利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法及抽采系统技术方案

本发明专利技术公开了一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法及抽采系统，方法包括如下步骤：1)钻孔，2)建立抽采系统，3)煤层致裂，4)加热煤层，5)抽采瓦斯。抽采系统包括煤层，煤层上设置有抽采孔，抽采孔内设置有封孔器，且另设置有钢管、液氮管和瓦斯抽采管穿过封孔器，伸入到抽采孔内，钢管的外端接通到储存仓，液氮管的外端接通到液氮罐。本发明专利技术构思新颖且设计巧妙合理，在本发明专利技术的技术方案中，煤层在经过液氮冷却致裂后，再通过相变材料加热，在冷热交替的温度处理下，能够进一步对煤层进行致裂，并加速瓦斯的解离，使得瓦斯从煤层中排出更加通畅高效，进而使得整个抽采工作更加安全可靠，操作方便，畅通并效率高。

Gas extraction method and system assisted by phase change materials for liquid nitrogen cracking

The invention discloses a gas extraction method and a gas extraction system using phase change material to assist liquid nitrogen cracking. The method comprises the following steps: 1) drilling, 2) establishing a gas extraction system, 3) coal seam cracking, 4) heating coal seam and 5) gas extraction. Drainage system includes coal seam. Drainage holes are arranged on coal seam, and sealing devices are arranged in the extraction holes. In addition, steel pipe, liquid nitrogen pipe and gas drainage pipe are arranged through the sealing device and extend into the extraction holes. The outer end of the steel pipe is connected to the storage bin, and the outer end of the liquid nitrogen pipe is connected to the liquid nitrogen tank. The invention has novel conception and ingenious and reasonable design. In the technical scheme of the invention, the coal seam is heated by phase change material after being cooled and cracked by liquid nitrogen, and the coal seam can be further cracked under alternating cold and hot temperature treatment, and the gas dissociation can be accelerated, so that the gas can be discharged from the coal seam more smoothly and efficiently, thereby making the whole extraction work safer and more reliable. It is easy to operate, smooth and efficient.

