本發(fā)明屬于煤礦井下瓦斯抽采，具體涉及用于順層鉆孔注氣驅(qū)替增流的瓦斯抽采系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、目前，煤礦區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)是治理煤層瓦斯災(zāi)害的主要途徑，抽采煤層中賦存的瓦斯能夠較好地解決瓦斯異常涌出、煤與瓦斯突出等問題，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，煤層透氣性差是制約瓦斯抽出效果的主要原因。通過水力致裂、水力割縫等能夠解決煤層透氣性低的問題，但由于不同礦井煤層賦存條件差異較大，抽采過程中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問題。且瓦斯抽采是否達(dá)標(biāo)，必須經(jīng)過嚴(yán)格準(zhǔn)確的測(cè)量。由于抽采的煤層瓦斯氣流中往往含有一定的水分、煤粉等物質(zhì)，都存在加大管網(wǎng)阻力、增大誤差的問題。

2、我國(guó)井下強(qiáng)化預(yù)抽煤層瓦斯氣體多采用注氣驅(qū)替煤層瓦斯技術(shù)，改善煤層透氣性，達(dá)到強(qiáng)化促抽的目的。井下壓風(fēng)系統(tǒng)，使得獲取井下壓縮空氣更為便利，但目前尚未有系統(tǒng)性的注氣、抽采連接系統(tǒng)形成煤層順層鉆孔注氣驅(qū)替增流抽采瓦斯完整技術(shù)體系，使得煤層瓦斯抽采效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種用于順層鉆孔注氣驅(qū)替增流的瓦斯抽采系統(tǒng)及方法；形成煤層順層鉆孔注氣驅(qū)替增流抽采瓦斯完整技術(shù)體系，有效解決現(xiàn)有煤層瓦斯抽采效率低下的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：用于順層鉆孔注氣驅(qū)替增流的瓦斯抽采系統(tǒng)，包括一套注氣裝置3和位于注氣裝置3左右兩側(cè)的兩套抽采裝置，每套抽采裝置均包括過濾裝置4和瓦斯計(jì)量裝置5，注氣裝置3的注氣口與伸入到煤層55內(nèi)的注氣孔封孔管33連接，注氣裝置3的進(jìn)氣口與煤礦井下的注氣干管1連接，過濾裝置4的進(jìn)氣口與伸入到煤層55內(nèi)的抽采孔封孔管27連接，過濾裝置4的出氣口與瓦斯計(jì)量裝置5進(jìn)氣口連接，兩個(gè)瓦斯計(jì)量裝置5的出氣口與煤礦井下巷道內(nèi)的抽采干管2連接。

3、過濾裝置4包括過濾器15、密封水箱17、水箱進(jìn)氣管19和水箱出氣管20，過濾器15進(jìn)口與抽采孔封孔管27出口連接，水箱進(jìn)氣管19的進(jìn)口與過濾器15出口連接，過濾器15上設(shè)有放氣閥16，密封水箱17底部設(shè)有放水閥18。

4、瓦斯計(jì)量裝置5包括多參數(shù)瓦斯計(jì)量?jī)x23、第一管道40、第二管道28和煤氣表26，多參數(shù)瓦斯計(jì)量?jī)x23的進(jìn)口端與水箱出氣管20連接，多參數(shù)瓦斯計(jì)量?jī)x23的出口端與第一管道40一端連接，煤氣表26的進(jìn)氣口與第一管道40另一端連接，煤氣表26出氣口與第二管道28的一端連接，第二管道28的另一端與抽采干管2連接；過濾裝置4、瓦斯計(jì)量裝置5接入抽采孔封孔管27與抽采干管2之間，再抽采干管2負(fù)壓作用下，將煤層內(nèi)的氣體抽出依次進(jìn)行過濾、水氣分離和計(jì)量形成抽采回路。

5、注氣裝置3包括注氣導(dǎo)流管12、增壓泵8、快速接頭6和第三管道25，快速接頭6的上端連接注氣孔封孔管33，快速接頭6的下端連接第三管道25一端；增壓泵8的進(jìn)氣端與注氣導(dǎo)流管12一端連接，注氣導(dǎo)流管12另一端與注氣干管1連接，增壓泵8的出氣端連接第三管道25另一端；注氣裝置3接入注氣干管1與注氣孔封孔管33之間，增壓泵8對(duì)注氣干管1內(nèi)正壓氣流進(jìn)一步增壓后通過快速接頭、注氣孔封孔管33注入到煤層內(nèi)部形成密封回路。

