一種基于水平定向鉆孔液氮循環(huán)凍融增透抽采瓦斯方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種抽采瓦斯方法，尤其是一種基于水平定向鉆孔液氮循環(huán)凍融增透抽采卸壓瓦斯方法。
技術(shù)背景
[0002]瓦斯災(zāi)害是造成我國(guó)煤礦災(zāi)害事故嚴(yán)重的主要原因，隨著煤炭開采高效集約化和采深的增加，瓦斯涌出量越來越大，瓦斯爆炸和瓦斯突出愈來愈成為礦井亟待解決的難題。目前瓦斯抽采是解決瓦斯災(zāi)害最有效的途徑之一，我國(guó)煤層多為高瓦斯低透氣性煤層，瓦斯抽采難度大，克服瓦斯抽放濃度低、抽放量小的問題一直是治理瓦斯災(zāi)害的重中之重，目前多采用水力壓裂、水力割縫和預(yù)裂爆破等方法來增大煤層透氣性，但隨著采深增加煤體滲透性越來越小，常規(guī)煤層增透抽采瓦斯方法致裂增透范圍小，煤體無法形成大范圍瓦斯抽采裂隙網(wǎng)，使得瓦斯抽采率低，瓦斯治理效果不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種基于水平定向鉆孔液氮循環(huán)凍融增透抽采瓦斯方法，通過液氮循環(huán)凍融增透，促使低透氣性煤層的裂隙發(fā)展發(fā)育，溝通瓦斯抽采裂隙網(wǎng)，從而有效提高低透氣性煤層的瓦斯抽采。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明的基于水平定向鉆孔液氮循環(huán)凍融增透抽采瓦斯方法，包括以下步驟:
[0005]a.在回采煤層的進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷內(nèi)沿煤層順層、低位巷穿層或高位巷穿層方向向增透抽采煤層施工一個(gè)主鉆孔，根據(jù)煤層的厚度，主鉆孔到達(dá)距煤層上部邊緣2?1m處，以主鉆孔為圓心，采用水平定向鉆機(jī)沿煤層水平方向均勻布置定向施工多個(gè)角度相同、長(zhǎng)度為30?50m的分支鉆孔；
[0006]b.退鉆后在主鉆孔內(nèi)設(shè)置耐低溫鋼管，耐低溫鋼管前部為長(zhǎng)度I?3m的花管，花管前部封口 ；耐低溫鋼管上設(shè)有測(cè)壓口，測(cè)壓口處連接有高壓壓力表；
[0007]c.通過注漿栗向耐低溫鋼管與主鉆孔之間的縫隙注入配置好的高壓鉆孔密封材料漿液實(shí)施注漿封孔，注漿封孔段的長(zhǎng)度H為15?25m ;
[0008]d.在耐低溫鋼管兩側(cè)對(duì)稱施工兩個(gè)測(cè)溫孔，兩個(gè)測(cè)溫孔中心至主鉆孔中心的距離L為30?50m，兩個(gè)測(cè)溫孔之間的區(qū)域?yàn)槊簩又铝言鐾竻^(qū)域，在測(cè)溫孔內(nèi)設(shè)置一溫度傳感器，溫度傳感器經(jīng)導(dǎo)線引出與設(shè)在孔口外的數(shù)顯式溫度儀相連，測(cè)溫孔的入口段設(shè)有由測(cè)溫封孔段固定的傳感器套管，通過溫度傳感器在傳感器套管內(nèi)的前后推拉移動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔測(cè)溫區(qū)內(nèi)溫度，鉆孔測(cè)溫區(qū)設(shè)置在煤層中的長(zhǎng)度為5?1m ;
[0009]e.利用設(shè)在進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷內(nèi)的注水裝置，經(jīng)快速接頭向耐低溫鋼管內(nèi)注水，注入的水經(jīng)耐低溫鋼管分流從6個(gè)分支鉆孔內(nèi)進(jìn)入，滲透留存在煤體中，并持續(xù)滲流進(jìn)入更微小的煤層裂隙中；
[0010]f.待注入水在煤體內(nèi)滲流2?3h后，將快速接頭上的注水閥門拆除，裝上液氮閥門，將主鉆孔內(nèi)的耐低溫鋼管與設(shè)在進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷內(nèi)的液氮槽車相連接，開啟液氮閥門，向主鉆孔內(nèi)的耐低溫鋼管內(nèi)灌注液氮，通過測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)鉆孔測(cè)溫區(qū)內(nèi)的溫度，當(dāng)鉆孔測(cè)溫區(qū)內(nèi)兩端平均溫度低于-2°C時(shí)，可以判定煤層致裂增透區(qū)域已經(jīng)處于凍結(jié)狀態(tài)，關(guān)閉液氮閥門停止注氮，讓煤體自然融化2?3h，完成一個(gè)相變致裂單元的凍融循環(huán)；
