一种气液组合定向致裂装置与方法与流程

本发明涉及煤矿领域，尤其涉及一种气液组合定向致裂装置与方法。

背景技术：

液态co2相变致裂技术是目前新型的物理爆破技术，在矿产资源开采过程中，利用液态co2吸热气化产生瞬时高压来致裂煤岩体，可代替传统的炸药爆破，可用于爆破落煤、顶板和冲击地压治理、煤层增透消突、顶煤弱化、石门揭煤、煤仓清堵等。

在煤矿井下，使用液态co2相变致裂替代传统爆破技术对煤岩体进行致裂，由于煤岩体处于三向应力状态(无自由面)，裂缝扩展长度较短，范围也较小，导致致裂效果不佳。因而，单纯使用液态co2相变致裂应用于煤矿顶板、冲击地压治理、煤层增透消突和顶煤弱化等的效果仍显不足。

技术实现要素：

本发明提供一种气液组合定向致裂装置与方法，以解决现有液态二氧化碳相变致裂效果不佳的问题。

第一方面，本发明提供一种气液组合定向致裂装置，包括：co2相变发生器和封孔器；

所述co2相变发生器为圆筒结构；所述co2相变发生器包括：储液管、充气头和卸能头；

所述储液管具有中空腔体，所述储液管的第一端与所述充气头的第一端连接；所述储液管的第一端内还设有发热模块，用于使所述储液管内的液态co2受热转化为气态co2；

所述充气头上设有注液孔和充气阀；

所述充气头的第一端与所述储液管中空腔体连通，以使所述液态co2通过所述注液孔的充气通道进入所述储液管的中空腔体内；

所述充气阀用于开启和闭合所述注液孔的充气通道；

所述卸能头为管状，所述卸能头与所述储液管的第二端密封连接；所述卸能头的外壁上设有多个具有定向功能的卸能口，以使所述气态co2通过所述卸能口充入所述钻孔内，预裂所述钻孔；

所述充气头的第二端与所述封孔器连接；所述封孔器为弹性囊状结构，设置于所述co2相变发生器的后端，并与高压水管连接；

所述co2相变发生器用于将液态co2转为气态，并充入所述钻孔内，对所述钻孔进行定向预裂；

所述封孔器注水膨胀，用于封堵所述钻孔，并向所述钻孔内进行高压注水，进一步致裂所述钻孔。

可选的，多个具有定向功能的所述卸能口沿所述卸能头的周向均匀分布；所述卸能口为12个，每个所述卸能口孔径为3mm。

可选的，多个具有定向功能的所述卸能口沿所述卸能头的轴向两侧对称排布；所述卸能口为12个，所述卸能头单侧的所述卸能口数量为6个，每个所述卸能口孔径为3mm，相邻所述卸能口间距为2mm。