【技术实现步骤摘要】
利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法及抽采系统
本专利技术属于瓦斯开采
，特别涉及一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法及抽采系统。
技术介绍
煤炭是我国的主体能源，与采煤伴生的瓦斯灾害是一直是制约煤矿安全生产的一大难题。随着开采深度和开采强度的不断增加，井下瓦斯涌出量越来越大，瓦斯超限频发，瓦斯突出和瓦斯爆炸危险性日益严重。高效抽采煤层瓦斯是防治瓦斯灾害的根本性办法。国家部门也将瓦斯抽采放在了首要位置，并制定了“先抽后采、监测监控、以风定产”的煤矿瓦斯治理方针。近年来，基于水力压裂的煤层液氮致裂技术逐渐发展并应用于井下煤层改造增透，然而由于液氮温度极低(77K)，低温环境会严重抑制瓦斯解吸，与此同时，煤层中由液氮冻结而形成的冰融化较慢，所产生的水分还能导致水锁效应，封堵孔隙裂隙等瓦斯运移通道，阻碍瓦斯抽采。研究表明，相变材料可通过相变过程释放热量，对煤体进行加热，从而提高瓦斯解吸率。对于每种相变储热材料，都有固定的相变温度，当外界温度高于相变温度时，相变材料通过相变过程吸收并储存热量，当外部环境低于其相变温度时，相变材料通过相变过程释放热量以调节温度，相变反应完成前，相变材料的温度基本维持不变。利用相变材料与煤体间的温度差完成相变放热，提高煤层煤体温度，促进瓦斯解吸。物质的存在通常认为有三态，物质从一种状态变到另外一种状态叫相变。相变的形式有以下四种：(1)固-液相变；(2)液-汽相变；(3)固-汽相变；(4)固-固相变。相变过程中伴有能量的吸收或释放，我们就可以利用相变过程中有能量的吸收和释放现象，利用相变材料来存储能量。相变储能材料有多种，如由上海工程技术大学申请，专利号为ZL201510742887.6，名称为一种复合相变储能材料及其制备方法就提供了其中一种，又如由沈阳化工研究院有限公司申请，专利号为ZL201510259828.3，名称为一种改性二氧化硅定型相变储能材料及其制备方法又提供了一种。
技术实现思路
有鉴于现有技术中所采用的液氮温度极低，会严重抑制瓦斯解吸，并且会造成煤层中冰融化慢，形成水锁效应，阻碍瓦斯抽采的问题。本专利技术的目的之一是提供一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，所要解决的技术问题是消除煤层瓦斯开采中由于液氮对煤层造成的水锁效应，进而保证瓦斯抽采顺畅进行。技术方案如下:一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，包括如下步骤：1)钻孔在煤层中施工一个抽采孔；2)建立抽采系统先将用于输入相变材料的钢管伸入到所述抽采孔内，然后将用于输入液氮的液氮管伸入到抽采孔内，再然后将瓦斯抽采管伸入到所述抽采孔的内部；在所述钢管、液氮管和瓦斯抽采管连接完毕后，最后利用封孔器对所述抽采孔进行密封；3)煤层致裂打开液氮泵，向所述抽采孔内注入液氮，利用低温的液氮对煤层进行冻结并致裂；4)加热煤层打开输送泵和计量器，利用所述输送泵将所述储存仓内的相变材料通过钢管输入到所述抽采孔内，相变材料在低温下发生相变，向外持续释放大量的热量，对所述煤层进行加热；5)抽采瓦斯通过瓦斯抽采管向外抽采瓦斯。采用以上技术方案，抽采孔是向煤层钻设形成的，不但用于瓦斯的抽采，还用于向里面注入液氮和相变材料，以对煤层实现冷冻和加热致裂。在抽采孔内设置好各个管路后，为了保证注入的液氮和相变材料不会漏出，因此需要采用封孔器对抽采孔进行密封，以达到最好的冷热致裂效果。煤层经过液氮和相变材料的冷热致裂后，瓦斯气体更加容易排出，且相变材料放热还有加速瓦斯气体解离的效果，瓦斯排出进入到抽采孔内后，再通过瓦斯抽采管进行抽采。进一步，作为优选，为了在注入相变材料时，能够更加均匀地填入到抽采孔中，对煤层起到更加良好的加热效果，在所述建立抽采系统步骤中，所述钢管的内端靠近所述抽采孔的底部。进一步，作为优选，为了在注入液氮时，能够更加均匀地填入到抽采孔中，对煤层起到更加良好的冷却效果，在所述建立抽采系统步骤中，所述液氮管的内端距离所述抽采孔的底部0.4m-0.6m。进一步，作为优选，为了便于瓦斯抽采，在所述建立抽采系统步骤中，所述瓦斯抽采管的内端伸入到所述抽采孔的中部。进一步，作为优选，为了准确掌握相变材料的注入量，并提供注入的动力，在所述建立抽采系统步骤中，所述钢管的外端连接到输送泵上，所述输送泵连接到计量器，所述计量器连接到储存仓。进一步，作为优选，为了给液氮的注入提供动力，在所述建立抽采系统步骤中，所述液氮管的外端通过胶管连接到液氮泵，液氮泵再连接到液氮罐上。本专利技术的目的之二是提供一种用于相变材料辅助液氮致裂煤层抽采瓦斯的抽采系统，来作为实现上述方法的基础，技术方案如下：一种用于相变材料辅助液氮致裂煤层抽采瓦斯的抽采系统，包括设置在煤层上的抽采孔，所述抽采孔内设置有封孔器，且另设置有钢管、液氮管和瓦斯抽采管穿过所述封孔器，伸入到所述抽采孔内，所述钢管的外端接通到储存仓，所述液氮管的外端接通到液氮罐。进一步，作为优选，所述钢管的外端连接到输送泵上，所述输送泵连接到计量器，所述计量器再连接到所述储存仓。进一步，作为优选，所述液氮管连接到液氮泵上，所述液氮泵再连接到所述液氮罐上。有益效果：本专利技术构思新颖且设计巧妙合理，在本专利技术的技术方案中，煤层在经过液氮冷却致裂后，再通过相变材料加热，在冷热交替的温度处理下，能够进一步对煤层进行致裂，并加速瓦斯的解离，使得瓦斯从煤层中排出更加通畅高效，进而使得整个抽采工作更加安全可靠，操作方便，畅通并效率高。附图说明图1是本专利技术结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：实施例一如图1所示的一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，其特征在于包括如下步骤：1)钻孔在煤层3中施工一个抽采孔2；2)建立抽采系统先将用于输入相变材料的钢管6伸入到抽采孔2内，然后将用于输入液氮的液氮管7伸入到抽采孔2内，再然后将瓦斯抽采管8伸入到抽采孔2的内部；在钢管6、液氮管7和瓦斯抽采管8连接完毕后，最后利用封孔器5对抽采孔2进行密封；3)煤层致裂打开液氮泵13，向抽采孔2内注入液氮，利用低温的液氮对煤层3进行冻结并致裂；4)加热煤层打开输送泵9和计量器10，利用输送泵9将储存仓11内的相变材料通过钢管6输入到抽采孔2内，相变材料在低温下发生相变，向外持续释放大量的热量，对煤层3进行加热；5)抽采瓦斯通过瓦斯抽采管8向外抽采瓦斯。在具体实施过程中，煤层往往是在岩层中间，因此如图1所示，在煤层3的上方会有第一岩层1，下方会有第二岩层4。在钻设抽采孔2时，通过第二岩层4向煤层3钻，且将抽采孔2打入到第一岩层1位置，实际抽采孔2是贯穿煤层3的。封孔器5设置在第二岩层4的位置。在向抽采孔2中灌入液氮过程中，灌入的液氮要足够量，且时间要足够，液氮进入到抽采孔2时，会大量吸热，对煤层3造成严重的冷冻，并致裂。同时由于煤层3中有水分，会有一个煤层致裂-水分渗入-水分冷冻成冰，这三步的过程。这个过程可以帮助煤层进一步出现裂隙。冷冻操作完成后，再向抽采孔2灌入相变材料，相变材料在抽采孔2内发生相变放热，由于煤层刚经过冷冻处理，在骤热的情况下，会进一步致裂，同时融化，并气化掉被冷冻的水分，解除水锁效应，使得煤层内冰所处的空间形成缝隙，作为瓦斯解离的通道，在持续加热的情况下，高温环境还会造成瓦斯的解离速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，其特征在于包括如下步骤：1)钻孔在煤层(3)中施工一个抽采孔(2)；2)建立抽采系统先将用于输入相变材料的钢管(6)伸入到所述抽采孔(2)内，然后将用于输入液氮的液氮管(7)伸入到抽采孔(2)内，再然后将瓦斯抽采管(8)伸入到所述抽采孔(2)的内部；在所述钢管(6)、液氮管(7)和瓦斯抽采管(8)连接完毕后，最后利用封孔器(5)对所述抽采孔(2)进行密封；3)煤层致裂打开液氮泵(13)，向所述抽采孔(2)内注入液氮，利用低温的液氮对煤层(3)进行冻结并致裂；4)加热煤层打开输送泵(9)和计量器(10)，利用所述输送泵(9)将所述储存仓(11)内的相变材料通过钢管(6)输入到所述抽采孔(2)内，相变材料在低温下发生相变，向外持续释放大量的热量，对所述煤层(3)进行加热；5)抽采瓦斯通过瓦斯抽采管(8)向外抽采瓦斯。