[0011]g.按常規(guī)方法，在兩個(gè)測(cè)溫孔之間的煤層致裂增透區(qū)域向煤層實(shí)施瓦斯抽采鉆孔，并進(jìn)行瓦斯抽采；
[0012]h.瓦斯抽采過程中，根據(jù)瓦斯抽采效果變化，經(jīng)耐低溫鋼管和6個(gè)分支鉆孔對(duì)煤層進(jìn)行多次重復(fù)注水和注入液氮作業(yè)，煤體在多次凍融循環(huán)中“凍結(jié)一融化一凍結(jié)”交變作用下，達(dá)到煤體應(yīng)力疲勞極限，產(chǎn)生致裂。
[0013]在灌注液氮過程中，耐低溫鋼管內(nèi)液氮的壓力超過SMPa時(shí)，關(guān)閉液氮閥門，待壓力低于2MPa時(shí)，打開液氮閥門繼續(xù)灌注液氮。
[0014]所述沿煤層水平方向均勻布置定向施工的多個(gè)角度相同、長(zhǎng)度為30?50m的分支鉆孔⑴為4?8個(gè)。
[0015]有益效果:本發(fā)明基于水平定向鉆孔液氮循環(huán)凍融增透抽采瓦斯，其中:1)水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是將石油工業(yè)的定向鉆進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)的管線施工方法結(jié)合在一起的一項(xiàng)施工新技術(shù)，在十幾年間獲得了飛速發(fā)展，它具有施工速度快、施工精度高、成本低、適應(yīng)硬巖作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于施工工程中，其定向施工鉆孔在實(shí)施煤礦導(dǎo)向鉆孔中具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。凍融現(xiàn)象是自然界中一種常見的物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象，尤其出現(xiàn)在溫差變化比較大的物體構(gòu)造中，如青藏高原、北方地區(qū)的公路和建筑物。其中青藏公路嚴(yán)重的凍融災(zāi)害給安全運(yùn)輸、道路養(yǎng)護(hù)、施工造成了極大的困難。2)凍融侵蝕是由于土壤及其母質(zhì)孔隙中或巖石裂縫中的水分在凍結(jié)時(shí)，體積膨脹，使裂隙隨之加大、增多所導(dǎo)致整塊土體或巖石發(fā)生碎裂，消融后其抗蝕穩(wěn)定性大為降低，在重力作用下巖土順坡向下方產(chǎn)生位移的現(xiàn)象。凍融侵蝕引起凍土反復(fù)融化與凍結(jié)，從而導(dǎo)致土體或巖體的破壞、擾動(dòng)、變形甚至移動(dòng)。結(jié)構(gòu)件表面和內(nèi)部所含水分的凍結(jié)和融化的交替出現(xiàn)，稱為凍融循環(huán)。凍融循環(huán)的反復(fù)出現(xiàn)，造成物體構(gòu)造的嚴(yán)重破壞。把凍融侵蝕和循環(huán)過程應(yīng)用在煤體致裂增透中具有廣闊的前景。3)在常壓下，液氮溫度可達(dá)一 196°C，汽化潛熱為5.56kJ/mol, Im3的液氮可以膨脹為696m3的21°C純氣態(tài)氮，汽化時(shí)可吸收周圍大量熱量。液氮具有制備簡(jiǎn)單、原料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在煤體凍融循環(huán)中液氮可作為一種高效的制冷和增透介質(zhì)。
[0016]本發(fā)明創(chuàng)新性地把凍融侵蝕現(xiàn)象和循環(huán)凍融應(yīng)用于煤體致裂增透抽采瓦斯中，采用分支鉆孔引導(dǎo)介質(zhì)水滲透到煤體中，深冷液氮作為制冷介質(zhì)，氣化時(shí)膨脹為696倍的氮?dú)?，一方面膨脹作用有效加速了水在煤體宏觀裂隙中的運(yùn)移以及增加微觀孔隙中水分含量，使得凍融循環(huán)具有更大的增透區(qū)域；另一方面液氮?dú)饣蛎浟εc水相變凍脹力、流動(dòng)滲透壓共同作用，促使煤體中宏觀裂隙擴(kuò)展和微觀裂隙的發(fā)育連通，使得凍融效率高。并具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017]循環(huán)凍融過程中，煤體中液體介質(zhì)產(chǎn)生“凍結(jié)一膨脹一融化一凍結(jié)”循環(huán)過程，煤層在交變應(yīng)力下達(dá)到疲勞和應(yīng)力極限，水相變的凍脹力、液氮汽化的膨脹力以及融化過程中液體流動(dòng)滲透壓共同作用下，促使宏觀裂隙發(fā)展溝通和微小孔隙張開發(fā)育，形成瓦斯抽采裂隙網(wǎng)，可有效卸載煤層壓力，增加煤層透氣性。順煤層360°實(shí)施6個(gè)分支鉆孔，分支鉆孔引導(dǎo)介質(zhì)水和制冷介質(zhì)充分滲透到煤體中，凍融增透范圍可達(dá)30?60m，擴(kuò)大凍融范圍后可明顯降低凍融單元個(gè)數(shù)和瓦斯抽采鉆孔數(shù)量；