优选的，每个所述钻孔内的所述co2相变发生器为多个，多个所述co2相变发生器依次串联，并且最后一个所述co2相变发生器的第二端连接所述封孔器。

进一步的，所述钻孔数量为多个，每个所述钻孔内的所述发热模块通过引线引出至所述钻孔外，并进行串联；每个所述钻孔内与所述封孔器连接的所述高压水管通过多通并联连接。

第二方面，本发明提供一种利用上述气液组合定向致裂装置对煤岩体进行致裂的气液组合定向致裂方法，包括：

在煤岩体内钻设至少一个钻孔；

向每个所述钻孔内送入安装好的所述气液组合定向致裂装置；

对所述钻孔进行封孔；

在所述钻孔内进行定向液态co2相变致裂和水力致裂。

进一步的，所述在所述钻孔内进行液态co2相变致裂和水力致裂，包括：

启动所述co2相变发生器，在所述钻孔内进行定向液态co2相变致裂，以对所述钻孔进行定向预裂；

向所述封孔器内注入高压水，对定向预裂后的所述钻孔施加致裂压力，进行水力致裂，使水压裂缝沿所述钻孔的预裂方向继续扩展。

可选的，所述在所述钻孔内进行液态co2相变致裂之前，还包括：

向所述封孔器内静压注水，至所述钻孔内充满水时停止注水。

优选的，所述钻孔为多个，且相邻所述钻孔之间的间距为1.5m～5m。

优选的，所述向所述封孔器内注入高压水的水压力大于等于5mpa。

进一步的，所述向所述封孔器内静压注水的水压力小于等于2mpa。

本发明提供的气液组合定向致裂装置与气液组合定向致裂方法，通过在煤岩体内钻设至少一个钻孔，并向钻孔内送入包括co2相变发生器和封孔器的气液组合定向致裂装置，在对钻孔封孔后，钻孔内依次进行定向液态co2相变致裂和水力致裂。即利用多个具有定向功能的卸能孔先对钻孔进行定向液态co2相变致裂，通过co2相变发生器内瞬间喷射出的co2气体对钻孔内壁进行高压致裂，在钻孔内壁形成定向预裂缝；再进行水力致裂，即对定向预裂后的钻孔进行高压注水，使水压裂缝进一步沿定向预裂缝进一步扩展，实现裂缝在煤岩体内的大范围扩展，最终在煤岩体内形成大范围的水压裂缝带，从而卸除煤岩体内的高应力或实现高应力向低应力区的转移，达到对煤矿坚硬顶板、顶煤和冲击地压的治理；同时水压裂缝带还改造了煤层的透气性，有利于实现煤层增透消突的目的。

附图说明

图1为实施例一提供的气液组合定向致裂装置的结构示意图；

图2为实施例一提供的co2相变发生器的结构示意图；

图3为实施例一提供的一种卸能头的局部示意图；

图4为实施例一提供的另一种卸能头的局部示意图；

图5为实施例二提供的气液组合定向致裂装置的示意图；

图6为实施例三提供的气液组合定向致裂方法的流程示意图；

图7为实施例三提供的气液组合定向致裂方法中钻孔内进行定向液态co2相变致裂和水力致裂的流程示意图。

附图标记：

1：co2相变发生器；11：储液管；110：发热模块；111：引线；12：充气头；121：注液孔；122：充气阀；13：卸能头；130：卸能口；131：泄能片；

2：封孔器；

3：高压水管；31：总注水阀门；32：分注水阀门；

4：压力表；

5：多通。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为实施例一提供的气液组合定向致裂装置的结构示意图，如图1所示，本实施例提供一种气液组合定向致裂装置，包括：co2相变发生器1和封孔器2。气液组合定向致裂装置布设于预先施工的钻孔内，其中：

如图2所示，图2为实施例一提供的co2相变发生器的结构示意图，co2相变发生器1为圆筒结构，内部储存有液态co2，co2相变发生器1的第一端设有多个喷口130，其第二端连接封孔器2。co2相变发生器1用于将液态co2转为气态co2，并由喷口130充入钻孔内，对钻孔进行预裂。封孔器2位于靠近钻孔孔口端，设置于co2相变发生器1的后端，封孔器2的另一端与高压水管连接，封孔器2注水膨胀，用于封堵钻孔，并向钻孔内进行高压注水，进一步致裂钻孔。

具体的：该co2相变发生器1包括：储液管11、充气头12和卸能头13，其中：储液管11具有中空腔体，该中空腔体用于储存液态co2。优选的，该储液管11可由钢材制成，以能承受1300mpa以上的压力为佳，从而使储液管11可重复使用。该储液管11的第一端内设有发热模块110，发热模块110向内伸入储液管11的中空腔体内，当发热模块110发热时可使储液管11内储存的液态co2受热转化为气态co2。