【技术特征摘要】
1.一种利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，其特征在于包括如下步骤：1)钻孔在煤层(3)中施工一个抽采孔(2)；2)建立抽采系统先将用于输入相变材料的钢管(6)伸入到所述抽采孔(2)内，然后将用于输入液氮的液氮管(7)伸入到抽采孔(2)内，再然后将瓦斯抽采管(8)伸入到所述抽采孔(2)的内部；在所述钢管(6)、液氮管(7)和瓦斯抽采管(8)连接完毕后，最后利用封孔器(5)对所述抽采孔(2)进行密封；3)煤层致裂打开液氮泵(13)，向所述抽采孔(2)内注入液氮，利用低温的液氮对煤层(3)进行冻结并致裂；4)加热煤层打开输送泵(9)和计量器(10)，利用所述输送泵(9)将所述储存仓(11)内的相变材料通过钢管(6)输入到所述抽采孔(2)内，相变材料在低温下发生相变，向外持续释放大量的热量，对所述煤层(3)进行加热；5)抽采瓦斯通过瓦斯抽采管(8)向外抽采瓦斯。2.如权利要求1所述的利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，其特征在于：在所述建立抽采系统步骤中，所述钢管(6)的内端靠近所述抽采孔(2)的底部。3.如权利要求2所述的利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，其特征在于：在所述建立抽采系统步骤中，所述液氮管(7)的内端距离所述抽采孔(2)的底部0.4m-0.6m。4.如权利要求1所述的利用相变材料辅助液氮致裂的瓦斯抽采方法，其特征在于：在所述建立抽采系统步骤中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳先锋，聂百胜，王泽鹏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50