然后瞬间通过喷嘴高压喷出，致裂煤岩，可提高对煤岩的致裂增透效果；而且增透装置结构简单，实施方法简便易操作，可实现对高瓦斯低渗透性煤层增强透气性，提高瓦斯抽采效率，并提高矿井安全生产系数。
附图说明
[0036]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步说明：
[0037]图1为本专利技术液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置一种实施方式的结构原理示意图；
[0038]图2为图1中液氮汽化效应聚能管路部分的局部结构示意图；
[0039]图3为本专利技术液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置另一种实施方式的结构原理示意图；
[0040]图4为图3中液氮汽化效应聚能管路部分的局部结构示意图；
[0041]图5为本专利技术增透装置将液氮汽化并经喷嘴喷出后对煤岩所形成致裂裂缝的示意图；
[0042]图6为本专利技术增透装置实施方法的流程示意图。
[0043]图中：1、煤层；2、岩层；3、致裂裂缝；4、喷射腔室；5、封堵装置；6、液氮汽化效应聚能管路；7、封孔装置；8、第一开关阀门；9、液氮注入管路；10、压力监测装置；11、液氮注入泵开关；12、液氮注入泵本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，其特征在于：包括液氮注入系统、液氮汽化效应聚能系统和喷射系统；所述液氮注入系统包括液氮罐、液氮传输管路和液氮注入泵，液氮罐通过液氮传输管路与液氮注入泵的进口端连接；所述液氮汽化效应聚能系统包括液氮注入管路和液氮汽化效应聚能管路，液氮注入管路的进口端与液氮注入泵的出口端连接，液氮注入管路的出口端与液氮汽化效应聚能管路的进口端连接，在液氮注入管路和液氮汽化效应聚能管路的连接处设置有第一开关阀门；在煤层和岩层上施工有钻孔，液氮汽化效应聚能管路的出口端伸入钻孔中，所述喷射系统设置在液氮汽化效应聚能管路的出口端；喷射系统包括喷射腔室，喷射腔室与液氮汽化效应聚能管路相连通，在喷射腔室与液氮汽化效应聚能管路的连接处设置有第二开关阀门，在喷射腔室上设置有喷嘴。2.根据权利要求1所述的一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，其特征在于：在液氮汽化效应聚能管路上设置有用于对其内部压力实时监测的压力监测装置。3.根据权利要求1所述的一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，其特征在于：所述第二开关阀门为仅能由液氮汽化效应聚能管路向喷射腔室流通的单向开关阀门。4.根据权利要求1所述的一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，其特征在于：在液氮注入泵的出口端还设置有液氮注入泵开关。5.根据权利要求1所述的一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，其特征在于：在液氮汽化效应聚能管路的外壁上，且对应岩层与煤层的交界处还设置有用于将钻孔与液氮汽化效应聚能管路的外壁之间间隙封堵住的封堵装置；在钻孔的末端且对应岩层的断面处还设置有封孔装置。6.根据权利要求1所述的一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，其特征在于：在液氮注入管路上还设置有泄压阀。7.根据权利要求1所述的一种液氮汽化效应聚能致裂煤岩增透装置，其特征在于：在液氮汽化效应聚能管路的外壁上还设...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄来胜，吴兵，林双双，王晶鑫，孟昱，李超，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：
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