6、用于順層鉆孔注氣驅(qū)替增流的瓦斯抽采系統(tǒng)的抽采方法，包括以下步驟：

7、a、對(duì)預(yù)抽采煤層進(jìn)行瓦斯地質(zhì)網(wǎng)格精細(xì)化劃分，確定煤層瓦斯賦存情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探情況確定煤層厚度、層位起伏及瓦斯含量。在預(yù)抽采區(qū)域，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t-42638-2023要求施工鉆孔，確定順層抽采鉆孔數(shù)量、間距、孔深、封孔深度，鉆孔孔徑、長(zhǎng)度應(yīng)與礦井日常抽采鉆孔一致；

8、b、在鉆孔施工完成后，在一個(gè)注氣鉆孔內(nèi)安裝注氣孔封孔管33，在與該注氣鉆孔相鄰的兩個(gè)抽采鉆孔內(nèi)安裝抽采孔封孔管27，測(cè)量注氣鉆孔分別與其相鄰兩個(gè)抽采鉆孔的間距d1、d2；安裝連接所述的瓦斯抽采系統(tǒng)，打開過濾裝置4和瓦斯計(jì)量裝置5，利用煤礦井下巷道內(nèi)的抽采干管2對(duì)抽采鉆孔瓦斯進(jìn)行采前負(fù)壓預(yù)抽，并記錄抽采負(fù)壓p，預(yù)抽采時(shí)間根據(jù)礦區(qū)瓦斯地質(zhì)特征決定；

9、d1、d2為注氣鉆孔與其相鄰兩個(gè)抽采鉆孔的孔壁之間的最小距離，該距離為壓裂增透與注氣驅(qū)替的實(shí)際有效距離，若記錄鉆孔的孔心間距會(huì)導(dǎo)致粗大誤差；

10、c、利用瓦斯計(jì)量裝置5實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測(cè)到抽采鉆孔瓦斯抽采混合流量五天內(nèi)沒有較大波動(dòng)變化幅度小于10％，即完成順層鉆孔預(yù)抽工作；

11、d、啟動(dòng)注氣裝置3，增壓泵8在注氣壓力p0條件下進(jìn)行6h的注氣試驗(yàn)，注氣初期隨著注氣氣源壓縮空氣不斷驅(qū)替煤層瓦斯，抽采鉆孔瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量將逐漸降低；同時(shí)利用所述的瓦斯抽采系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注氣鉆孔內(nèi)的壓力和持續(xù)注氣時(shí)間，及其抽采鉆孔的單孔負(fù)壓、混合流量和瓦斯?jié)舛龋?/p>

12、e、對(duì)順層注氣鉆孔在6h的注氣試驗(yàn)內(nèi)，對(duì)氣驅(qū)效果進(jìn)行評(píng)估；

13、f、當(dāng)順層注氣鉆孔在6h的注氣試驗(yàn)后，根據(jù)評(píng)估結(jié)果，采用相應(yīng)的注氣方式進(jìn)行注氣作業(yè)；

14、g、判定是否串孔，并進(jìn)行相應(yīng)處理；

15、h、對(duì)煤層的壓裂增透和注氣驅(qū)替后，將順層注氣孔的注氣裝置3更換為過濾裝置4與瓦斯計(jì)量裝置5，接入煤礦井下巷道內(nèi)的抽采干管2，同時(shí)對(duì)順層注氣孔和抽采孔進(jìn)行瓦斯抽采，即實(shí)施先注后抽模式。

16、步驟d中注氣壓力p0的最優(yōu)選擇采用以下方式：

17、打開注氣裝置3管路上的閥門，調(diào)節(jié)增壓泵8注氣壓力為p0，向順層注氣鉆孔注入壓縮空氣，同時(shí)啟動(dòng)兩套抽采裝置，從順層抽采鉆孔回抽，即實(shí)施長(zhǎng)注短抽模式；

18、氣體擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)符合fick定律，所以在孔隙系統(tǒng)中，ch4、空氣滿足擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方程：

19、

20、式中：c1、c2分別表示煤層吸附狀態(tài)的ch4、空氣的擴(kuò)散質(zhì)量濃度，q1、q2分別為ch4、空氣的質(zhì)量源，d1、d2分別為ch4、空氣的擴(kuò)散系數(shù)。

