本發(fā)明涉及煤及煤層氣開采技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及煤層增透技術(shù)。

背景技術(shù)：

煤礦是我國的主要能源來源，隨著煤炭的不斷開采利用，煤炭開采逐漸向深部發(fā)展。受地應(yīng)力、溫度等的影響，較深處煤層的滲透率降低，瓦斯不易排出，開采過程中極易因為瓦斯發(fā)生事故，因此，提高深處煤層滲透性預(yù)抽煤層瓦斯具有重要的安全意義。當(dāng)然，煤層氣具有可燃性，抽采煤層氣也具有積極的經(jīng)濟意義。

國內(nèi)學(xué)者一直致力于尋求多種煤層卸壓增透的技術(shù)方法，目前煤層泄壓增透措施主要有水力沖孔、水力割縫、開采層保護、松動爆破和控制爆破等，但是這些措施本身存在一定的缺陷。例如水力沖孔技術(shù)一般只能應(yīng)用煤層硬度f值小于0.5的軟煤層，適用性差、工藝復(fù)雜；水力割縫技術(shù)能提高瓦斯自然排放量，但是工作量大，保護距離短；松動爆破和控制爆破技術(shù)增透煤體產(chǎn)生的污染較大，并容易發(fā)生局部壓力過高或產(chǎn)生明火、在巷道瓦斯超限的情況下發(fā)生瓦斯爆炸事故，且松動爆破技術(shù)大多用于弱突出強度的硬煤層。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有增透措施的不足，提供一種向煤層循環(huán)注入熱水和液氮的增透系統(tǒng)，能夠同時通過多個鉆孔向煤層循環(huán)加注熱水和液氮，大幅提高煤層滲透性，便于抽采煤層瓦斯。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的向煤層循環(huán)注入熱水和液氮的增透系統(tǒng)包括熱水加注子系統(tǒng)、液氮加注子系統(tǒng)、兩位三通閥以及煤層加注子系統(tǒng)；

熱水加注子系統(tǒng)包括與熱水源相連接的熱水管路，以熱水的流動方向為前向，熱水管路上由后向前依次設(shè)有第一減壓閥、熱水箱和第一增壓泵；熱水管路的前端與兩位三通閥的第一接口相連通；

液氮加注子系統(tǒng)包括與液氮源相連接的液氮管路，以液氮的流動方向為前向，液氮管路上由后向前依次設(shè)有第二減壓閥、液氮箱和第二增壓泵；液氮管路的前端與兩位三通閥的第二接口相連通；液氮箱及液氮管路外分別設(shè)有保溫層；

煤層加注子系統(tǒng)包括與兩位三通閥的第三接口相連通的加注總管、多通管和若干鉆孔加注結(jié)構(gòu)，加注總管上設(shè)有壓力表；

多通管包括同中心線設(shè)置的內(nèi)管和外管，內(nèi)管和外管之間圍成截面呈環(huán)形的加注腔；外管連接有一個進液接口和若干出液接口，進液接口連接加注總管；各出液接口沿外管的周向均勻分布，各出液接口分別連接有加注連接管；

鉆孔加注結(jié)構(gòu)包括枝狀鉆孔，枝狀鉆孔連接有加注支管，加注支管與多通管的一個加注連接管通過管道接口相連通，枝狀鉆孔的孔口處設(shè)有封孔器；加注支管穿過封孔器且其末端開口于枝狀鉆孔的孔底處；封孔器上還穿設(shè)有排放管，排放管的內(nèi)端位于封孔器的鉆孔內(nèi)側(cè)且與封孔器相鄰，排放管的外端位于封孔器的鉆孔外側(cè)；枝狀鉆孔外的排放管上設(shè)有排放閥。

所述第一增壓泵與兩位三通閥之間的熱水管路上設(shè)有第一單向閥，所述第一增壓泵與兩位三通閥之間的液氮管路上設(shè)有第二單向閥。

所述第一減壓閥、熱水箱、第一增壓泵、第二減壓閥、液氮箱、第二增壓泵、所述兩位三通閥、多通管和鉆孔加注結(jié)構(gòu)均位于底板巷內(nèi)。

本發(fā)明的目的還在于提供一種使用上述增透系統(tǒng)的增透方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的使用上述向煤層循環(huán)注入熱水和液氮的增透系統(tǒng)的增透方法依次按以下步驟進行：

