[发明专利]水力造穴、冷冻致裂和注热激励协同增透促抽方法

说明书

水力造穴、冷冻致裂和注热激励协同增透促抽方法，包括以下步骤：在工作面顺槽操施工顺槽钻孔，任意相邻两个钻孔分别命名为措施孔和抽采孔，相邻两个钻孔分别命名为措施孔和抽采孔；对钻孔安装抽采管进行封孔，抽采孔连接抽采系统；措施孔内高压注水；使用专用封孔器对措施孔内的抽采管进行封孔；向措施孔内注液氮冷冻煤体，在地温作用下液氮缓慢升华为氮气，氮气可对煤体内的瓦斯进行有效置换和驱替；高温、高压的氮气对煤体进行高压注热；最后措施孔内的抽采管连接抽采系统。本发明封孔严实，可广泛应用于石门揭煤、过断层、采掘工作面增透促抽等工作，通过冷冻、注热相结合的施工方式大大提高了增透促抽效果，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及水力造穴、冷冻致裂和注热激励协同增透促抽方法。

背景技术

我国大部分煤层具有“三低一高”（低渗透性、低饱和度、低储层压力，高变质程度）的特征。煤层的低渗透性导致瓦斯抽采困难，造成矿井“抽-掘-采”失调，形成重大安全生产隐患，为煤矿瓦斯事故的发生埋下隐患。因此，国内外学者研究提出了水力冲孔、保护层开采、CO₂相变致裂等煤层增透促抽技术措施。但由于种种原因所限，从技术和经济角度衡量，目前所常用的各种技术措施增透效果尚需进一步提升。

冷冻致裂现象在大自然中广泛存在，譬如冷冻导致建筑物损伤破坏、冷冻后的泥土更酥松等现象都很常见。受这些现象的启发，学者在对冻土层基建工程设计方面进行了大量研究，取得了一些有益的研究成果。后来在油气开采过程中，技术人员将这种技术应用于油气开采领域，用于增加油气层的渗透性，达到增产增效的目的，取得了良好的效果。

煤炭作为一种特殊的软岩，采用超低温冷冻的方法同样可以实现致裂煤体、增加煤体孔-裂隙、提升煤层渗透性的目的；因此，在冷冻致裂的基础上，配合瓦斯抽采措施，可有效提升煤层瓦斯抽采效果，对于解决矿井“抽-掘-采”失调问题大有裨益，是一种较为先进的煤层增透促抽措施，国内外学者对相关内容已开展有益的探索。

基于氮气稳定的惰性气体特性，在冷冻致裂技术现场应用过程中，一般是将液氮注入煤体，一方面这些超低温液氮通过煤体注水后水体液固相变引起的巨大冻胀力，对煤体起到冷冻致裂、增透促抽的作用，另一方面这些超低温液氮升温气化相变为气态后，在措施孔周围形成巨大的氮气分压区域（高压区），而邻近的抽采孔周围具有较低的气体压力（低压区域），在措施孔和抽采孔间形成巨大的压差，使得氮气对煤体内瓦斯起到气体驱替及置换的作用，进一步强化瓦斯抽采效果。

煤体瓦斯解吸速度、抽采效果与煤体温度密切相关。相关研究结果表明，煤体温度升高1℃，煤体瓦斯解吸能力提升8%左右。因此，可以通过对煤体加热的办法，强化煤体瓦斯解吸，提升瓦斯抽采效果。但现有的煤体加热技术多采用红外、微波等非接触式加热方式，这些方法虽然可快速加热煤体，但具有衰减速度快、耗能高、易损坏、设备无法重复利用等缺点，难以大范围推广应用；也有部分学者提出向煤层注入过热水或水蒸汽的方法加热煤体，虽可有效加热煤体，但水蒸汽及热水进入煤体后，会在煤体孔隙内形成“水锁效应”，抑制了煤体瓦斯的解吸，反而降低了瓦斯抽采效果。此外，若向煤体内注入高温介质具有氧化性，有可能造成钻孔内煤体发火现象，从而带来新的安全问题。因此，采取注热强化促抽技术措施时，亟需寻求新的注热方法、注热介质和注热途径，以期加强注热激励作用，提升瓦斯抽采效果，有效缓解矿井“抽-掘-采”平衡问题，且可避免钻孔发火。

氮气具有良好的化学稳定性，是一种常见的惰性气体，本身不燃烧也不助燃，且非常容易制备，造价很低。如果将氮气加热后通过钻孔注入煤体，则可有效提高煤体温度，可加强对煤体的住着激励作用，强化瓦斯抽采效果；较高的氮气气体分压，可对煤体瓦斯形成置换和驱替效应，进一步强化瓦斯抽采效果；而且氮气的惰性特征，可以防止钻孔发火，杜绝火灾、瓦斯爆炸、煤尘爆炸等事故。因此，利用高温氮气作为介质进行煤层钻孔注热激励强化促抽经济可行。