21、煤對(duì)多元?dú)怏w的吸附量，可通過吸附平衡理論來進(jìn)行計(jì)算，由廣義langmuir方程進(jìn)行表示：煤表面吸附狀態(tài)的ch4和空氣與裂隙系統(tǒng)游離狀態(tài)的ch4和空氣之間的質(zhì)量關(guān)系為：

22、

23、式中，τ為吸附時(shí)間常數(shù)；ρc為煤體密度；ρ1、ρ2分別為標(biāo)準(zhǔn)條件下ch4、空氣的氣體組分密度；a1、a2分別為ch4、空氣在單獨(dú)吸附時(shí)其極限吸附量；b1、b2分別為ch4、空氣的吸附平衡常數(shù)；p1、p2分別為ch4、空氣的平衡分壓力；

24、將多元?dú)怏w吸附平衡方程，滲流速度方程，氣體狀態(tài)、質(zhì)量交換方程，代入裂隙中氣體滲流方程中，可得耦合方程組為：

25、

26、式中，φ為孔隙率；a1、a2分別為氣體成分ch4、空氣的摩爾質(zhì)量；b1、b2分別為氣體成分ch4、空氣的氣體常數(shù)；t為氣體溫度；k為煤體滲透率；μ1、μ2分別為氣體成分ch4、空氣的動(dòng)力黏性系數(shù)；p為總壓力；

27、由上述三式可得，注氣驅(qū)替瓦斯抽采效果主要受注入氣體流量、注氣壓力以及注氣溫度影響，初始注入量較大，且注氣壓力越高，注入空氣的流量越大。由于注氣前煤層自由空間氣體大量排出，自由空間壓力較低，空氣注入后迅速充填這些自由空間，并且煤層內(nèi)的壓力迅速上升。因此，在空氣注入的初期，抽采的瓦斯混合流量較大；

28、為確定注氣壓力對(duì)氣驅(qū)增流抽采效果影響，通過建立不同注氣壓力條件下數(shù)值模型進(jìn)行仿真分析，設(shè)定抽采負(fù)壓為20kpa，注氣-抽采孔間距為1.5m，注氣壓力分別設(shè)定為0.3mpa、0.5mpa和1mpa；模擬計(jì)算得到的注氣壓力在0.3mpa、0.5mpa、和1.0mpa條件下，注氣壓力越大，注氣驅(qū)替增流效果越顯著；但大于0.5mpa以上氣驅(qū)效果提升幅度越小，且煤層承載最大注氣壓力有限，易造成瓦斯溢出安全事故，因此注氣壓力p0最優(yōu)選擇0.5mpa。

29、步驟e的具體過程為：

30、對(duì)于所記錄的兩個(gè)抽采鉆孔瓦斯抽采混合流量均高于設(shè)定第一閾值(表明煤層混合流量變化不大)，且煤層瓦斯?jié)舛染陀谠O(shè)定的第二閾值(表明煤層瓦斯?jié)舛茸兓淮?，判定注氣壓力p0、孔間距d1、孔間距d2、單孔抽采負(fù)壓p條件下，該方案對(duì)煤層的壓裂增透和注氣驅(qū)替效果顯著；

31、第一閾值為瓦斯混合流量初始值的400％；混合流量指注氣前抽采孔包含ch4、co混合氣體的流量；第二閾值為瓦斯?jié)舛瘸椴沙跏贾档?0％；瓦斯?jié)舛瘸椴沙跏贾凳侵竼我回?fù)壓抽采初期，對(duì)該組所有順層抽采鉆孔瓦斯?jié)舛冗B續(xù)監(jiān)測(cè)3次均保持穩(wěn)定時(shí)所記錄的數(shù)據(jù)；

32、注氣孔41與抽采孔42之間的煤層存在孔隙系統(tǒng)44與裂隙系統(tǒng)43；在注氣ⅰ階段由注氣孔41向煤體中注入壓縮空氣46，一定程度上提高煤體孔隙率、滲透率，進(jìn)而有利于煤中瓦斯氣體45運(yùn)移；

