冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法与流程

1.本发明属于煤矿安全领域，涉及一种冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法。


背景技术：

2.随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭，地下开采的深度越来越大，越来越多的矿井将面临严峻的深部开采问题，例如：矿井高温、巷道变形剧烈、采场矿压剧烈、采场失稳加剧、岩爆与冲击地压聚增、瓦斯高度聚积、瓦斯压力增大、突水事故几率增大、突水事故趋于严重等灾害。与此同时，随着我国经济的持续繁荣发展，煤炭消费需求总量的不断增加，华东和华中地区的煤炭资源开采由浅部地层逐渐向深部地层延伸，同时煤炭资源开发战略目标早已向西部矿区转移，西部矿区经过十几年的发展，开采深度也早已超过1000m。多数深部矿井的地应力、瓦斯压力数值大，垂向应力达22～27mpa，煤层瓦斯压力达6～8mpa，瓦斯含量达20～30m3/t，渗透率仅为10-18
～10-19
m2，瓦斯抽采困难，煤与瓦斯突出灾害严重。目前，针对深部矿井的瓦斯高效治理难题，已先后形成了以“水力压裂”、“水力割缝”、“co2相变致裂煤岩体”、“n2或co2驱替”为主要构成的技术体系，并在诸多的工程实际中取得了较好的应用效果。但与此同时，以上技术也存在部分与现场工程地质条件不适应的问题。例如：1)水力压裂工艺中对水压的控制往往凭借经验选取，致使在应用的过程中易破坏煤层的顶板或底板岩层，故将对后期工作面的回采造成安全隐患；2)目前水力割缝工艺可将水压提升至100mpa以上，但在部分中硬或硬煤层的增渗改造工程中其对煤体的切割效果有限；3)co2相变致裂煤岩体虽可以大幅度的提高煤体的渗透特性，但由于需配置专门的液态co2储集装置与相变的触发机构，故实际的应用成本较高，且工艺复杂，对煤矿现场的作业人员而言较难掌握，该种问题同样也存在于n2或co2驱替技术的应用中。因此，寻求某种适宜的工艺实现低渗高瓦斯或煤与瓦斯突出煤层的瓦斯灾害高效治理便成为目前我国煤矿安全技术工作者亟需解决的关键技术难题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法，解决深部矿井的瓦斯灾害高效治理难题；通过将涡流管与空气加压装置相配合，使得高压空气进行冷、热分离，依据现场煤层的情况，往相邻的钻孔内注入分离后的高压冷、热空气，进而使得注入的空气与煤层间的温度形成极大的温差，从而使得煤体的抗压强度降低，力学性能变差，进而产生大量的裂隙，拓展或增加瓦斯气体在煤层内流动的路径，提高瓦斯的流动性。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法，包括以下步骤：
6.s1：在煤矿井下回采工作面的运输顺槽内沿煤层的倾向方向施工三个瓦斯抽采钻孔，将pe瓦斯抽采管材分别放入三个瓦斯抽采钻孔内并进行密封；而后将带有固定楔块、活动楔块与紧固螺母的密封钢管自孔口放入瓦斯抽采钻孔内，并将聚氨酯浆液袋放入到密封
钢管与瓦斯抽采钻孔内壁的环形空间内，送至靠近密封钢管与pe瓦斯抽采管材的接触处；
7.s2：旋转紧固螺母，从而推动活动楔块向瓦斯抽采钻孔孔深方向移动，待活动楔块与固定楔块的斜面接触后，继续旋转紧固螺母，使得活动楔块的末端向瓦斯抽采钻孔内壁方向移动，进而使得活动楔块末端进入瓦斯抽采钻孔的煤体内，并破坏聚氨酯浆液袋，使得聚氨酯浆液流出，密封瓦斯抽采钻孔内壁与密封钢管的环形空间；安设孔口四通使其带有蝶阀iii的一端与密封钢管连接，带有蝶阀iv的一端与除水除渣装置连接，带有蝶阀i的一端与汇流管连接，带有蝶阀ii的一端与高温气体输送管或低温气体输送管连接；
8.s3：打开蝶阀v和蝶阀ii，同时将两个带压快速接头分别与热端管、冷端管连接；将高压空压机进气端与井下的压风连接，而后开启高压空压机变频控制器使高压空压机对输入的压风进行加压，并通过高压空压机出气端进入出风管，并通过喷嘴进入涡流室内，高压空气进入到涡流室后，将分离成高温气体和低温气体，其中高温气体进入热端管，经由带压快速接头、高温气体输送管进入通过蝶阀ii连接有高温气体输送管的瓦斯抽采钻孔内；低温气体进入冷端管，经由带压快速接头、低温气体输送管进入通过蝶阀ii连接有低温气体输送管的瓦斯抽采钻孔内；待设置于高温气体输送管、低温气体输送管上的温度测量装置、气体压力测量装置的示数满足工程需求后，关闭高压空压机，并拆除两个带压快速接头；
