【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种煤层增透方法，具体是一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置及增透方法，属于瓦斯开采。
技术介绍
1、煤矿是我国的主要能源来源，在煤矿开采过程中，煤层的瓦斯抽采，是确保矿井安全的重要环节。然而，针对低透气性且煤质松软的煤层，由于其特殊的物理性质，如煤体破碎、渗透性低、含气量大等特点，导致瓦斯抽采效率低下，甚至可能引发瓦斯积聚和瓦斯爆炸等安全隐患。
2、为了克服低渗松软煤层在瓦斯抽采中的困难，科研人员一直在探索新的煤层处理方法，目前采用的煤层增透技术主要有水力压裂、水力割缝、预裂爆破、松动爆破、水力冲孔、液氮冻融致裂等。上述方法均能在一定程度提高煤层透气性，强化瓦斯抽采，但这些方法自身也存在一定的局限性。
3、现有的爆破技术包括预裂爆破、松动爆破、聚能爆破以及co2相变爆破，都存在容易造成松软煤层坍塌导致的致裂效果较差的问题，松动爆破和预裂爆破技术增透煤体产生的污染较大，并容易发生局部压力过高或产生明火、在巷道瓦斯超限的情况下发生瓦斯爆炸事故，且松动爆破技术大多用于弱突出强度的硬煤层。
4、近年来，液氮冷冻技术由于其低耗、无污染等技术优势，不断受到关注。相比于其他非常规油气储层，煤层的非均质性强且力学属性较弱，更有利于强化液氮低温的损伤效应。因此，将液氮应用于煤层增透会获得更好的效果。但现有的液氮致裂技术主要为液氮循环冻融，液氮循环冻融使得煤的力学性质劣化，促使煤岩孔隙和裂隙发育，增加渗透率，提高瓦斯抽采率。但液氮循环冻融技术由于需要数十次循环才能达到增透效果，因此存在着成本较高，
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置及增透方法，将液氮冻结和液态co2气相爆破两种增透方法合二为一，使液氮冻结之后能够快速的在同一区域进行co2气相爆破，同时简化两种增透方法的操作过程，对抽采瓦斯具有良好的促进作用。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，包括冻结管和至少一个增透组件；冻结管的截面形状为u形；增透组件安装在冻结管内侧；增透组件包括柔性气囊、激发装置和两个密封定位环；两个密封定位环分别套接在柔性气囊的两端外侧，柔性气囊的端部伸出至密封定位环的外侧，为外延段；密封定位环的外部套接安装有端头，端头的内侧面和密封定位环的外侧面螺纹连接固定，密封定位环将柔性气囊的外延段挤压固定在端头上；端头的外部与冻结管固定连接；激发装置设置在柔性气囊的内部；激发装置上安装有引火线，引火线贯穿端头设置。
3、本专利技术在所述冻结管的一端设置进液口，另一端设置出液口；出液口处安装有出液控制阀。
4、本专利技术所述增透组件配置有多个；多个增透组件在冻结管的内侧串联设置；相邻的两个激发装置的引火线相连接。
5、本专利技术所述端头的截面形状为h形；端头的中部设置有圆形隔板，圆形隔板的外侧面与端头的内侧面固定连接设置；相邻的两个增透组件中相互靠近的两个所述密封定位环安装在同一个端头的圆形隔板两侧。
6、本专利技术所述圆形隔板上安装有充液管；充液管贯穿圆形隔板设置。
7、在所述冻结管的进液口连接有供液单元；所述供液单元包括液氮罐、液氮阀门、流量监测器、压力检测器、隔热不锈钢软管和液氮分配器；液氮分配器与进液口连接；隔热不锈钢软管的两端连通液氮分配器和液氮罐；液氮阀门、流量监测器、压力检测器安装在液氮罐上。
8、一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透方法，包括以下步骤：
9、s1、钻孔：在煤层施工冻结爆破孔、抽采孔、测温孔；
10、s2、注水：向冻结爆破孔注水湿润煤体；
11、s3、建立冻结爆破一体化系统：将连接好的液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置放入冻结爆破孔内，抽采管放入抽采孔内，温度传感器放入测温孔内；冻结管与液氮分配器相连，通过隔热不锈钢软管接入液氮罐；
12、s4、封孔：对冻结爆破孔和抽采孔外段进行注浆封孔，形成注浆封孔段；
13、s5、冻结：打开液氮阀门，使液氮罐中的液氮通过隔热不锈钢软管进入液氮分配器，从进液口进入冻结管内，液氮在冻结管内逐渐气化成为氮气，吸收煤层的热量，对煤层进行冻结增脆；当压力监测器监测到液氮压力上升到预定值时，冻结管的出液控制阀打开，氮气通过冻结管从出液口排出；在注液过程中，通过流量监测器对液氮量进行调节；
14、s6、充液：经过一定时间的冻结，测温孔的温度传感器的温度达到5℃以下，且低于5℃以下时间1h以后，关闭液氮阀门，停止注射液氮；通过充液管充入液态co2，co2进入柔性气囊中；
15、s7、爆破：通过引火线引爆激发装置进行爆破，液态co2迅速膨胀转化为气态，形成的高压气体直接作用于冻结的孔壁，岩体发生开裂，实现岩体的致裂；
16、s8、抽采：在爆破结束48h内，让冻结爆破孔内的高压co2气体充分置换和驱替煤中ch4，达到强化瓦斯抽采的目的；同时使得冻结的煤体充分化冻恢复常温，达到冻融致裂煤体的效果；48h之后通过抽采管进行瓦斯抽采。
17、优选地，所述抽采孔距离冻结爆破孔5m以上；测温孔距离冻结爆破孔2m。
18、与现有技术相比，本专利技术具备以下有益效果：
19、1）操作简便：相比于其他的联合增透方法，避免了多种增透方法一起使用带来的复杂过程，冻结跟爆破可以在同一个钻孔内实施。整个操作过程包括冻结、爆破和抽采等步骤，步骤清晰，操作简便，且可以根据实际情况灵活调整操作参数，以适应不同煤层的开采条件。
20、2）经济效益高：相比于液氮冻结和液态co2爆破两种增透措施在不同钻孔内进行，增透一体化装置和方法极大地提高了液氮和液态co2的利用率，避免了在不同钻孔之间由于距离问题而造成的冻结和爆破效果不佳；且柔性气囊制作成本低，易弯曲折叠，运输方便。