33、進(jìn)入注氣ⅱ階段，由于煤體裂隙通道中游離態(tài)瓦斯被注入氣體稀釋后，瓦斯?jié)舛却蠓陆?，孔隙系統(tǒng)44內(nèi)吸附態(tài)瓦斯開始向外擴(kuò)散，加上壓縮空氣46的膨脹擠壓，導(dǎo)致裂隙系統(tǒng)43進(jìn)一步發(fā)育，有效促進(jìn)了孔隙相互貫通、裂隙發(fā)育擴(kuò)展，且壓縮空氣46來控制裂隙系統(tǒng)43的有效應(yīng)力,防止裂隙重新閉合；游離態(tài)的瓦斯氣體45不斷在壓力梯度作用下被驅(qū)趕出煤體,吸附態(tài)的瓦斯氣體45由于氣體分壓的降低又不斷被解吸，進(jìn)入抽采管路。

34、步驟f的具體過程為：

35、當(dāng)對(duì)順層注氣鉆孔在6h的注氣試驗(yàn)后，若所記錄的兩個(gè)抽采鉆孔瓦斯抽采混合流量低高于設(shè)定第一閾值，表明煤層混合流量變化不大，或煤層瓦斯?jié)舛雀哂谠O(shè)定的第二閾值，表明煤層瓦斯?jié)舛茸兓淮?，判定注氣壓力p0、孔間距d1、孔間距d2、單孔抽采負(fù)壓p條件下，該方案對(duì)煤層的壓裂增透和注氣驅(qū)替無明顯效果；此時(shí)應(yīng)將注氣壓力p0增加50％，按步驟c中的方法繼續(xù)完成第二輪瓦斯抽采；第二輪注抽若仍未達(dá)到預(yù)期效果，將注氣壓力再次p0增加45％，同時(shí)提高65％的注氣流量，繼續(xù)進(jìn)行第三輪注抽，即采用循環(huán)注抽模式；

36、所述的循環(huán)注抽模式，為確定連續(xù)注氣方式與間歇注氣方式促抽效率，實(shí)驗(yàn)布置連續(xù)注氣與間歇注氣，鉆孔施工完成后同時(shí)掛網(wǎng)抽采，定期測(cè)試抽采孔瓦斯純量；不同鉆孔間距的鉆孔長(zhǎng)度基本相同，分析結(jié)果忽略鉆孔長(zhǎng)度影響；

37、雖然間歇注氣競(jìng)爭(zhēng)置換增加的總抽采量小于在相同注氣壓力下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)注氣增能驅(qū)動(dòng)增加的抽采量，但間歇注氣競(jìng)爭(zhēng)吸附置換時(shí)間充分，置換量大，置換效率更高，因此優(yōu)選采用間歇注氣。

38、步驟g的具體過程為：

39、若開始進(jìn)行順層注氣鉆孔在6h的注氣試驗(yàn)時(shí)，所記錄的兩個(gè)抽采鉆孔瓦斯抽采混合流量迅速高于所設(shè)定的第一閾值，初步判斷為鉆孔傾斜角度過大、鉆孔間距遠(yuǎn)小于測(cè)量鉆孔間距，可能發(fā)生串孔現(xiàn)象；為進(jìn)一步判定，保持左側(cè)抽采孔繼續(xù)負(fù)壓抽采，關(guān)閉右側(cè)抽采裝置上的閥門，取下注氣裝置3的快速接頭6，手掌放于注氣孔封孔管33管口，若感受到管內(nèi)有負(fù)壓產(chǎn)生的吸力，判定左側(cè)抽采孔與注氣孔發(fā)生串孔；若未感受到管內(nèi)有負(fù)壓產(chǎn)生的吸力，判定左側(cè)抽采孔未與注氣孔發(fā)生串孔；