[0018]耐低溫鋼管通過快速接頭連接凍融機(jī)組，鋼管前部花管可全方位輸送介質(zhì)水、液氮，實(shí)現(xiàn)了 “一管多用”，節(jié)約工程量；
[0019]通過循環(huán)凍融后可有效提高煤層瓦斯單孔抽采量和抽采濃度，延長(zhǎng)瓦斯?jié)舛人p時(shí)間；
[0020]由于介質(zhì)水作用通過分支鉆孔均勻擴(kuò)散到煤層中，凍融后可有效消除煤層局部高應(yīng)力集中區(qū)，促進(jìn)局部積聚瓦斯的運(yùn)移，釋放煤層中積聚的煤與瓦斯突出潛能，具有很好的消除煤與瓦斯突出作用；
[0021]此外，由于制冷介質(zhì)液氮汽化時(shí)可吸收周圍大量熱量，對(duì)煤體具有很好的降溫效果，對(duì)防治煤層火災(zāi)具有積極意義。本發(fā)明方法有效解決了高瓦斯低透氣煤層瓦斯抽采效率低、抽采周期長(zhǎng)、抽采鉆孔影響范圍小的問題，具有廣泛的實(shí)用性。
【附圖說明】
[0022]圖1是煤層順層定向鉆孔液氮循環(huán)凍融增透抽采瓦斯方法示意圖；
[0023]圖2是圖1的A — A剖面示意圖；
[0024]圖3是圖1、圖5和圖6中主鉆孔內(nèi)鋼管布置和連接示意圖；
[0025]圖4是圖2和圖7中B — B剖面測(cè)溫孔示意圖；
[0026]圖5是低位巷穿層上行孔液氮循環(huán)凍融增透抽采瓦斯方法示意圖；
[0027]圖6是高位巷穿層下行孔液氮循環(huán)凍融增透抽采瓦斯方法示意圖；
[0028]圖7是圖5和圖6的C —C和D—D剖面圖。
[0029]圖中:1 一分支鉆孔，2—花管，3—主鉆孔，3— I耐低溫鋼管，4一封孔段，5—快速接頭，5—I注水閥門，5—2液氮閥門，6—進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷，7—煤層，8 —設(shè)備機(jī)組，8—I注水裝置，8— 2液氮槽車，9 一測(cè)溫孔，9-1 一鉆孔測(cè)溫區(qū)，9-2 —溫度傳感器，9-3 —傳感器移動(dòng)套管，9-4 一測(cè)溫封孔段，9-5 —數(shù)顯式溫度儀，10 —采空區(qū)，11 一低位巷，12 —高位巷，13 —尚壓壓力表。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的描述:
[0031]本發(fā)明的基于水平定向鉆孔液氮循環(huán)凍融增透抽采瓦斯方法，具體步驟如下:
[0032]a.在回采煤層的進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷6內(nèi)沿煤層順層、低位巷穿層或高位巷穿層方向向增透抽采煤層7施工一個(gè)主鉆孔3，根據(jù)煤層7的厚度，主鉆孔3到達(dá)距煤層7上部邊緣2?1m處，鉆頭到達(dá)煤層預(yù)定目標(biāo)位置后，以主鉆孔3為圓心，采用水平定向鉆機(jī)的導(dǎo)向功能沿煤層7水平方向均勻布置定向施工4?8個(gè)長(zhǎng)度為30?50m的分支鉆孔I ;
[0033]b.退鉆后在主鉆孔3內(nèi)設(shè)置耐低溫鋼管3-1，耐低溫鋼管3-1前部為長(zhǎng)度I?3m的花管2，花管2前部封口 ；耐低溫鋼管3-1上設(shè)有測(cè)壓口，測(cè)壓口處連接有高壓壓力表13 ;
[0034]c.通過注漿栗向耐低溫鋼管3-1與主鉆孔3之間的縫隙注入配置好的高壓鉆孔密封材料漿液實(shí)施注漿封孔，注漿封孔段4的長(zhǎng)度H為15?25m ;
[0035]d.在耐低溫鋼管3-1兩側(cè)對(duì)稱施工兩個(gè)測(cè)溫孔9，兩個(gè)測(cè)溫孔9中心至主鉆孔3中心的距離L為30?50m，兩個(gè)測(cè)溫孔9之間的區(qū)域?yàn)槊簩又铝言鐾竻^(qū)域，在測(cè)溫孔9內(nèi)設(shè)置一溫度傳感器9-2，溫度傳感器9-2經(jīng)導(dǎo)線引出與設(shè)在孔口外的數(shù)顯式溫度儀9-5相連，測(cè)