[發(fā)明專利]逐級增透煤層強化瓦斯抽采裝置及其使用方法

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• 申請日: 2019-05-05
• 公開（公告）號: CN109915199A
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發(fā)明（設計）人: 楊明;柳磊;張學博;劉佳佳;賈智偉;毛俊睿;柴沛
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: E21F7/00
• 分類號: E21F7/00;E21B43/26
• 代理公司: 鄭州豫開專利代理事務所(普通合伙) 41131
• 代理人: 朱俊峰

1.逐級增透煤層強化瓦斯抽采裝置，其特征在于：包括水力壓裂模塊、超聲波致裂模塊、液氮凍融模塊和瓦斯抽采模塊，煤層內(nèi)間隔鉆設有至少兩個凍融鉆孔，相鄰兩個凍融鉆孔中間的煤層內(nèi)鉆設有一個瓦斯抽采鉆孔，凍融鉆孔和瓦斯抽采鉆孔的外端均通過封孔器封堵；

水力壓裂模塊包括注水泵和水箱，每個凍融鉆孔內(nèi)沿凍融鉆孔的長度方向均插設有一根注水管，每根注水管的外端均穿過對應的封孔器并伸出對應的凍融鉆孔，各根注水管的外端并聯(lián)并與注水泵的出口端連接，注水泵的出口端設有注水控制閥門，注水泵的進口端與水箱連接；

超聲波致裂模塊包括超聲波發(fā)射器、超聲波控制開關和超聲波發(fā)生器，超聲波發(fā)射器分別在每個凍融鉆孔內(nèi)沿凍融鉆孔的長度方向均勻布置有若干個，每個凍融鉆孔內(nèi)的各個超聲波發(fā)射器通過導線依次并聯(lián)并與超聲波控制開關連接，超聲波控制開關與超聲波發(fā)生器連接；

液氮凍融模塊包括液氮泵和制氮機，每個凍融鉆孔內(nèi)沿凍融鉆孔的長度方向均插設有一根液氮管，每根液氮管的外端均穿過對應的封孔器且伸出對應的凍融鉆孔，各根液氮管的外端并聯(lián)并與液氮泵的出口端連接，液氮泵的出口端設有液氮控制閥門，液氮泵的進口端與制氮機連接；

瓦斯抽采模塊包括抽采泵和儲氣罐，每個瓦斯抽采鉆孔內(nèi)沿瓦斯抽采鉆孔的長度方向均插設有一根抽采管，每根抽采管的外端均穿過對應的封孔器并伸出對應的瓦斯抽采鉆孔，各根抽采管的外端并聯(lián)并與抽采泵的進口端連接，抽采泵的進口端設有抽采控制閥門，抽采泵的出口端與儲氣罐連接。

2.根據(jù)權利要求1所述的逐級增透煤層強化瓦斯抽采裝置，其特征在于：每個凍融鉆孔內(nèi)沿凍融鉆孔的長度方向安裝有一根支撐管，支撐管的一端插接在封孔器上，每個凍融鉆孔內(nèi)的各個超聲波發(fā)射器等間距安裝在支撐管的外側(cè)壁上，導線穿設在支撐管內(nèi)部；注水管的出口端和支撐管的另一端位于凍融鉆孔的內(nèi)端頂部，液氮管的出口端位于封孔器內(nèi)側(cè)且臨近封孔器。

3.根據(jù)權利要求2所述的逐級增透煤層強化瓦斯抽采裝置，其特征在于：相鄰兩個凍融鉆孔的間距為6m，凍融鉆孔和瓦斯抽采鉆孔的間距為3m。

4.根據(jù)權利要求3所述的逐級增透煤層強化瓦斯抽采裝置，其特征在于：超聲波發(fā)生器的工作頻率為20-30kHz，最大輸出功率1000W。

5.根據(jù)權利要求4所述的逐級增透煤層強化瓦斯抽采裝置，其特征在于：凍融鉆孔和瓦斯抽采鉆孔長度為30-100m，直徑為80-110mm。

6.如權利要求5中所述的逐級增透煤層強化瓦斯抽采裝置的使用方法，其特征在于：包括以下步驟：

（1）鉆孔作業(yè)：對所在煤層間隔鉆設至少兩個凍融鉆孔，相鄰兩個凍融鉆孔中間的煤層鉆設一個瓦斯抽采鉆孔，相鄰兩凍融鉆孔的間距為6m，凍融鉆孔和瓦斯抽采鉆孔的間距為3m；