第一步驟是準(zhǔn)備步驟，包括打孔和連接操作；打孔操作是指在井下工作面鉆好枝狀鉆孔；連接操作是通過熱水管路將熱水加注子系統(tǒng)各裝置連接起來，通過液氮管路將液氮加注子系統(tǒng)各部件連接起來，連接鉆孔加注結(jié)構(gòu)和多通管；通過兩位三通閥將熱水加注子系統(tǒng)、液氮加注子系統(tǒng)和煤層加注子系統(tǒng)連接起來；關(guān)閉兩位三通閥、第一減壓閥、第二減壓閥和排放閥；

第二步驟是熱水箱和液氮箱注液操作；打開第一減壓閥，通過熱水管路將熱水源提供的熱水注入熱水箱，同時打開第二減壓閥，通過液氮管路將液氮源提供的液氮注入液氮箱；

第三步驟是注熱水作業(yè)；先使兩位三通閥的第一接口和第三接口相連通，再啟動第一增壓泵，將熱水箱中的熱水泵送至多通管，熱水由多通管的各個出液接口進入各加注支管進而進入各枝狀鉆孔；持續(xù)向各枝狀鉆孔中注入熱水，壓力表的示數(shù)達到預(yù)定壓力值后保持預(yù)定壓力10分鐘以上，預(yù)定壓力5mpa以上；

第四步驟是排水步驟；關(guān)閉第一增壓泵，打開排放閥，將枝狀鉆孔內(nèi)的水排出，然后關(guān)閉排放閥；

第五步驟是注液氮作業(yè)；先使兩位三通閥的第二接口和第三接口相連通，再啟動第二增壓泵，將液氮箱中的液氮泵送至多通管，液氮由多通管的各個出液接口進入各加注支管進而進入各枝狀鉆孔；持續(xù)向各枝狀鉆孔中注入液氮，壓力表的示數(shù)達到預(yù)定壓力值后保持預(yù)定壓力10分鐘以上，預(yù)定壓力5mpa以上；

第六步驟是排氣步驟；液氮在枝狀鉆孔處氣化，關(guān)閉第二增壓泵，打開排放閥，將枝狀鉆孔內(nèi)的低溫氣體排出，然后關(guān)閉排放閥；

循環(huán)執(zhí)行第三步驟至第六步驟，直至達到預(yù)定的增透范圍和增透效果。

還包括有第七步驟即瓦斯抽采步驟，本步驟是將排放管與外置的瓦斯抽采系統(tǒng)相連接，對煤層內(nèi)的瓦斯氣體進行抽采作業(yè)。

本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：

本發(fā)明能夠利用液氮加注子系統(tǒng)和熱水加注子系統(tǒng)，通過鉆孔循環(huán)將熱水和液氮注入煤層，對煤體產(chǎn)生溫度沖擊。高溫和低溫均對煤巖體孔隙結(jié)構(gòu)有一定的損傷結(jié)構(gòu)。煤層注水后再注液氮，會導(dǎo)致煤層中的水迅速結(jié)冰膨脹，水體膨脹大大擴大了煤體損傷，產(chǎn)生更好的增透效果。液氮氣化時也會使煤體處壓力劇增，進一步擴大煤體損傷。由于煤體損傷擴大，因此再次向煤層注入熱水后，水能夠在更大范圍內(nèi)滲入煤體，并在下一輪冷凍膨脹時再次迅速擴大煤體損傷。如此循環(huán)注熱水和液氮，能夠產(chǎn)生比單純注熱水和液氮效果好得多的增透效果，煤體的增透范圍也較單純注熱水或液氮得到大幅度提高。

本發(fā)明的增透系統(tǒng)和增透方法能夠大幅提高深處煤層的滲透性，便于瓦斯預(yù)抽采，對于減少瓦斯事故和煤層氣增產(chǎn)具有重大意義。

液氮化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，原材料（利用大氣即可制備）極多，容易制備，價格低廉；礦區(qū)的洗浴中心以及職工餐廳原有鍋爐均作為熱水源提供熱水，便于提高現(xiàn)有設(shè)備的利用率，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是多通管的截面示意圖；

