[發(fā)明專利]冷凍致裂協(xié)同本煤層水力造穴增透促抽方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011224443.0
• 申請(qǐng)日: 2020-11-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112412422A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁軍偉;蔣曉改;陳向軍;劉軍;陳金生;李林;王遙;夏靜怡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): E21B43/26
• 分類號(hào): E21B43/26;E21B43/00;E21B36/00;E21B33/138;E21B33/13;E21B7/18
• 代理公司: 鄭州豫開(kāi)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 41131
• 代理人: 朱俊峰

冷凍致裂協(xié)同本煤層水力造穴增透促抽方法，包括以下步驟，在工作面順槽施工順槽鉆孔，相鄰兩個(gè)鉆孔之間的距離為7?10m，相鄰兩個(gè)鉆孔分別命名為注液孔和抽采孔；對(duì)鉆孔封孔安裝抽采管，連接井下抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽采；注液孔內(nèi)注入高壓水；將專用封孔器送入注液孔內(nèi)的抽采管并封孔；通過(guò)專用封孔器向注液孔內(nèi)注入液氮使注液孔周圍的煤體凍結(jié)；在地溫作用下液氮緩慢升華為氮?dú)猓獨(dú)鈱?duì)煤體內(nèi)的瓦斯進(jìn)行有效置換和驅(qū)替；將注液孔內(nèi)的抽采管連接抽采系統(tǒng)，進(jìn)行瓦斯抽采工作。本發(fā)明原理科學(xué)，設(shè)計(jì)巧妙，封孔嚴(yán)實(shí)，可廣泛應(yīng)用于石門揭煤、過(guò)斷層、采掘工作面增透促抽等工作，增透促抽效果佳，應(yīng)用前景廣闊。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種冷凍致裂協(xié)同本煤層水力造穴增透促抽方法。

背景技術(shù)

我國(guó)大部分煤層具有“三低一高”（低滲透性、低飽和度、低儲(chǔ)層壓力，高變質(zhì)程度）的特征。煤層的低滲透性導(dǎo)致瓦斯抽采困難，造成礦井“抽-掘-采”失調(diào)，形成重大安全生產(chǎn)隱患，為煤礦瓦斯事故的發(fā)生埋下伏筆。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究提出了水力割縫、保護(hù)層開(kāi)采、深孔爆破、CO₂相變致裂等煤層增透促抽技術(shù)措施。但由于種種原因所限，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度衡量，目前所常用的這些技術(shù)措施增透效果尚需進(jìn)一步提升。

冷凍致裂現(xiàn)象在大自然中廣泛存在，譬如冷凍導(dǎo)致建筑物損傷破壞、冷凍后的泥土更酥松等現(xiàn)象都很常見(jiàn)。受這些現(xiàn)象的啟發(fā)，學(xué)者在對(duì)凍土層基建工程設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量研究，取得了一些有益的研究成果。后來(lái)在油氣開(kāi)采過(guò)程中，技術(shù)人員將這種技術(shù)應(yīng)用于油氣開(kāi)采領(lǐng)域，用于增加油氣層的滲透性，達(dá)到增產(chǎn)增效的目的，取得了良好的效果。煤炭作為一種特殊的軟巖，采用超低溫冷凍的方法同樣可以實(shí)現(xiàn)致裂煤體、增加煤體孔-裂隙、提升煤層滲透性的目的；同時(shí)，煤體對(duì)氮?dú)馕叫暂^瓦斯要差，升華相變后的超低溫液氮，體積膨脹數(shù)百倍，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤體內(nèi)瓦斯驅(qū)替及置換的作用，進(jìn)一步強(qiáng)化瓦斯抽采效果。

對(duì)于低滲透性煤層，煤體松軟，透氣性差，抽采困難；要想大幅度增加煤體透氣性，強(qiáng)化瓦斯抽采效果，最有效的辦法就是實(shí)施水力沖孔、水力造穴等卸壓措施，通過(guò)水力化措施從深部煤體內(nèi)掏出一部分煤炭，使煤層充分卸壓，從而實(shí)現(xiàn)卸壓強(qiáng)化瓦斯抽采的目的。穿層鉆孔水力沖孔技術(shù)一般是通過(guò)底板巖巷向上方煤層施工鉆孔、進(jìn)行水力沖孔的一種增透促抽措施，具有安全性高、預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，但需要提前施工底板巖巷然后進(jìn)行水力沖孔，工程造價(jià)高昂，且鉆孔利用率較低，從經(jīng)濟(jì)上不劃算；且從技術(shù)層面而言，需具備適合掘進(jìn)底板巖巷的地層層位才能實(shí)施該技術(shù)措施；這些均限制了水力沖孔技術(shù)的推廣應(yīng)用。

水力造穴是近幾年新興的增透促抽技術(shù)。對(duì)于不具備穿層鉆孔水力沖孔條件的煤層而言，水力造穴技術(shù)是一種在煤層內(nèi)施工順層鉆孔、通過(guò)水力在煤體內(nèi)掏出一個(gè)洞穴，從而使得煤體充分卸壓的一種技術(shù)措施。其具體技術(shù)原理為：通過(guò)在煤層內(nèi)施工順層鉆孔后實(shí)施水力造穴，人為的在煤體沖出一定量的煤炭形成洞穴，為煤體膨脹變形提供了充分空間；孔周煤體在強(qiáng)大地應(yīng)力的作用下發(fā)生蠕變，使煤體及瓦斯由遠(yuǎn)處向洞穴運(yùn)移，引起洞穴影響范圍內(nèi)地應(yīng)力降低、煤層充分卸壓、裂隙增加，使煤層透氣性大幅度增高，促進(jìn)瓦斯解吸和抽采，進(jìn)而提高瓦斯抽采效果。水力造穴技術(shù)不需要施工額外的巖巷和鉆孔，大大減少了工程量，有效降低了工程費(fèi)用。

但僅靠水力造穴技術(shù)措施，較難實(shí)現(xiàn)區(qū)域卸壓，且由于卸壓不均時(shí)易造成抽采空白帶，為礦井瓦斯災(zāi)害防治帶來(lái)隱患；而如果要實(shí)施大面積水力造穴，則增加了大量的造穴工程量和造穴時(shí)間。因此，亟需尋求一種新的技術(shù)措施，在保證煤層瓦斯抽采效果和不增加造穴工程量的前提下，有效的解決前述問(wèn)題。

綜合以上技術(shù)可以看出，在鉆孔內(nèi)實(shí)施冷凍致裂煤體，升華相變的超低溫液氮可在強(qiáng)大的氮?dú)夥謮鹤饔孟拢ǜ邏簠^(qū)），將瓦斯置換和驅(qū)替至遠(yuǎn)處的水力造穴鉆孔影響區(qū)域內(nèi)（低壓區(qū)），在注液孔和造穴抽采孔間強(qiáng)大的氣體壓差作用下，可強(qiáng)化瓦斯抽采效果，進(jìn)而可大量減少水力造穴工程量，實(shí)現(xiàn)增透促抽的目的。冷凍致裂協(xié)同本煤層水力造穴技術(shù)措施，可有效提升煤層瓦斯抽采效果、縮短造穴時(shí)間，對(duì)于解決礦井“抽-掘-采”失調(diào)問(wèn)題大有裨益，是一種較為先進(jìn)的煤層增透促抽措施。