本發(fā)明涉及一種基于氣相壓裂技術(shù)的消除瓦斯突出裝置及方法，屬于煤礦安全和消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在煤礦開采過(guò)程中，瓦斯是安全生產(chǎn)的最大威脅，目前，煤與瓦斯突出機(jī)理尚不清楚，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作難以滿足煤礦安全生產(chǎn)要求，消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證。我國(guó)煤層地質(zhì)開采條件復(fù)雜，具有強(qiáng)度低、透氣性差等特點(diǎn)。隨著煤礦開采強(qiáng)度和深度的不斷增加，消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性工作愈發(fā)棘手。

傳統(tǒng)消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的方法存在很多缺點(diǎn)及弊病，如密集鉆孔卸壓技術(shù)，雖然可以緩解突出危險(xiǎn)性，但密集鉆孔打鉆過(guò)程本身就存在突出危險(xiǎn)性；炸藥爆破卸壓技術(shù)適應(yīng)條件受限，操作工藝復(fù)雜，且安全系數(shù)低，不能排除啞炮的可能，爆破產(chǎn)生的熱量，容易引燃引爆煤體中貯存的瓦斯，在高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井中是禁用的。

因此，現(xiàn)有技術(shù)有待進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于氣相壓裂技術(shù)的消除瓦斯突出裝置及方法，能有效地緩解或消除掘進(jìn)巷道、石門揭煤、井筒揭煤及工作面回采過(guò)程中發(fā)生的煤與瓦斯突出現(xiàn)象。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是按照以下技術(shù)方案實(shí)施的：

一種基于氣相壓裂技術(shù)的消除瓦斯突出裝置，包括儲(chǔ)液管、加熱器、充氣閥及控壓泄流裝置，其中儲(chǔ)液管一端與充氣閥連接，并構(gòu)成密閉的腔體結(jié)構(gòu)，加熱器通過(guò)懸掛方式置于儲(chǔ)液管內(nèi)充氣閥一側(cè)，加熱器直徑不大于儲(chǔ)液管有效直徑的2/3，加熱器、充氣閥均與儲(chǔ)液管同軸分布，液態(tài)二氧化碳通過(guò)充氣閥充裝到儲(chǔ)液管內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述的儲(chǔ)液管側(cè)壁上均布若干射流孔，且所述的射流孔孔徑與儲(chǔ)液管最小內(nèi)徑比為1:100—1000，且射流孔總面積不小于儲(chǔ)液管表面積的1/50。

進(jìn)一步的，所述的射流孔為盲孔及透孔中的任意一種，且當(dāng)射流孔為盲孔時(shí)，射流孔對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)液管壁厚為儲(chǔ)液管正常壁厚的1/5—4/5；當(dāng)射流孔為透孔時(shí)，射流孔與儲(chǔ)液管間放置控壓裝置，控制射流壓力在40-400MPa。

一種基于氣相壓裂技術(shù)的消除瓦斯突出方法，包括：

第一步，確定儲(chǔ)液管有效容積，根據(jù)氣相壓裂作業(yè)鉆孔有效容積確定儲(chǔ)液管的有效容積，其中儲(chǔ)液管的有效容積為為1:1.1—10，然后將加熱器安裝到儲(chǔ)液管內(nèi)，其中加熱器驅(qū)動(dòng)電壓不低于9V，發(fā)熱量不低于5KJ/g；

第二步，儲(chǔ)液管定位，將至少一個(gè)儲(chǔ)液管放置到氣相壓裂作業(yè)鉆孔內(nèi)，并與氣相壓裂作業(yè)鉆孔通過(guò)封孔裝置形成密閉壓裂空間，儲(chǔ)液管直徑與氣相壓裂作業(yè)鉆孔直徑的比例不小于1.1；

第三步，液態(tài)二氧化碳充裝，將液態(tài)二氧化碳通過(guò)充氣閥充裝到儲(chǔ)液管中，液態(tài)二氧化碳充裝效率為0.5-5Kg/min，且充裝后，液態(tài)二氧化碳溫度不高于31.4℃，壓力不低于7.8MPa，加熱器與液態(tài)二氧化碳體積比為1:3—20；根據(jù)氣相壓裂裝置的不同類型，可以適時(shí)調(diào)整液態(tài)二氧化碳充裝作業(yè)與儲(chǔ)液管定位步驟順序；

