[發明專利]一種激光鉆割一體化強化瓦斯抽采系統及方法

有效

• 申請號: 201710865097.6
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107642376B
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 鄒全樂;蘇二磊;李清淼;梁運培;張天誠;梁金燕;李全貴;張躍兵;李波;王法凱
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: E21F7/00
• 分類號: E21F7/00;E21B3/02;E21B10/00;E21B10/60;E21B43/34;E21B43/26;E21B17/00
• 代理公司: 重慶大學專利中心 50201
• 代理人: 王翔

本發明公開一種激光鉆割一體化強化瓦斯抽采系統及方法。針對我國煤層瓦斯含量高、透氣性低的特點，并結合激光切割效率高、方向性強的優點，將激光切割應用于煤礦井下低透氣性煤層的瓦斯高效抽采中。該系統能夠實現鉆進和煤層切割的一體化作業，顯著提高施工效率；而且能夠充分發揮卸壓和熱驅的協同作用，即激光切割形成的縫槽能夠有效卸除煤體的圍壓，而激光誘導高溫作用，能夠顯著提高煤體的溫度，降低煤層瓦斯的吸附勢，促進煤層瓦斯的快速解吸，顯著降低煤層中的殘余瓦斯含量，從而實現提高低透氣性煤層的瓦斯抽采效率和有效防治低透氣性煤層瓦斯災害的目的。

技術領域

本發明涉及煤礦開采技術領域。

背景技術

我國煤層滲透率主要分布在0.01×10^-15～5×10^-15m²內，比國外相同煤階煤儲層的滲透率低1～2個數量級，滲透率低是我國煤層瓦斯高效抽采的主要挑戰之一。隨著煤礦開采深度的延伸，煤層滲透率低導致的瓦斯抽采效率低和瓦斯災害危險性大等問題日益凸顯。因此，強化增透成為改善瓦斯抽采效果，實現深部煤與瓦斯共采和瓦斯災害防控的關鍵技術之一。

目前，強化增透方法的核心思想主要包括：①破裂煤體構造瓦斯運移通道。例如水力化措施、深孔預裂爆破、電爆震等分別采用高壓水、炸藥、電脈沖等媒介作用于煤體迫使其產生新裂隙和驅使原生裂隙擴展，在煤體內形成裂隙網絡，為瓦斯運移提供有利通道；②占據吸附位置換瓦斯。例如采用CO₂、N₂等氣體驅替煤層瓦斯。前者雖然能夠對煤層瓦斯進行有效地預抽，將煤層瓦斯含量降低至臨界值以下，但煤層內仍然存在較多的瓦斯，這不僅未能實現煤層瓦斯資源的最大化采收，而且可能會造成煤層回采時因瓦斯涌出量較大而出現瓦斯超限等問題。后者因置換后煤層突出危險性未能消除而更適合于不可采煤層中的瓦斯資源采收。

發明內容

本發明公開一種激光鉆割一體化強化瓦斯抽采系統及方法，該方法尤其適用于煤礦井下高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯高效抽采。

為實現本發明目的而采用的技術方案是這樣的，一種激光鉆割一體化強化瓦斯抽采系統，其特征在于:主要包括壓風管道、壓風管道閥門、激光發生器、鉆機、氣渣分離器、鉆桿、孔口密封器、光纖、鉆頭、瓦斯抽采管道和瓦斯抽采管道閥門。

所述壓風管道與鉆機連接。所述壓風管道安裝有壓風管道閥門。所述鉆機帶動鉆桿鉆進。所述鉆桿中空，即具有容納光纖的軸向通道。所述鉆桿一端連接鉆頭。所述鉆頭的表面鑲嵌有若干激光頭。所述激光發生器發射激光。所述激光通過鉆桿內部的光纖導入所述激光頭。所述鉆頭在煤層或巖層中鉆進時，所述激光射向鉆頭周圍的煤體或巖體。

所述孔口密封器為一管狀體。所述孔口密封器的前端開口，并固定在鉆孔孔口孔壁上，后端與氣渣分離器連接。所述鉆桿可以從孔口密封器的后端伸入孔口密封器內部，并進入所述鉆孔鉆進。

在氣渣分離時，通過所述瓦斯抽采管道抽瓦斯。所述瓦斯抽采管道安裝有瓦斯抽采管道閥門。

進一步，所述激光發生器通過光纖接頭I與光纖接頭II或光纖接頭III連接。

光纖接頭II和光纖接頭III通過光纖分別與分光器IV和分光器V連接。分光器I通過光纖與軸向激光頭I和軸向激光頭II連接，分光器II通過光纖與側向激光頭I和側向激光頭II連接。

所述軸向激光頭I、軸向激光頭II、側向激光頭I和側向激光頭II均是所述鉆頭的表面鑲嵌的激光頭。

進一步，所述的氣渣分離器上設置有霧化噴頭。鉆頭噴出的風流攜帶巖屑進入氣渣分離器時，霧化噴嘴噴出的水霧捕捉巖屑，氣流則被抽采。

進一步，所述鉆頭(9)前端對稱設置有噴射孔(9-7)。

本發明還公開基于上述系統的激光鉆割一體化強化瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步驟：