储液管11的第一端与充气头12的第一端连接，充气头12也具有中空的充气通道并与储液管11的中空腔体连通。

进一步的，充气头12上设有注液孔121和充气阀122，使用co2相变发生器1前，打开充气阀122，将储存有液态co2的储液罐与注液孔121连通，从而通过充气头12上的注液孔121向储液管11内充入液态co2，储液管11内压力达设定值时，停止注液并关闭充气阀122。

可选的，当储液管11内的发热模块110为电发热管时，充气头12的侧壁上还设有接线孔，电发热管上的导线可通过充气头12上的接线孔引出至钻孔外。在电发热管通电后，电发热管即可在瞬间发生，反应放出大量热量，使储液管11内的液态co2受热相变为气态co2。

进一步的，卸能头13为管状，储液管11的第二端与卸能头13连接。卸能头13的外壁上设有多个具有定向功能的卸能口130，以使储液管11内的气态co2通过卸能口130充入钻孔内，使钻孔内壁沿设定方向开裂形成预制裂缝，实现定向预裂钻孔。

优选的，卸能头13与储液管11间通过定压卸能片131密封连接，定压泄能片131为钢材，应具有一定的抗剪切强度。当储液管11内液态co2受热相变膨胀，使储液管11内的压力超过定压泄能片131的抗剪强度时，定压泄能片131就在剪应力的作用下发生破坏，使得储液管11内的气态co2从卸能头13的多个卸能孔130中释放，进入钻孔内，从而使co2气体预裂钻孔。

进一步的，在钻孔致裂过程中，为了实现钻孔内定向致裂，即钻孔沿内壁内某一设定方向致裂，本实施例提供了两种具有定向功能的卸能孔130布设方式。

第一种，如图3所示，图3为实施例一提供的一种卸能头的局部示意图，多个具有定向功能的卸能孔130沿卸能头13的周向均匀分布，即，卸能孔130沿卸能头13的径向均匀分布。可选的，卸能孔130的数量为12个，并且每个卸能口130的孔径为3mm，相邻卸能孔130的夹角为30度。卸能孔130采用该种布设方式，在液态co2相变致裂时，可使co2气体沿钻孔径向致裂，在钻孔内壁形成沿钻孔径向的定向预裂缝。

第二种，如图4所示，图4为实施例一提供的另一种卸能头的局部示意图，多个具有定向功能的卸能孔130沿卸能头13的轴向两侧对称密集排布，即卸能孔130沿卸能头13的轴向两侧呈对称均匀分布。可选的，卸能孔130每侧的数量为6个，总计12个，并且每个卸能口130的孔径为3mm，相邻卸能孔130的间距为2mm。需要注意的是，卸能孔130在钻孔内的朝向应与需要在煤岩体内产生的预裂缝方向一致。

卸能孔130采用该种布设方式，在定向液态co2相变致裂时，co2气体沿卸能孔130喷出，对钻孔轴向进行多点密集线性致裂，从而在钻孔内壁形成沿钻孔轴向的定向预裂缝。

进一步的，同一个钻孔内，可串联多个co2相变发生器1。当卸能孔130采用第二种布设方式，即多个卸能孔130沿卸能头13的轴向两侧对称密集排布时，每个co2相变发生器1之间采用限位连接，从而保证所有co2相变发生器1的卸能孔130的朝向均一致。同时，最后一个co2相变发生器1的第二端与封孔器2连接。封孔器2为弹性囊状结构，位于钻孔孔口端，封孔器2的一端与co2相变发生器1的第二端连接，另一端与高压水管3连接。封孔器2注水膨胀，用于封堵钻孔，并向钻孔内进行高压注水，进一步沿预裂缝致裂钻孔，增加裂缝的扩展范围。

