一种基于水平定向钻孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法技术

一种基于水平定向钻孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法，首先在进风巷或回风巷、低位巷、高位巷施工一个主钻孔，钻头到达煤层预定目标位置后，顺煤层水平方向均布定向施工多个分支钻孔，对煤层实施注水，然后开启阀门向主钻孔内灌注液氮，注入煤层分支钻孔及周围的水迅速冷冻，通过测温孔监测预增透区域平均温度降到-2℃以下时停止注氮。煤体在水相变冻胀力、液氮气化膨胀力以及微孔液体流动渗透压共同作用下，促使宏观裂隙和微观裂隙扩展联通，构成裂隙网，增加煤层透气性。注入液氮结束后进行瓦斯抽采。可根据瓦斯抽采效果变化，对钻孔进行多次重复注水、注入液氮作业，达到增加钻孔周围煤层透气性，实现瓦斯快速高效抽采的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水平定向钻孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法
本专利技术涉及一种抽采瓦斯方法，尤其是一种基于水平定向钻孔液氮循环冻融增透抽采卸压瓦斯方法。技术背景瓦斯灾害是造成我国煤矿灾害事故严重的主要原因，随着煤炭开采高效集约化和采深的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯爆炸和瓦斯突出愈来愈成为矿井亟待解决的难题。目前瓦斯抽采是解决瓦斯灾害最有效的途径之一，我国煤层多为高瓦斯低透气性煤层，瓦斯抽采难度大，克服瓦斯抽放浓度低、抽放量小的问题一直是治理瓦斯灾害的重中之重，目前多采用水力压裂、水力割缝和预裂爆破等方法来增大煤层透气性，但随着采深增加煤体渗透性越来越小，常规煤层增透抽采瓦斯方法致裂增透范围小，煤体无法形成大范围瓦斯抽采裂隙网，使得瓦斯抽采率低，瓦斯治理效果不理想。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于水平定向钻孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法，通过液氮循环冻融增透，促使低透气性煤层的裂隙发展发育，沟通瓦斯抽采裂隙网，从而有效提高低透气性煤层的瓦斯抽采。技术方案：本专利技术的基于水平定向钻孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法，包括以下步骤：a.在回采煤层的进风巷或回风巷内沿煤层顺层、低位巷穿层或高位巷穿层方向向增透抽采煤层施工一个主钻孔，根据煤层的厚度，主钻孔到达距煤层上部边缘2～10m处，以主钻孔为圆心，采用水平定向钻机沿煤层水平方向均匀布置定向施工多个角度相同、长度为30～50m的分支钻孔；b.退钻后在主钻孔内设置耐低温钢管，耐低温钢管前部为长度1～3m的花管，花管前部封口；耐低温钢管上设有测压口，测压口处连接有高压压力表；c.通过注浆泵向耐低温钢管与主钻孔之间的缝隙注入配置好的高压钻孔密封材料浆液实施注浆封孔，注浆封孔段的长度H为15～25m；d.在耐低温钢管两侧对称施工两个测温孔，两个测温孔中心至主钻孔中心的距离L为30～50m，两个测温孔之间的区域为煤层致裂增透区域，在测温孔内设置一温度传感器，温度传感器经导线引出与设在孔口外的数显式温度仪相连，测温孔的入口段设有由测温封孔段固定的传感器套管，通过温度传感器在传感器套管内的前后推拉移动，实时监测钻孔测温区内温度，钻孔测温区设置在煤层中的长度为5～10m；e.利用设在进风巷或回风巷内的注水装置，经快速接头向耐低温钢管内注水，注入的水经耐低温钢管分流从6个分支钻孔内进入，渗透留存在煤体中，并持续渗流进入更微小的煤层裂隙中；f.待注入水在煤体内渗流2～3h后，将快速接头上的注水阀门拆除，装上液氮阀门，将主钻孔内的耐低温钢管与设在进风巷或回风巷内的液氮槽车相连接，开启液氮阀门，向主钻孔内的耐低温钢管内灌注液氮，通过测温孔监测钻孔测温区内的温度，当钻孔测温区内两端平均温度低于-2℃时，可以判定煤层致裂增透区域已经处于冻结状态，关闭液氮阀门停止注氮，让煤体自然融化2～3h，完成一个相变致裂单元的冻融循环；g.按常规方法，在两个测温孔之间的煤层致裂增透区域向煤层实施瓦斯抽采钻孔，并进行瓦斯抽采；h.瓦斯抽采过程中，根据瓦斯抽采效果变化，经耐低温钢管和6个分支钻孔对煤层进行多次重复注水和注入液氮作业，煤体在多次冻融循环中“冻结—融化—冻结”交变作用下，达到煤体应力疲劳极限，产生致裂。