向煤层循环注入热水和液氮的增透系统和增透方法与流程

本发明涉及煤及煤层气开采技术领域，尤其涉及煤层增透技术。

背景技术：

煤矿是我国的主要能源来源，随着煤炭的不断开采利用，煤炭开采逐渐向深部发展。受地应力、温度等的影响，较深处煤层的渗透率降低，瓦斯不易排出，开采过程中极易因为瓦斯发生事故，因此，提高深处煤层渗透性预抽煤层瓦斯具有重要的安全意义。当然，煤层气具有可燃性，抽采煤层气也具有积极的经济意义。

国内学者一直致力于寻求多种煤层卸压增透的技术方法，目前煤层泄压增透措施主要有水力冲孔、水力割缝、开采层保护、松动爆破和控制爆破等，但是这些措施本身存在一定的缺陷。例如水力冲孔技术一般只能应用煤层硬度f值小于0.5的软煤层，适用性差、工艺复杂；水力割缝技术能提高瓦斯自然排放量，但是工作量大，保护距离短；松动爆破和控制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。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有增透措施的不足，提供一种向煤层循环注入热水和液氮的增透系统，能够同时通过多个钻孔向煤层循环加注热水和液氮，大幅提高煤层渗透性，便于抽采煤层瓦斯。

为实现上述目的，本发明的向煤层循环注入热水和液氮的增透系统包括热水加注子系统、液氮加注子系统、两位三通阀以及煤层加注子系统；

热水加注子系统包括与热水源相连接的热水管路，以热水的流动方向为前向，热水管路上由后向前依次设有第一减压阀、热水箱和第一增压泵；热水管路的前端与两位三通阀的第一接口相连通；

液氮加注子系统包括与液氮源相连接的液氮管路，以液氮的流动方向为前向，液氮管路上由后向前依次设有第二减压阀、液氮箱和第二增压泵；液氮管路的前端与两位三通阀的第二接口相连通；液氮箱及液氮管路外分别设有保温层；

煤层加注子系统包括与两位三通阀的第三接口相连通的加注总管、多通管和若干钻孔加注结构，加注总管上设有压力表；

多通管包括同中心线设置的内管和外管，内管和外管之间围成截面呈环形的加注腔；外管连接有一个进液接口和若干出液接口，进液接口连接加注总管；各出液接口沿外管的周向均匀分布，各出液接口分别连接有加注连接管；

钻孔加注结构包括枝状钻孔，枝状钻孔连接有加注支管，加注支管与多通管的一个加注连接管通过管道接口相连通，枝状钻孔的孔口处设有封孔器；加注支管穿过封孔器且其末端开口于枝状钻孔的孔底处；封孔器上还穿设有排放管，排放管的内端位于封孔器的钻孔内侧且与封孔器相邻，排放管的外端位于封孔器的钻孔外侧；枝状钻孔外的排放管上设有排放阀。

所述第一增压泵与两位三通阀之间的热水管路上设有第一单向阀，所述第一增压泵与两位三通阀之间的液氮管路上设有第二单向阀。

所述第一减压阀、热水箱、第一增压泵、第二减压阀、液氮箱、第二增压泵、所述两位三通阀、多通管和钻孔加注结构均位于底板巷内。

本发明的目的还在于提供一种使用上述增透系统的增透方法。

为实现上述目的，本发明的使用上述向煤层循环注入热水和液氮的增透系统的增透方法依次按以下步骤进行：

第一步骤是准备步骤，包括打孔和连接操作；打孔操作是指在井下工作面钻好枝状钻孔；连接操作是通过热水管路将热水加注子系统各装置连接起来，通过液氮管路将液氮加注子系统各部件连接起来，连接钻孔加注结构和多通管；通过两位三通阀将热水加注子系统、液氮加注子系统和煤层加注子系统连接起来；关闭两位三通阀、第一减压阀、第二减压阀和排放阀；

第二步骤是热水箱和液氮箱注液操作；打开第一减压阀，通过热水管路将热水源提供的热水注入热水箱，同时打开第二减压阀，通过液氮管路将液氮源提供的液氮注入液氮箱；

第三步骤是注热水作业；先使两位三通阀的第一接口和第三接口相连通，再启动第一增压泵，将热水箱中的热水泵送至多通管，热水由多通管的各个出液接口进入各加注支管进而进入各枝状钻孔；持续向各枝状钻孔中注入热水，压力表的示数达到预定压力值后保持预定压力10分钟以上，预定压力5mpa以上；

