[发明专利]电脉冲激励超临界CO2

说明书

本发明公开了一种电脉冲激励超临界CO₂相变压力响应监测装置及监测方法，包括高压点火开关；高压开关触发装置；电容储能柜；压力釜；甲烷气瓶；液态CO₂加注装置；加注头；电极；压力传感器、数据收集系统；液态CO₂；通信电缆；空压机。该发明利用高压电脉冲代替传统化学药剂燃烧放热来激励超临界CO₂，具体为通过高压脉冲放电激励超临界CO₂压力响应实验装置，对不同放电电压等级、放电能量在等容液态CO₂相变为超临界CO₂状态压力进行监测与研究，建立高压脉冲放电激励超临界CO₂压力响应的数学模型。为高压电脉冲激励超临界CO₂致裂煤层增透技术的实际应用提供理论依据。

技术领域

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体为一种电脉冲激励超临界CO₂相变压力响应监测装置及监测方法。

背景技术

煤炭是我国主要的一次能源。我国能源赋存特点为“富煤、贫油、少气”，已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的 33.8%，煤炭产量与消费量长期位居世界首位。2010年煤炭在能源消费中的比重为69.2%，2015年降至64%，2018年煤炭占一次能源消费比例首次低于60%；但未来煤炭仍将占我国能源构成的主体地位，煤炭对于保障我国国民经济持续发展至关重要。我国煤层赋存条件复杂、煤层透气性低，开采难度较大，并且我国煤矿产能的95%来自井工矿，大中型煤矿平均开采深度已经达到456m，其中开采深度大于600m的矿井产量占28.5%，矿井开采最深部已达1365m。随着开采深度的增加，煤层地应力、瓦斯压力也将随之增大，煤矿瓦斯动力灾害越来越严重。根据国家矿山安全监察局查询系统，从2006年至2020年因瓦斯灾害而死亡的人数逐年递减，但进一步分析每年造成的各类灾害死亡人数占比发现，以瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯中毒窒息为主的煤矿瓦斯灾害造成的死亡人数仍占据主要煤矿灾害总和的37%左右。国家矿山安全监察局对2020年发生的煤矿事故案例进行梳理，公布的2020年全国煤矿事故十大典型案例结果显示，煤与瓦斯突出事故、瓦斯爆炸事故共占了三项，这提醒我们在瓦斯灾害防治领域还有许多工作要做，尤其是高瓦斯低渗透性煤层瓦斯灾害防治工作仍是重中之重。目前，低渗透煤层钻孔压裂增透技术方法主要是采用水力化增透、深孔爆破及高压气体致裂增透。水力化增透主要包括水力压裂、水力割缝和水力冲孔等技术，高压气体致裂增透技术主要包括高压空气炮技术及液态CO₂相变气爆致裂煤层增透技术。

高压气体致裂增透技术的现场应用主要是以液态CO₂相变气爆致裂煤层增透技术为主，液态CO₂相变气爆的原理是通过加热药剂对致裂器内液态CO₂进行瞬时加热相变为100MPa以上高压气体，高压气体剪断阻隔片后作用在钻孔煤壁，利用瞬间释放高压气体冲击效应生成初始径向裂纹，再依靠高压气体的尖劈压裂效应扩展初始裂纹，提高煤层的渗透性。液态CO₂相变气爆过程属于低波速爆破，其克服了以往炸药爆破过程中破坏性大、在煤层钻孔周边形成压实区不利于煤层瓦斯释放的缺点，应用液态CO₂相变气爆致裂煤层后，煤层透气性系数、钻孔内瓦斯抽采流量及浓度等均得到显著提高，增透防突效果显著，该技术为物理爆破，爆破过程本质安全 ；但在应用液态CO₂相变气爆致裂煤层增透过程中发现该技术存在致裂压力作用煤壁时间短、增透影响半径小、设备电阻值受煤层钻孔内环境影响不稳定及井下环境影响存在拒爆的缺点；通过起爆器激发点火药头的引燃方式在煤矿井下运输过程中存在闪爆的可能；以上这些特点限制了该技术在煤矿井的推广与应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电脉冲激励超临界CO₂相变压力响应监测装置及监测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明采用的技术方案是：