在灌注液氮过程中，耐低温钢管内液氮的压力超过8MPa时，关闭液氮阀门，待压力低于2MPa时，打开液氮阀门继续灌注液氮。所述沿煤层水平方向均匀布置定向施工的多个角度相同、长度为30～50m的分支钻孔(1)为4～8个。有益效果：本专利技术基于水平定向钻孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯，其中：1)水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，在十几年间获得了飞速发展，它具有施工速度快、施工精度高、成本低、适应硬岩作业等优点，广泛应用于施工工程中，其定向施工钻孔在实施煤矿导向钻孔中具有独到的优势。冻融现象是自然界中一种常见的物理地质作用和现象，尤其出现在温差变化比较大的物体构造中，如青藏高原、北方地区的公路和建筑物。其中青藏公路严重的冻融灾害给安全运输、道路养护、施工造成了极大的困难。2)冻融侵蚀是由于土壤及其母质孔隙中或岩石裂缝中的水分在冻结时，体积膨胀，使裂隙随之加大、增多所导致整块土体或岩石发生碎裂，消融后其抗蚀稳定性大为降低，在重力作用下岩土顺坡向下方产生位移的现象。冻融侵蚀引起冻土反复融化与冻结，从而导致土体或岩体的破坏、扰动、变形甚至移动。结构件表面和内部所含水分的冻结和融化的交替出现，称为冻融循环。冻融循环的反复出现，造成物体构造的严重破坏。把冻融侵蚀和循环过程应用在煤体致裂增透中具有广阔的前景。3)在常压下，液氮温度可达－196℃，汽化潜热为5.56kJ/mol，1m3的液氮可以膨胀为696m3的21℃纯气态氮，汽化时可吸收周围大量热量。液氮具有制备简单、原料来源广泛等优点，在煤体冻融循环中液氮可作为一种高效的制冷和增透介质。本专利技术创新性地把冻融侵蚀现象和循环冻融应用于煤体致裂增透抽采瓦斯中，采用分支钻孔引导介质水渗透到煤体中，深冷液氮作为制冷介质，气化时膨胀为696倍的氮气，一方面膨胀作用有效加速了水在煤体宏观裂隙中的运移以及增加微观孔隙中水分含量，使得冻融循环具有更大的增透区域；另一方面液氮气化膨胀力与水相变冻胀力、流动渗透压共同作用，促使煤体中宏观裂隙扩展和微观裂隙的发育连通，使得冻融效率高。并具有如下优点：循环冻融过程中，煤体中液体介质产生“冻结－膨胀－融化－冻结”循环过程，煤层在交变应力下达到疲劳和应力极限，水相变的冻胀力、液氮汽化的膨胀力以及融化过程中液体流动渗透压共同作用下，促使宏观裂隙发展沟通和微小孔隙张开发育，形成瓦斯抽采裂隙网，可有效卸载煤层压力，增加煤层透气性。顺煤层360°实施6个分支钻孔，分支钻孔引导介质水和制冷介质充分渗透到煤体中，冻融增透范围可达30～60m，扩大冻融范围后可明显降低冻融单元个数和瓦斯抽采钻孔数量；耐低温钢管通过快速接头连接冻融机组，钢管前部花管可全方位输送介质水、液氮，实现了“一管多用”，节约工程量；通过循环冻融后可有效提高煤层瓦斯单孔抽采量和抽采浓度，延长瓦斯浓度衰减时间；由于介质水作用通过分支钻孔均匀扩散到煤层中，冻融后可有效消除煤层局部高应力集中区，促进局部积聚瓦斯的运移，释放煤层中积聚的煤与瓦斯突出潜能，具有很好的消除煤与瓦斯突出作用；此外，由于制冷介质液氮汽化时可吸收周围大量热量，对煤体具有很好的降温效果，对防治煤层火灾具有积极意义。本专利技术方法有效解决了高瓦斯低透气煤层瓦斯抽采效率低、抽采周期长、抽采钻孔影响范围小的问题，具有广泛的实用性。附图说明图1是煤层顺层定向钻孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法示意图；图2是图1的A－A剖面示意图；图3是图1、图5和图6中主钻孔内钢管布置和连接示意图；图4是图2和图7中B－B剖面测温孔示意图；图5是低位巷穿层上行孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法示意图；图6是高位巷穿层下行孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法示意图；图7是图5和图6的C－C和D—D剖面图。图中：1－分支钻孔，2—花管，3—主钻孔，3—1耐低温钢管，4—封孔段，5—快速接头，5—1注水阀门，5—2液氮阀门，6—进风巷或回风巷，7—煤层，8－设备机组，8—1注水装置，8—2液氮槽车，9－测温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水平定向钻孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法，其特征在于包括以下步骤：a．