圖3是熱水管路和液氮管路通入井下的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3中a處的放大圖。

具體實施方式

如圖1至圖4所示，本發(fā)明的向煤層循環(huán)注入熱水和液氮的增透系統(tǒng)包括熱水加注子系統(tǒng)、液氮加注子系統(tǒng)、兩位三通閥25以及煤層加注子系統(tǒng)；

熱水加注子系統(tǒng)包括與熱水源14相連接的熱水管路15，以熱水的流動方向為前向，熱水管路15上由后向前依次設(shè)有第一減壓閥17、熱水箱19和第一增壓泵21；熱水管路15的前端與兩位三通閥25的第一接口26相連通；

液氮加注子系統(tǒng)包括與液氮源13相連接的液氮管路16，以液氮的流動方向為前向，液氮管路16上由后向前依次設(shè)有第二減壓閥18、液氮箱20、和第二增壓泵22；液氮管路16的前端與兩位三通閥25的第二接口27相連通；液氮箱20及液氮管路16外分別設(shè)有保溫層；在箱體外和管路外設(shè)置保溫層為常規(guī)技術(shù)，圖未示保溫層。

煤層加注子系統(tǒng)包括與兩位三通閥25的第三接口28相連通的加注總管37、多通管42和若干鉆孔加注結(jié)構(gòu)，加注總管37上設(shè)有壓力表29；

多通管42包括同中心線設(shè)置的內(nèi)管33和外管34，內(nèi)管33和外管34之間圍成截面呈環(huán)形的加注腔32；外管34連接有一個進液接口51和若干出液接口52，進液接口51連接加注總管37；各出液接口52沿外管34的周向均勻分布，從而使各枝狀鉆孔的熱水和氮氣的加注量更加均勻，增透效果較為一致。各出液接口52分別連接有加注連接管47；

鉆孔加注結(jié)構(gòu)包括枝狀鉆孔41，枝狀鉆孔41連接有加注支管43，加注支管43與多通管42的一個加注連接管47通過管道接口30相連通，枝狀鉆孔41的孔口處設(shè)有封孔器45；加注支管43穿過封孔器45且其末端開口于枝狀鉆孔41的主孔底處；封孔器45上還穿設(shè)有排放管44，排放管44的內(nèi)端位于封孔器45的鉆孔內(nèi)側(cè)且與封孔器45相鄰，排放管44的外端位于封孔器45的鉆孔外側(cè)；枝狀鉆孔41外的排放管44上設(shè)有排放閥46。管道接口30可以采用法蘭等常用的管道連接結(jié)構(gòu)。管道接口30的設(shè)置，便于鉆孔施工以及管路連接，便于將多通管42的加注連接管47延長至枝狀鉆孔41處，對枝狀鉆孔41進行加注作業(yè)。

多通管42結(jié)構(gòu)簡單，便于同時向多個枝狀鉆孔41進行循環(huán)加注熱水和液氮，進行增透作業(yè)。

所述熱水源14為熱水鍋爐，所述液氮源13為液氮罐或液氮制作車間。

所述第一增壓泵21與兩位三通閥25之間的熱水管路15上設(shè)有第一單向閥23，所述第一增壓泵21與兩位三通閥25之間的液氮管路16上設(shè)有第二單向閥24。第一單向閥23和第二單向閥24能夠防止煤層處的氣體壓力大于熱水或液氮的壓力時發(fā)生倒流現(xiàn)象，尤其是在液氮氣化、枝狀鉆孔41內(nèi)壓力劇增時防止發(fā)生倒流現(xiàn)象。

所述熱水管路15和液氮管路16沿水平運輸大巷3、軌道上（下）山4和聯(lián)絡(luò)巷10延伸至工作面8的底板巷11內(nèi)；所述第一減壓閥、熱水箱、第一增壓泵、第二減壓閥、液氮箱、第二增壓泵、所述兩位三通閥25、多通管42和鉆孔加注結(jié)構(gòu)均位于底板巷11內(nèi)。這種設(shè)置便于現(xiàn)有安裝布置本發(fā)明。