（2）在凍融鉆孔內(nèi)安裝超聲波致裂模塊和液氮凍融模塊的相應構(gòu)件，在瓦斯抽采鉆孔內(nèi)安裝瓦斯抽采模塊的相應構(gòu)件；

（3）開啟注水控制閥門和注水泵，注水泵通過注水管將水箱中的水抽至每個凍融鉆孔內(nèi)，直至每個凍融鉆孔內(nèi)的水壓達到10MPa，停止向凍融鉆孔注水并關閉注水控制閥門和注水泵，凍融鉆孔內(nèi)的水對煤層進行初次致裂；

（4）然后啟動超聲波發(fā)生器并接通超聲波控制開關，每個凍融鉆孔內(nèi)的各個超聲波發(fā)射器對所在煤層持續(xù)發(fā)射超聲波，時間持續(xù)15min，對煤層進行二次致裂，以達到?jīng)_擊煤層使之產(chǎn)生新的裂隙效果后斷開超聲波控制開關并關閉超聲波發(fā)生器；

（5）開啟液氮控制閥門、液氮泵和制氮機，通過液氮管向每個凍融鉆孔內(nèi)注入液氮，從而使凍融鉆孔內(nèi)的水凍融成冰，對煤層進行三次裂化；

（6）重復步驟（5）多次，使凍融鉆孔和煤層內(nèi)的水完全凍融，對煤層進行充分致裂，使煤層裂隙數(shù)量及裂縫長度大幅度提升，增加煤層透氣性，使煤層中的瓦斯聚集至瓦斯抽采鉆孔中；

（7）打開抽采泵、儲氣罐及抽采控制閥門，抽采泵通過抽采管將瓦斯抽采鉆孔中的瓦斯抽至儲氣罐內(nèi)。

7.根據(jù)權利要求6中所述的逐級增透煤層強化瓦斯抽采裝置的使用方法，其特征在于：步驟（2）具體為：凍融鉆孔和瓦斯抽采鉆孔施工完成后，在每個凍融鉆孔內(nèi)均沿凍融鉆孔的軸線方向分別插入一根注水管、一根液氮管和一根支撐管，支撐管的外側(cè)壁上沿支撐管的長度方向等間距安裝若干個超聲波發(fā)射器，同時在每個瓦斯抽采鉆孔內(nèi)均沿瓦斯抽采鉆孔的軸線方向分別插入一根抽采管管，再封孔器將凍融鉆孔與瓦斯抽采鉆孔的外端封堵，注水管、液氮管和支撐管分別穿過對應的封孔器伸出對應的凍融鉆孔，抽采管穿過對應的封孔器伸出對應的瓦斯抽采鉆孔；

將各根抽采管的外端并聯(lián)并與抽采泵的進口端連接，抽采泵的出口端與儲氣罐連接，將每個凍融鉆孔內(nèi)的各個超聲波發(fā)射器通過導線依次并聯(lián)并與超聲波控制開關連接，超聲波控制開關與超聲波發(fā)生器連接，將各根注水管的外端并聯(lián)并與注水泵的出口端連接，注水泵的進口端與水箱連接，將各根液氮管的外端并聯(lián)并與液氮泵的出口端連接，液氮泵的進口端與制氮機連接，在抽采泵的進口端的管道上安裝抽采控制閥門，在注水泵的出口端的管道上安裝注水控制閥門，在液氮泵的出口端的管道上安裝液氮控制閥門。