在回采煤层的进风巷或回风巷（6）内沿煤层顺层、低位巷穿层或高位巷穿层方向向增透抽采煤层（7）施工一个主钻孔（3），根据煤层（7）的厚度，主钻孔（3）到达距煤层（7）上部边缘2~10m处，以主钻孔（3）为圆心，采用水平定向钻机沿煤层（7）水平方向均匀布置定向施工多个角度相同、长度为30~50m的分支钻孔（1）；b．退钻后在主钻孔（3）内设置耐低温钢管（3‑1），耐低温钢管（3‑1）前部为长度1~3m的花管（2），花管（2）前部封口；耐低温钢管（3‑1）上设有测压口，测压口处连接有高压压力表（13）；c．通过注浆泵向耐低温钢管（3‑1）与主钻孔（3）之间的缝隙注入配置好的高压钻孔密封材料浆液实施注浆封孔，注浆封孔段（4）的长度H为15~25m；d．在耐低温钢管（3‑1）两侧对称施工两个测温孔（9），两个测温孔（9）中心至主钻孔（3）中心的距离L为30~50m，两个测温孔（9）之间的区域为煤层致裂增透区域，在测温孔（9）内设置一温度传感器（9‑2），温度传感器（9‑2）经导线引出与设在孔口外的数显式温度仪（9‑5）相连，测温孔（9）的入口段设有由测温封孔段（9‑4）固定的传感器套管（9‑3），通过温度传感器（9‑2）在传感器套管（9‑3）内的前后推拉移动，实时监测钻孔测温区（9‑1）内温度，钻孔测温区（9‑1）设置在煤层（7）中的长度为5~10m；e．利用设在进风巷或回风巷（6）内的注水装置（8‑1），经快速接头（5）向耐低温钢管（3‑1）内注水，注入的水经耐低温钢管（3‑1）分流从6个分支钻孔（1）内进入，渗透留存在煤体中，并持续渗流进入更微小的煤层裂隙中；f．待注入水在煤体内渗流2~3h后，将快速接头（5）上的注水阀门（5‑1）拆除，装上液氮阀门（5‑2），将主钻孔（3）内的耐低温钢管（3‑1）与设在进风巷或回风巷（6）内的液氮槽车（8‑2）相连接，开启液氮阀门（5‑2），向主钻孔（3）内的耐低温钢管（3‑1）内灌注液氮，通过测温孔（9）监测钻孔测温区（9‑1）内的温度，当钻孔测温区（9‑1）内两端平均温度低于‑2℃时，可以判定煤层致裂增透区域已经处于冻结状态，关闭液氮阀门（5‑2）停止注氮，让煤体自然融化2~3h，完成一个相变致裂单元的冻融循环；g．按常规方法，在两个测温孔（9）之间的煤层致裂增透区域向煤层实施瓦斯抽采钻孔，并进行瓦斯抽采；h．瓦斯抽采过程中，根据瓦斯抽采效果变化，经耐低温钢管（3‑1）和6个分支钻孔（1）对煤层（7）进行多次重复注水和注入液氮作业，煤体在多次冻融循环中“冻结—融化—冻结”交变作用下，达到煤体应力疲劳极限，产生致裂。...

【技术特征摘要】
1.一种基于水平定向钻孔液氮循环冻融增透抽采瓦斯方法，其特征在于包括以下步骤：a．在回采煤层的进风巷或回风巷（6）内沿煤层顺层、低位巷穿层或高位巷穿层方向向增透抽采煤层（7）施工一个主钻孔（3），根据煤层（7）的厚度，主钻孔（3）到达距煤层（7）上部边缘2~10m处，以主钻孔（3）为圆心，采用水平定向钻机沿煤层（7）水平方向均匀布置定向施工多个角度相同、长度为30~50m的分支钻孔（1）；b．退钻后在主钻孔（3）内设置耐低温钢管（3-1），耐低温钢管（3-1）前部为长度1~3m的花管（2），花管（2）前部封口；耐低温钢管（3-1）上设有测压口，测压口处连接有高压压力表（13）；c．通过注浆泵向耐低温钢管（3-1）与主钻孔（3）之间的缝隙注入配置好的高压钻孔密封材料浆液实施注浆封孔，注浆封孔段（4）的长度H为15~25m；d．在耐低温钢管（3-1）两侧对称施工两个测温孔（9），两个测温孔（9）中心至主钻孔（3）中心的距离L为30~50m，两个测温孔（9）之间的区域为煤层致裂增透区域，在测温孔（9）内设置一温度传感器（9-2），温度传感器（9-2）经导线引出与设在孔口外的数显式温度仪（9-5）相连，测温孔（9）的入口段设有由测温封孔段（9-4）固定的传感器套管（9-3），通过温度传感器（9-2）在传感器套管（9-3）内的前后推拉移动，实时监测钻孔测温区（9-1）内温度，钻孔测温区（9-1）设置在煤层（7）中的长度为5~10m；e．利用设在进风巷或回风巷（6）内的注水装置（8-1），经快速接头（5）向耐低温钢管（3-1）内注...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟成，秦雷，徐吉钊，汤宗情，武世亮，仲超，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32