其中，熱水源14優(yōu)選采用燃煤熱水鍋爐，可以就地利用煤碳資源生產(chǎn)熱水。封孔器45、液氮箱20、單向閥、兩位三通閥25和增壓泵等等部件均為現(xiàn)有常規(guī)裝置，具體結(jié)構(gòu)不再詳述。

圖3中，標(biāo)號1為主井，標(biāo)號2為副井，標(biāo)號3為水平運輸大巷，標(biāo)號4為軌道上（下）山；標(biāo)號5為運輸上（下）山；標(biāo)號6為回風(fēng)巷；標(biāo)號7為運輸順槽；標(biāo)號8為工作面；標(biāo)號9為回風(fēng)順槽；標(biāo)號10為聯(lián)絡(luò)巷；標(biāo)號11為底板巷；標(biāo)號12為回風(fēng)井。

圖1中，標(biāo)號38為煤層，標(biāo)號39為煤層頂板，標(biāo)號40為煤層底板。

本發(fā)明還公開了使用上述向煤層循環(huán)注入熱水和液氮的增透系統(tǒng)的增透方法，依次按以下步驟進行：

第一步驟是準(zhǔn)備步驟，包括打孔和連接操作；打孔操作是指在井下工作面8鉆好枝狀鉆孔41；連接操作是通過熱水管路15將熱水加注子系統(tǒng)各裝置連接起來，通過液氮管路16將液氮加注子系統(tǒng)各部件連接起來，連接鉆孔加注結(jié)構(gòu)和多通管42；通過兩位三通閥25將熱水加注子系統(tǒng)、液氮加注子系統(tǒng)和煤層加注子系統(tǒng)連接起來；關(guān)閉兩位三通閥25、第一減壓閥17、第二減壓閥18和排放閥46；

第二步驟是熱水箱19和液氮箱20注液操作；打開第一減壓閥17，通過熱水管路15將熱水源14提供的熱水注入熱水箱19，同時打開第二減壓閥18，通過液氮管路16將液氮源13提供的液氮注入液氮箱20；

第三步驟是注熱水作業(yè)；先使兩位三通閥25的第一接口26和第三接口28相連通，再啟動第一增壓泵21，將熱水箱19中的熱水泵送至多通管42，熱水由多通管42的各個出液接口52進入各加注支管43進而進入各枝狀鉆孔41；持續(xù)向各枝狀鉆孔41中注入熱水，壓力表29的示數(shù)達到預(yù)定壓力值后保持預(yù)定壓力10分鐘以上，預(yù)定壓力5mpa以上；

第四步驟是排水步驟；關(guān)閉第一增壓泵21，緩慢打開排放閥46，將枝狀鉆孔41內(nèi)的水排出，然后關(guān)閉排放閥46；

第五步驟是注液氮作業(yè)；先使兩位三通閥25的第二接口27和第三接口28相連通，再啟動第二增壓泵22，將液氮箱20中的液氮泵送至多通管42，液氮由多通管42的各個出液接口52進入各加注支管43進而進入各枝狀鉆孔41；持續(xù)向各枝狀鉆孔41中注入液氮，壓力表29的示數(shù)達到預(yù)定壓力值后保持預(yù)定壓力10分鐘以上，預(yù)定壓力5mpa以上；保持壓力和時間可根據(jù)鉆孔增透半徑設(shè)定。

第六步驟是排氣步驟；液氮在枝狀鉆孔41處氣化，關(guān)閉第二增壓泵22，緩慢打開排放閥46，將枝狀鉆孔41內(nèi)的低溫氣體排出，然后關(guān)閉排放閥46；

循環(huán)執(zhí)行第三步驟至第六步驟，直至達到預(yù)定的增透范圍和增透效果。

還包括有第七步驟即瓦斯抽采步驟，本步驟是將排放管44與外置的瓦斯抽采系統(tǒng)相連接，對煤層內(nèi)的瓦斯氣體進行抽采作業(yè)。瓦斯抽采系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，具體結(jié)構(gòu)不再詳述，圖未示。

以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。