21、3）煤体结构加固：通过低温冻结过程，煤体内部的水分结冰并产生体积膨胀，这有效地加固了煤体结构，增强了其力学强度，使得在后续操作中煤体更加稳定。
22、4）提高煤体脆性：液氮的低温效应使煤体内部微观结构发生变化，煤体的脆性得到提高。这使得在后续的co2相变爆破中，煤层能够产生更多的裂隙，从而提高瓦斯抽采的效率。
23、5）避免塌孔现象：煤体力学强度的加强使得在co2相变爆破过程中，因煤质松软而导致的塌孔现象得到了有效避免，保障了爆破操作的安全性和效率。
24、6）提高致裂增透效果：煤体脆性的大幅提高使得co2爆破后能够在煤层中产生更多的裂隙，这些裂隙为瓦斯提供了更多的流通通道，极大地提高了煤层的致裂增透效果；且柔性管体可以根据设计的长度进行剪裁，对于钻孔长度适用性良好，同时柔性管体膨胀后与钻孔紧密贴合，减小了传统刚性致裂管与炮孔间的空隙，致裂效果好。
25、7）强化瓦斯抽采：爆破结束后，紧闭爆破管阀门48小时，使得爆破孔内的高压co2气体充分置换和驱替煤中ch4本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，其特征在于，包括冻结管（1）和至少一个增透组件；冻结管（1）的截面形状为U形；增透组件安装在冻结管（1）内侧；增透组件包括柔性气囊（7）、激发装置（8）和两个密封定位环（6）；两个密封定位环（6）分别套接在柔性气囊（7）的两端外侧，柔性气囊（7）的端部伸出至密封定位环（6）的外侧，为外延段；密封定位环（6）的外部套接安装有端头（5），端头（5）的内侧面和密封定位环（6）的外侧面螺纹连接固定，密封定位环（6）将柔性气囊（7）的外延段挤压固定在端头（5）上；端头（5）的外部与冻结管（1）固定连接；激发装置（8）设置在柔性气囊（7）的内部；激发装置（8）上安装有引火线（9），引火线（9）贯穿端头（5）设置。
2.根据权利要求1所述的一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，其特征在于，所述冻结管（1）的一端设置有进液口（2），另一端设置有出液口（3）；出液口（3）处安装有出液控制阀（4）。
3.权利要求1所述的一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，其特征在于，所述增透组件配置有多个；多个增透组件在冻结管（1）的内侧串联设置；
4.根据权利要求3所述的一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，其特征在于，所述端头（5）的截面形状为H形；端头（5）的中部设置有圆形隔板，圆形隔板的外侧面与端头（5）的内侧面固定连接设置；相邻的两个增透组件中相互靠近的两个所述密封定位环（6）安装在同一个端头（5）的圆形隔板两侧。
5.根据权利要求4所述的一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，其特征在于，所述圆形隔板上安装有充液管（10）；充液管（10）贯穿圆形隔板设置。
6.根据权利要求2所述的一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，其特征在于，所述冻结管（1）的进液口（2）连接有供液单元；所述供液单元包括液氮罐（19）、液氮阀门（20）流量监测器（21）、压力检测器（22）、隔热不锈钢软管（23）和液氮分配器（24）；液氮分配器（24）与进液口（2）连接；隔热不锈钢软管（23）的两端连通液氮分配器（24）和液氮罐（19）；液氮阀门（20）、流量监测器（21）、压力检测器（22）安装在液氮罐（19）上。
7.一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透方法，其特征在于，所述抽采孔（15）距离冻结爆破孔（14）5m以上；测温孔（17）距离冻结爆破孔(14)2m。
...【技术特征摘要】
1.一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，其特征在于，包括冻结管（1）和至少一个增透组件；冻结管（1）的截面形状为u形；增透组件安装在冻结管（1）内侧；增透组件包括柔性气囊（7）、激发装置（8）和两个密封定位环（6）；两个密封定位环（6）分别套接在柔性气囊（7）的两端外侧，柔性气囊（7）的端部伸出至密封定位环（6）的外侧，为外延段；密封定位环（6）的外部套接安装有端头（5），端头（5）的内侧面和密封定位环（6）的外侧面螺纹连接固定，密封定位环（6）将柔性气囊（7）的外延段挤压固定在端头（5）上；端头（5）的外部与冻结管（1）固定连接；激发装置（8）设置在柔性气囊（7）的内部；激发装置（8）上安装有引火线（9），引火线（9）贯穿端头（5）设置。
2.根据权利要求1所述的一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，其特征在于，所述冻结管（1）的一端设置有进液口（2），另一端设置有出液口（3）；出液口（3）处安装有出液控制阀（4）。
3.权利要求1所述的一种液氮冻结联合二氧化碳爆破增透装置，其特征在于，所述增透组件配置有多个；多个增透组件在冻结管（1）的内侧串联设置；相邻的两个激发装置（8）的引火线（9）相连接。
4.根据权利要求3所述的一种液氮冻结联合二氧化碳...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘海东，康建宏，查舰，王庭嵘，刘伟，刘春，景建鹏，
申请(专利权)人：西山煤电集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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