第四步骤是排水步骤；关闭第一增压泵，打开排放阀，将枝状钻孔内的水排出，然后关闭排放阀；

第五步骤是注液氮作业；先使两位三通阀的第二接口和第三接口相连通，再启动第二增压泵，将液氮箱中的液氮泵送至多通管，液氮由多通管的各个出液接口进入各加注支管进而进入各枝状钻孔；持续向各枝状钻孔中注入液氮，压力表的示数达到预定压力值后保持预定压力10分钟以上，预定压力5mpa以上；

第六步骤是排气步骤；液氮在枝状钻孔处气化，关闭第二增压泵，打开排放阀，将枝状钻孔内的低温气体排出，然后关闭排放阀；

循环执行第三步骤至第六步骤，直至达到预定的增透范围和增透效果。

还包括有第七步骤即瓦斯抽采步骤，本步骤是将排放管与外置的瓦斯抽采系统相连接，对煤层内的瓦斯气体进行抽采作业。

本发明具有如下的优点：

本发明能够利用液氮加注子系统和热水加注子系统，通过钻孔循环将热水和液氮注入煤层，对煤体产生温度冲击。高温和低温均对煤岩体孔隙结构有一定的损伤结构。煤层注水后再注液氮，会导致煤层中的水迅速结冰膨胀，水体膨胀大大扩大了煤体损伤，产生更好的增透效果。液氮气化时也会使煤体处压力剧增，进一步扩大煤体损伤。由于煤体损伤扩大，因此再次向煤层注入热水后，水能够在更大范围内渗入煤体，并在下一轮冷冻膨胀时再次迅速扩大煤体损伤。如此循环注热水和液氮，能够产生比单纯注热水和液氮效果好得多的增透效果，煤体的增透范围也较单纯注热水或液氮得到大幅度提高。

本发明的增透系统和增透方法能够大幅提高深处煤层的渗透性，便于瓦斯预抽采，对于减少瓦斯事故和煤层气增产具有重大意义。

液氮化学性质稳定，原材料（利用大气即可制备）极多，容易制备，价格低廉；矿区的洗浴中心以及职工餐厅原有锅炉均作为热水源提供热水，便于提高现有设备的利用率，具有良好的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是多通管的截面示意图；

图3是热水管路和液氮管路通入井下的结构示意图；

图4是图3中a处的放大图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明的向煤层循环注入热水和液氮的增透系统包括热水加注子系统、液氮加注子系统、两位三通阀25以及煤层加注子系统；

热水加注子系统包括与热水源14相连接的热水管路15，以热水的流动方向为前向，热水管路15上由后向前依次设有第一减压阀17、热水箱19和第一增压泵21；热水管路15的前端与两位三通阀25的第一接口26相连通；

液氮加注子系统包括与液氮源13相连接的液氮管路16，以液氮的流动方向为前向，液氮管路16上由后向前依次设有第二减压阀18、液氮箱20、和第二增压泵22；液氮管路16的前端与两位三通阀25的第二接口27相连通；液氮箱20及液氮管路16外分别设有保温层；在箱体外和管路外设置保温层为常规技术，图未示保温层。

煤层加注子系统包括与两位三通阀25的第三接口28相连通的加注总管37、多通管42和若干钻孔加注结构，加注总管37上设有压力表29；

多通管42包括同中心线设置的内管33和外管34，内管33和外管34之间围成截面呈环形的加注腔32；外管34连接有一个进液接口51和若干出液接口52，进液接口51连接加注总管37；各出液接口52沿外管34的周向均匀分布，从而使各枝状钻孔的热水和氮气的加注量更加均匀，增透效果较为一致。各出液接口52分别连接有加注连接管47；

钻孔加注结构包括枝状钻孔41，枝状钻孔41连接有加注支管43，加注支管43与多通管42的一个加注连接管47通过管道接口30相连通，枝状钻孔41的孔口处设有封孔器45；加注支管43穿过封孔器45且其末端开口于枝状钻孔41的主孔底处；封孔器45上还穿设有排放管44，排放管44的内端位于封孔器45的钻孔内侧且与封孔器45相邻，排放管44的外端位于封孔器45的钻孔外侧；枝状钻孔41外的排放管44上设有排放阀46。管道接口30可以采用法兰等常用的管道连接结构。管道接口30的设置，便于钻孔施工以及管路连接，便于将多通管42的加注连接管47延长至枝状钻孔41处，对枝状钻孔41进行加注作业。