9.s4：待设置于高温气体输送管、低温气体输送管上的温度测量装置示数相等，且与回采工作面运输顺槽内温度相等时，打开蝶阀i，使瓦斯抽采钻孔与汇流管连接，最终接入瓦斯抽采管道对煤体瓦斯实施抽采；而后，继续施工三个瓦斯抽采钻孔，并重复步骤s1～s4；
10.s5：若瓦斯抽采量发生明显衰减，且瓦斯浓度低于30％后，关闭蝶阀i，重复步骤s3，然后再待设置于高温气体输送管、低温气体输送管上的温度测量装置示数相等，且与回采工作面运输顺槽内温度相等时，重新打开蝶阀i，使钻孔与汇流管连接，最终接入瓦斯抽采管道对煤体瓦斯实施抽采，直接回采工作面推进前实现瓦斯抽采达标。
11.进一步，所述步骤s1中，将pe瓦斯抽采管材分别放入三个瓦斯抽采钻孔内后，采用聚氨酯浆液袋或者注浆方式对pe瓦斯抽采管材与瓦斯抽采钻孔内壁的环形空间进行密封，形成第一次聚氨酯密封段。
12.进一步，所述步骤s1中，将带有固定楔块、活动楔块与紧固螺母的密封钢管自孔口放入瓦斯抽采钻孔内，所述固定楔块与pe瓦斯抽采管材通过o型密封圈进行密封连接。
13.进一步，步骤s3中，所述带压快速接头包括带压快速接头进气端和带压快速接头出气端，所述带压快速接头进气端内通过进气端弹簧连接有进气端滚珠，所述进气端滚珠被进气端弹簧抵紧封闭带压快速接头进气端的出口；所述带压快速接头出气端内通过出气端弹簧连接有出气端滚珠，所述出气端滚珠被出气端弹簧抵紧封闭带压快速接头出气端的入口；所述带压快速接头进气端和带压快速接头出气端通过接头螺帽螺纹连接，所述进气端滚珠和出气端滚珠通过接通铜管连接。
14.进一步，步骤s3中，所述高温气体输送管与中间的瓦斯抽采钻孔通过四通带有蝶阀ii的一端连接；连接冷端管的带压快速接头的出气端通过三通连接两个低温气体输送管，所述的两个低温气体输送管分别与两边的瓦斯抽采钻孔通过四通带有蝶阀ii的一端连接。
15.进一步，步骤s3中，所述低温气体输送管与中间的瓦斯抽采钻孔通过四通带有蝶
阀ii的一端连接；连接热端管的带压快速接头的出气端通过三通连接两个高温气体输送管，所述的两个高温气体输送管分别与两边的瓦斯抽采钻孔通过四通带有蝶阀ii的一端连接。
16.本发明的有益效果在于：本发明提出了冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法，解决了深部矿井的瓦斯灾害高效治理难题；通过将涡流管与空气加压装置相配合，使得高压空气进行冷、热分离，依据现场煤层的温度情况，选择注入相应的冷或热空气，进而使得注入的空气与煤层间的温度形成极大的温差，从而使得煤体的抗压强度降低，力学性能变差，进而产生大量的裂隙，拓展或增加瓦斯气体在煤层内流动的路径，提高瓦斯的流动性，与以往的瓦斯抽采方法相比具有以下优点：
17.(1)本发明特有的冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法，采用密封钢管配合活动楔块与聚氨酯浆液袋的方法对置入的pe瓦斯抽采管材进行固定，不仅为孔口四通的设置创造条件，同时进行二次密封有效防止高压气体推动pe瓦斯抽采管材以及高压气体的泄漏，保障了后续瓦斯抽采作业的顺利进行与作业人员的安全；
18.(2)本发明提供的冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法，通过高压空压机对压风输入的空气进行一次加压后，采用涡流管对加压后的高压空气进行冷、热分离，而后分别将冷、热空气注入到不同的瓦斯抽采钻孔内，使得瓦斯抽采钻孔间的煤体产生了极大的温度差，进而在温度差作用下煤体的抗压强度降低，力学性能变差，进而产生大量的裂隙，拓展或增加瓦斯气体在煤层内流动的路径，提高瓦斯的流动性，具有极为显著的技术、经济效益；
19.(3)本发明提供的冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法，可依据煤矿井下的工程实际情况，对施工的瓦斯抽采钻孔进行多次冷热空气循环致裂，扩大了瓦斯抽采钻孔的影响范围，进一步提高煤层的瓦斯抽采效果，同时大幅度减小了煤矿井下的瓦斯治理工程量。
20.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
21.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