第四步，起爆：通過(guò)控制裝置向加熱器輸入驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，使加熱器升溫，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液態(tài)二氧化碳?xì)饣?，且液態(tài)二氧化碳?xì)饣瘯r(shí)間為10—80ms，氣化溫度不低于31.4℃，完全氣化后氣態(tài)二氧化碳溫度為40℃—150℃，液態(tài)二氧化碳?xì)饣暗捏w積與完全氣化后的二氧化碳體積比為1:500—800，完全氣化后的二氧化碳?xì)怏w通過(guò)儲(chǔ)液管的射流孔噴向氣相壓裂作業(yè)鉆孔并對(duì)氣相壓裂作業(yè)鉆孔壁施加壓力，且每個(gè)射流孔的氣態(tài)二氧化碳?jí)毫?0-300MPa，并在1-30s時(shí)間內(nèi)完成二氧化碳?xì)怏w噴射；

第五步，設(shè)備拆除，完成起爆后，對(duì)氣相壓裂作業(yè)鉆孔進(jìn)行相應(yīng)的固定強(qiáng)化作業(yè)后，將剩余的儲(chǔ)液管、加熱器、充氣閥從氣相壓裂作業(yè)鉆孔中拆除即可。

進(jìn)一步的，所述的第二步中儲(chǔ)液管放置時(shí)，若儲(chǔ)液管為兩個(gè)或連個(gè)以上時(shí)，則各儲(chǔ)液管均同軸分布，相鄰的兩儲(chǔ)液管間通過(guò)萬(wàn)向軸連接。

進(jìn)一步的，所述的第二步中儲(chǔ)液管放置時(shí)，可向氣相壓裂作業(yè)鉆孔內(nèi)注入氣體或水。

本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方法安全性高且靈活方便，且使用成本低廉，物料回收利用率高，一方面可有效的提高對(duì)煤層實(shí)施氣相壓裂作業(yè)的工作效率和氣相壓裂工作的質(zhì)量，另一方面可有效的避免傳統(tǒng)氣相壓裂設(shè)備工作過(guò)程中易引發(fā)的明火、控制精度差等危險(xiǎn)情況發(fā)生，從而有效的提高氣相壓裂作業(yè)的工作安全性。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2為本發(fā)明的工作狀態(tài)示意圖;

圖3為本發(fā)明實(shí)施方法工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1和2所示，一種基于液態(tài)二氧化碳?xì)庀鄩毫蜒b置，包括充氣閥1、儲(chǔ)液管2、加熱器3、射流孔4及液態(tài)二氧化碳5，其中儲(chǔ)液管2一端與充氣閥1連接，并構(gòu)成密閉的腔體結(jié)構(gòu)，加熱器3嵌于儲(chǔ)液管2內(nèi)且位于充氣閥1一側(cè)，加熱器3直徑不大于儲(chǔ)液管2有效直徑的2/3，加熱器3、充氣閥1均與儲(chǔ)液管2同軸分布，液態(tài)二氧化碳5通過(guò)充氣閥1充裝到儲(chǔ)液管內(nèi)。

本實(shí)施例中，所述的儲(chǔ)液管2側(cè)壁上均布若干射流孔4，且所述的射流孔4孔徑與儲(chǔ)液管2最小內(nèi)徑比為1:100—1000，且射流孔4總面積不小于儲(chǔ)液管表面積的1/50。

本實(shí)施例中，所述的射流孔4為盲孔及透孔中的任意一種，且當(dāng)射流孔4為盲孔時(shí)，射流孔4對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)液管2壁厚為儲(chǔ)液管正常壁厚的1/5—4/5；當(dāng)射流孔4為透孔時(shí)，射流孔4與儲(chǔ)液管2間放置控壓裝置，控制射流壓力在40-400MPa。

如圖3所示，一種基于氣相壓裂的技術(shù)工藝，包括：

第一步，確定儲(chǔ)液管有效容積，根據(jù)氣相壓裂作業(yè)鉆孔有效容積確定儲(chǔ)液管2的有效容積，其中儲(chǔ)液管2的有效容積為為1:1.1—10，然后將加熱器3安裝到儲(chǔ)液管2內(nèi)，其中加熱器3驅(qū)動(dòng)電壓不低于9V，發(fā)熱量不低于5KJ/g；

第二步，儲(chǔ)液管定位，將至少一個(gè)儲(chǔ)液管2放置到氣相壓裂作業(yè)鉆孔內(nèi)，并與氣相壓裂作業(yè)鉆孔通過(guò)封孔裝置形成密閉壓裂空間，儲(chǔ)液管2直徑與氣相壓裂作業(yè)鉆孔直徑的比例不小于1.1；