多通管42结构简单，便于同时向多个枝状钻孔41进行循环加注热水和液氮，进行增透作业。

所述热水源14为热水锅炉，所述液氮源13为液氮罐或液氮制作车间。

所述第一增压泵21与两位三通阀25之间的热水管路15上设有第一单向阀23，所述第一增压泵21与两位三通阀25之间的液氮管路16上设有第二单向阀24。第一单向阀23和第二单向阀24能够防止煤层处的气体压力大于热水或液氮的压力时发生倒流现象，尤其是在液氮气化、枝状钻孔41内压力剧增时防止发生倒流现象。

所述热水管路15和液氮管路16沿水平运输大巷3、轨道上（下）山4和联络巷10延伸至工作面8的底板巷11内；所述第一减压阀、热水箱、第一增压泵、第二减压阀、液氮箱、第二增压泵、所述两位三通阀25、多通管42和钻孔加注结构均位于底板巷11内。这种设置便于现有安装布置本发明。

其中，热水源14优选采用燃煤热水锅炉，可以就地利用煤碳资源生产热水。封孔器45、液氮箱20、单向阀、两位三通阀25和增压泵等等部件均为现有常规装置，具体结构不再详述。

图3中，标号1为主井，标号2为副井，标号3为水平运输大巷，标号4为轨道上（下）山；标号5为运输上（下）山；标号6为回风巷；标号7为运输顺槽；标号8为工作面；标号9为回风顺槽；标号10为联络巷；标号11为底板巷；标号12为回风井。

图1中，标号38为煤层，标号39为煤层顶板，标号40为煤层底板。

本发明还公开了使用上述向煤层循环注入热水和液氮的增透系统的增透方法，依次按以下步骤进行：

第一步骤是准备步骤，包括打孔和连接操作；打孔操作是指在井下工作面8钻好枝状钻孔41；连接操作是通过热水管路15将热水加注子系统各装置连接起来，通过液氮管路16将液氮加注子系统各部件连接起来，连接钻孔加注结构和多通管42；通过两位三通阀25将热水加注子系统、液氮加注子系统和煤层加注子系统连接起来；关闭两位三通阀25、第一减压阀17、第二减压阀18和排放阀46；

第二步骤是热水箱19和液氮箱20注液操作；打开第一减压阀17，通过热水管路15将热水源14提供的热水注入热水箱19，同时打开第二减压阀18，通过液氮管路16将液氮源13提供的液氮注入液氮箱20；

第三步骤是注热水作业；先使两位三通阀25的第一接口26和第三接口28相连通，再启动第一增压泵21，将热水箱19中的热水泵送至多通管42，热水由多通管42的各个出液接口52进入各加注支管43进而进入各枝状钻孔41；持续向各枝状钻孔41中注入热水，压力表29的示数达到预定压力值后保持预定压力10分钟以上，预定压力5mpa以上；

第四步骤是排水步骤；关闭第一增压泵21，缓慢打开排放阀46，将枝状钻孔41内的水排出，然后关闭排放阀46；

第五步骤是注液氮作业；先使两位三通阀25的第二接口27和第三接口28相连通，再启动第二增压泵22，将液氮箱20中的液氮泵送至多通管42，液氮由多通管42的各个出液接口52进入各加注支管43进而进入各枝状钻孔41；持续向各枝状钻孔41中注入液氮，压力表29的示数达到预定压力值后保持预定压力10分钟以上，预定压力5mpa以上；保持压力和时间可根据钻孔增透半径设定。

第六步骤是排气步骤；液氮在枝状钻孔41处气化，关闭第二增压泵22，缓慢打开排放阀46，将枝状钻孔41内的低温气体排出，然后关闭排放阀46；

循环执行第三步骤至第六步骤，直至达到预定的增透范围和增透效果。

还包括有第七步骤即瓦斯抽采步骤，本步骤是将排放管44与外置的瓦斯抽采系统相连接，对煤层内的瓦斯气体进行抽采作业。瓦斯抽采系统为现有技术，具体结构不再详述，图未示。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。