本实施例通过在预先施工的钻孔内送入气液组合定向致裂装置，其中，气液组合定向致裂装置包括：co2相变发生器和封孔器。co2相变发生器内部储存有液态co2，用于将液态co2转为气态，并充入钻孔内，对钻孔进行预裂；封孔器设置于co2相变发生器的后端，并与高压水管连接，当向封孔器注水后，封孔器膨胀并对钻孔进行封孔，在钻孔内形成封闭空间，从而使co2相变发生器相变释放的co2气态对钻孔进行定向预裂，在钻孔内壁产生预制裂缝；通过向封孔器内继续进行高压注水，使钻孔内的高压水致裂钻孔，使孔内裂缝进一步沿预制裂缝扩展。本实施例提供的气液组合定向致裂装置可在co2气体和高压水的作用下，在钻孔内产生沿设定方向的裂缝，并实现裂缝的大范围扩展，从而卸除煤岩体内高应力，达到对煤矿坚硬顶板、顶煤和冲击地压的治理，以及实现煤层增透消突的目的。

实施例二

图5为实施例二提供的气液组合定向致裂装置的示意图，如图5所示，在上述实施例一的基础上，本实施例二提供另一种气液组合定向致裂装置。

在煤矿中，对于坚硬顶板或顶煤，为了提高流压致裂的效果，可在同一平面内密集施工多个呈线性布置的钻孔。在每个钻孔内布设一套气液组合定向致裂装置，并且将每个气液组合定向致裂装置的发热模块110通过引线111引出至孔外，进行串联；同时将每个气液组合定向致裂装置中与封孔器2连接的高压水管3通过多通5相并联，并在多通上设置一个总注水阀门31，用于开启或关闭注水管路。

在流压致裂时，对每个钻孔内的发热模块100进行同时启动，对所有钻孔同时进行液态co2相变致裂，使每个钻孔内的co2相变发生器1同时释放co2气体对钻孔进行预裂。然后再打开总注水阀门31，向所有钻孔内同时注入高压水，进行水力致裂，使相邻钻孔间的水压致裂沿预裂缝方向继续扩展，进而贯通，达到线性多孔气液组合定向致裂的目的，从而提高了流压致裂的范围和效果。

可选的，为了更有效的控制每个钻孔水力致裂情况，可在每个高压水管3上设置一个分注水阀门32，用于开启或闭合该路高压注水管3。

优选的，为了使多孔同时流压致裂达到最佳效果，实现多个钻孔间裂缝的大范围扩展贯通，根据煤岩体实际赋存条件，相邻钻孔之间的间距为1.5m～5m为宜。例如具体施工中，钻孔间距根据实际条件可选择1.5m、2m、3m、4m或5m中的一种。

本实施例通过在煤岩体的同一平面内密集施工多个呈线性布置的钻孔，并在每个钻孔内布设气液组合定向致裂装置，同时将每个钻孔内的发热模块通过引线串联连接，还将与每个钻孔内封孔器连接的注水管相并联，实现多孔同时流压致裂。多孔同时流压致裂利用多个钻孔内同步进行co2相变致裂和水力致裂的耦合作用，有利于对钻孔内预裂缝和后续水压裂缝扩展方向进行控制，实现线性多孔控制定向致裂，从而提高对高地应力场下煤岩体的定向致裂效果，达到煤矿井下防冲、煤层增透消突的目的。

实施例三

图6为实施例三提供的气液组合定向致裂方法的流程示意图；图7为实施例三提供的气液组合定向致裂方法中钻孔内进行液态co2相变致裂和水力致裂的流程示意图。如图6和图7所示，本发明提供一种气液组合定向致裂方法，本实施例提供的气液组合定向致裂方法，采用上述实施例一或实施例二中提供的气液组合定向致裂装置实现煤岩体内流压致裂。具体的，如图6所示，本实施例提供的气液组合定向致裂方法，包括：

s101：在煤岩体内钻设至少一个钻孔；

具体的，施工钻孔的孔深和钻孔延伸方向可根据煤岩体地质条件和流压致裂的目的综合确定，钻孔直径以刚好能够送入气液组合定向致裂装置为最佳。若钻孔为多个，则多个钻孔的轴向延伸方向应位于同一平面内，并且相邻钻孔之间的间距为1.5m～5m为宜。例如具体施工中，钻孔间距根据实际条件可选择1.5m、2m、3m、4m或5m中的一种。