第三步，液態(tài)二氧化碳充裝，將液態(tài)二氧化碳5通過(guò)充氣閥1充裝到儲(chǔ)液管2中，液態(tài)二氧化碳5充裝效率為0.5-5Kg/min，且充裝后，液態(tài)二氧化碳5溫度不高于31.4℃，壓力不低于7.8MPa，加熱器3與液態(tài)二氧化碳5體積比為1：3—20；根據(jù)氣相壓裂裝置的不同類型，可以適時(shí)調(diào)整液態(tài)二氧化碳5充裝作業(yè)與儲(chǔ)液管定位步驟順序；

第四步，起爆：通過(guò)控制裝置向加熱器3輸入驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，使加熱器3升溫，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液態(tài)二氧化碳5氣化，且液態(tài)二氧化碳5氣化時(shí)間為10—80ms，氣化溫度不低于31.4℃，完全氣化后氣態(tài)二氧化碳溫度為40℃—150℃，液態(tài)二氧化碳5氣化前的體積與完全氣化后的二氧化碳體積比為1：500—800，完全氣化后的二氧化碳?xì)怏w通過(guò)儲(chǔ)液管的射流孔4噴向氣相壓裂作業(yè)鉆孔并對(duì)氣相壓裂作業(yè)鉆孔壁施加壓力，且每個(gè)射流孔4的氣態(tài)二氧化碳?jí)毫?0-300MPa，并在1-30s時(shí)間內(nèi)完成二氧化碳?xì)怏w噴射；

第五步，設(shè)備拆除，完成起爆后，對(duì)氣相壓裂作業(yè)鉆孔進(jìn)行相應(yīng)的固定強(qiáng)化作業(yè)后，將剩余的儲(chǔ)液管2、加熱器3、充氣閥1從氣相壓裂作業(yè)鉆孔中拆除即可。

本實(shí)施例中，所述的第二步中儲(chǔ)液管2放置時(shí)，若儲(chǔ)液管2為兩個(gè)或連個(gè)以上時(shí)，則各儲(chǔ)液管2均同軸分布，相鄰的兩儲(chǔ)液管間通過(guò)萬(wàn)向軸連接。

本實(shí)施例中，所述的第二步中儲(chǔ)液管2放置時(shí)，可向氣相壓裂作業(yè)鉆孔內(nèi)注入氣體或水。

本發(fā)明還提供了一種使用所述技術(shù)工藝消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的方法，其包括以下步驟：

確定作業(yè)區(qū)域煤體瓦斯參數(shù)、力學(xué)參數(shù)，然后確定液態(tài)二氧化碳充裝量與加熱器參數(shù)，按照所述技術(shù)工藝方法，將氣相壓裂裝置放置于鉆空中，通過(guò)控制信號(hào)引爆氣相壓裂裝置，使二氧化碳?xì)怏w沿射流孔迅速噴出，作用于氣相壓裂鉆孔壁6。

本發(fā)明是一種相對(duì)緩慢的、膨脹的、擴(kuò)散且有剪切效果的過(guò)程，高壓氣體從射流孔噴出后作用于煤層，在煤層中形成大量人工裂縫和同時(shí)開啟煤層原始天然裂縫，在氣相壓裂鉆孔周圍形成裂隙卸壓圈。裂隙卸壓圈內(nèi)煤層原有地應(yīng)力集中狀態(tài)得以均化，應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移；大量二氧化碳?xì)怏w向煤層深部擴(kuò)散，利用二氧化碳與煤層的強(qiáng)吸附效果，可以加速瓦斯在煤層中的解吸-擴(kuò)散-滲流過(guò)程，引導(dǎo)瓦斯快速排出煤層，將低煤層中瓦斯壓力梯度，均化瓦斯壓力場(chǎng)，最終緩解或消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，防止煤與瓦斯突出。

本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方法安全性高且靈活方便，且使用成本低廉，物料回收利用率高，一方面可有效的提高對(duì)煤層實(shí)施氣相壓裂作業(yè)的工作效率和氣相壓裂工作的質(zhì)量，另一方面可有效的避免傳統(tǒng)氣相壓裂設(shè)備工作過(guò)程中易引發(fā)的明火、控制精度差等危險(xiǎn)情況發(fā)生，從而有效的提高氣相壓裂作業(yè)的工作安全性。

本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。