40、重復(fù)步驟g操作內(nèi)容，判斷左側(cè)抽采孔與右側(cè)抽采孔及注氣孔與右側(cè)抽采孔之間是否發(fā)生串孔；具體過程如下：將發(fā)生串孔現(xiàn)象的鉆孔設(shè)置為一組；將該組鉆孔作為注氣孔組，在該注氣孔組兩側(cè)各補(bǔ)打一個(gè)鉆孔作為抽采孔，安裝注氣裝置3和抽采裝置，重復(fù)步驟g操作內(nèi)容確定左右兩側(cè)鉆孔是否與注氣孔組發(fā)生串孔現(xiàn)象；若發(fā)生串孔現(xiàn)象，將該串孔的鉆孔納入注氣孔組，在串孔的鉆孔側(cè)繼續(xù)補(bǔ)打鉆孔作為抽采孔，繼續(xù)重復(fù)步驟g操作內(nèi)容直至未發(fā)生串孔現(xiàn)象；若未發(fā)現(xiàn)串孔現(xiàn)象，將該組注氣孔組連接注氣裝置，左右兩側(cè)抽采孔連接過濾、抽采裝置進(jìn)行負(fù)壓抽采。打開注氣裝置閥門，進(jìn)行6h的注氣試驗(yàn)，注氣結(jié)束后停止6h，若此時(shí)所記錄的兩個(gè)抽采鉆孔瓦斯抽采混合流量高于設(shè)定第三閾值，表明煤層混合流量變化不大，且煤層瓦斯?jié)舛鹊陀谠O(shè)定的第四閾值，表明煤層瓦斯?jié)舛茸兓淮?，判斷壓縮氣體已在煤層中完成壓裂發(fā)育；若未達(dá)到設(shè)定的相關(guān)指標(biāo)，此時(shí)增加80％注氣流量，繼續(xù)進(jìn)行6h的注氣試驗(yàn)，注氣結(jié)束后停止6h；若此時(shí)相較于注氣前瓦斯抽采流量提升45％，判斷壓縮氣體在大氣流作用下，完成煤層內(nèi)壓裂發(fā)育；若未達(dá)到設(shè)定的相關(guān)指標(biāo)，此時(shí)增加50％注氣壓力并利用加溫裝置將注氣溫度提升60％，進(jìn)行6h的注氣試驗(yàn)，注氣結(jié)束后停止6h；若此時(shí)相較于注氣前瓦斯抽采流量提升45％，判斷壓縮氣體在高氣壓、大氣流、熱氣體的共同作用下，完成煤層內(nèi)壓裂發(fā)育；完成壓裂發(fā)育后，將注氣孔組接入抽采干管進(jìn)行回抽，進(jìn)一步增加瓦斯抽采；

41、所述的第三閾值為瓦斯混合流量初始值的150％；混合流量指注氣前抽采孔包含ch4、co混合氣體的流量；第四閾值為瓦斯?jié)舛瘸椴沙跏贾档?0％；瓦斯?jié)舛瘸椴沙跏贾凳侵竼我回?fù)壓抽采初期，對(duì)該組所有順層抽采鉆孔瓦斯?jié)舛冗B續(xù)監(jiān)測(cè)3次均保持穩(wěn)定時(shí)所記錄的數(shù)據(jù)。

42、采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，具體地說，本發(fā)明利用快速接頭與注氣孔封孔管的快速插接和分離，提高了管路連接的快速且可靠性；尤其是注氣孔封孔管與快速接頭分離，從而減少了注氣封孔管與注氣管道分離的時(shí)間，從而減少管內(nèi)殘存瓦斯氣體向工作面內(nèi)的逸散，保護(hù)井下煤礦工人的生命安全。

43、本發(fā)明采用注氣裝置可以向煤層內(nèi)注入空氣，當(dāng)然優(yōu)選向煤層內(nèi)注入氮?dú)狻⒍趸嫉劝踩珰怏w，對(duì)煤層注氣孔周圍的瓦斯進(jìn)行驅(qū)替，將瓦斯氣體驅(qū)趕到煤層抽采孔內(nèi)，并通過負(fù)壓抽吸將瓦斯氣體抽出，依次進(jìn)行過濾、水氣分離和計(jì)量后通過抽采干管匯集抽出。

44、本發(fā)明在多參數(shù)瓦斯計(jì)量?jī)x與煤氣表前端設(shè)置前置過濾器和密封水箱，解決了因管道內(nèi)煤粉、冷凝水等雜質(zhì)進(jìn)入多參數(shù)瓦斯計(jì)量?jī)x與煤氣表內(nèi)導(dǎo)致設(shè)備損壞等問題，且并不影響抽采系統(tǒng)的阻力，從而達(dá)到增加瓦斯流量的精準(zhǔn)測(cè)量。

45、綜上所述，本發(fā)明采用的注氣驅(qū)替管路和瓦斯抽采管路均采用快速連接的結(jié)構(gòu)，首先保證密封效果，也大大提高了拆卸和安裝的效率，本發(fā)明形成煤層順層鉆孔注氣驅(qū)替增流抽采瓦斯完整技術(shù)體系，采用循環(huán)往復(fù)抽采、群注群抽、先注后抽等操作方式，有效解決現(xiàn)有煤層瓦斯抽采效率低下的問題。