s102：向每个钻孔内送入安装好的气液组合定向致裂装置；

当钻孔施工完成后，向钻孔内送入安装好的气液组合定向致裂装置，即先后向钻孔内送入co2相变发生器和封孔器，其中，co2相变发生器中卸能孔的朝向应与需要在煤岩体内产生预制裂缝的方向一致。其中，co2相变发生器位于钻孔底端，而封孔器位于钻孔孔口端，封孔器末端与高压水管连接。

s103：对钻孔进行封孔；

具体的，钻孔封孔可通过打开高压水管3向封孔器2内注水，使封孔器2的胶囊膨胀贴近钻孔内壁，从而封闭钻孔，在钻孔内部形成密闭空间。

s104：在所述钻孔内进行定向液态co2相变致裂和水力致裂。

钻孔封口后，关闭高压水管停止注水，然后启动co2相变发生器1，使co2相变发生器1内的液态co2相变为气态co2，并从co2相变发生器1中喷出，钻孔内的高压co2气体对钻孔进行定向气体压裂，从而在钻孔内壁形成定向预裂缝。具体的，可通过启动co2相变发生器1中的发热模块110，发热模块可在瞬间发生反应放出大量热量，使co2相变发生器1内的液态co2迅速受热相变为气态co2，从而使大量co2气体快速从卸能孔130中喷射至钻孔内壁，在钻孔内壁产生设定方向的预裂缝。

定向液态co2相变致裂后，打开高压水管3，向封孔器2内注入高压水，对预裂后的钻孔施加致裂压力，进行水力致裂，使水压裂缝沿钻孔内产生的预裂缝方向继续扩展，最终在煤岩体内定向产生较大扩展范围的裂缝，从而卸除煤岩体内高应力，达到对煤矿坚硬顶板、顶煤和冲击地压的治理，以及实现煤层增透消突的目的。

优选的，在对钻孔内进行定向液态co2相变致裂之前，还可以包括：向封孔器2内静压注水，至钻孔内充满水时停止注水。

具体的，如图7所示，s401：在向封孔器2注水，完成封孔后，不关闭高压水管3，而是继续向封孔器2内进行静压注水，直至钻孔内充满水时，再关闭高压水管3停止注水。

s402：然后在钻孔内进行定向液态co2相变致裂，使得从卸能孔130中喷射出的co2气体在水中膨胀，形成气水组合脉冲波冲击钻孔壁，从而使钻孔内壁裂缝的扩展长度和范围更大，使定向预裂的效果更佳。

s403：最后再向预裂后的钻孔内注入高压水，进行水力致裂，使钻孔内高压水向钻孔施加致裂压力，进一步致裂钻孔，使水压裂缝沿定向预裂缝继续扩展，最终形成大范围的水压裂缝带。

进一步的，在向封孔器2注水封孔以及继续向封孔器2静压注水的过程中，封孔器内静压注水的水压力一般小于等于2mpa；而在水力致裂阶段，向封孔器内注入高压水的水压力应大于等于5mpa，实际使用中可通过设置在高压水管上的压力表4对封孔器2内压力进行实时监测。

本实施例提供的气液组合定向致裂方法，通过向钻孔内送入气液组合定向致裂装置，首先在钻孔内进行定向液态co2相变致裂，使钻孔内壁在co2气体喷射时产生的冲击压力下形成定向预裂缝，然后再在钻孔内进行水力致裂，使钻孔内的高压水高压致裂钻孔，使水压裂缝沿着定向预裂缝继续向煤岩体内部扩展，最终在煤岩体内形成大范围的水压裂缝带，从而卸除煤岩体内的高应力，达到对煤矿坚硬顶板、顶煤和冲击地压的治理；同时水压裂缝带还改造了煤层的透气性，有利于实现煤层增透消突的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。