22.图1为孔口装置结构示意图；
23.图2为冷热空气循环致裂煤岩体抽采瓦斯装置总体结构示意图。
24.附图说明：pe瓦斯抽采管材1、密封钢管2、固定楔块201、活动楔块202、紧固螺母203、o型密封圈3、孔口四通4、蝶阀i401、蝶阀ii402、蝶阀iii403、蝶阀iv404、高压空压机变频控制器5、高压空压机6、不锈钢管7、蝶阀v8、喷嘴9、涡流室10、冷端管11、热端管12、带压快速接头13、带压快速接头进气端1301、带压快速接头出气端1302、进气端弹簧1303、进气端滚珠1304、出气端弹簧1305、出气端滚珠1306、接头螺帽1307、接通铜管1308、高温气体输送管14、低温气体输送管15、气体压力测量装置16、温度测量装置17、聚氨酯浆液袋18、三通
19。
具体实施方式
25.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
27.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
28.请参阅图1～图2，为本发明提供的冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法所使用的装置结构图。本发明方法基于该装置进行瓦斯抽采，该装置包括pe瓦斯抽采管材1、密封钢管2，密封钢管2上套设有固定楔块201、活动楔块202和紧固螺母203，其中固定楔块201固定在密封钢管2的末端，活动楔块202在密封钢管2上滑动，并通过紧固螺母203限定其位置。固定楔块201与pe瓦斯抽采管材1接触的地方还设有o型密封圈3，密封钢管2的首端连接有孔口四通4，孔口四通4带有四个蝶阀，分别是蝶阀i401、蝶阀ii402、蝶阀iii403、蝶阀iv404。
29.该装置还包括高压空压机变频控制器5和高压空压机6，高压空压机6的出气端连接有不锈钢管7，并通过装有蝶阀v8的喷嘴9连接有涡流室10，涡流室10的两端分别连接有冷端管11和热端管12。冷端管11通过带压快速接头13连接有高温气体输送管14；热端管12通过带压快速接头13连接有低温气体输送管15。高温气体输送管14和低温气体输送管15与其中一个或两个孔口四通4连接。在每个高温气体输送管14和低温气体输送管15上都安装有气体压力测量装置16和温度测量装置17。
30.带压快速接头13具体包括带压快速接头进气端1301和带压快速接头出气端1302，带压快速接头进气端1301内通过进气端弹簧1303连接有进气端滚珠1304，所述进气端滚珠1304被进气端弹簧1303抵紧封闭带压快速接头进气端1301的出口；带压快速接头出气端1302内通过出气端弹簧1305连接有出气端滚珠1306，出气端滚珠1306被出气端弹簧1305抵紧封闭带压快速接头出气端1302的入口；带压快速接头进气端1301和带压快速接头1302出气端通过接头螺帽1307螺纹连接，进气端滚珠1304和出气端滚珠1306通过接通铜管1308连接。
31.具体地，本发明提供的冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法，包括以下步骤：
32.s1：应用钻进设备，在煤矿井下回采工作面的运输顺槽内沿煤层的倾向方向施工3个瓦斯抽采钻孔，而后将pe瓦斯抽采管材1放入到瓦斯抽采钻孔，并采用聚氨酯浆液袋或者注浆的方式对pe瓦斯抽采管材1与瓦斯抽采钻孔内壁的环形空间进行密封；而后将带有固定楔块201、活动楔块202与紧固螺母203的密封钢管2自孔口放入到瓦斯抽采钻孔内，并将聚氨酯浆液袋18放入到密封钢管2与瓦斯抽采钻孔内壁的环形空间内，用木棍或铁丝等工具将聚氨酯浆液袋18送至靠近密封钢管与pe瓦斯抽采管材1的接触处；
33.s2：而后通过旋转紧固螺母203使其推动活动楔块202向瓦斯抽采钻孔孔深方向移动，待活动楔块202与固定楔块201的斜面接触后，持续旋转紧固螺母203将使得活动楔块202的末端向瓦斯抽采钻孔内壁方向移动，进而使得活动楔块202末端进入瓦斯抽采钻孔的煤体内，防止后期注入高压空气将整个密封钢管推出瓦斯抽采钻孔；在此过程中，活动楔块202的末端将破坏聚氨酯浆液袋18，使得聚氨酯浆液流出，并发生化学反应充满瓦斯抽采钻孔内壁与密封钢管2的环形空间实现对密封钢管2与pe瓦斯抽采管材1接触处的有效密封；而后，安设孔口四通4使其带有蝶阀iii403的一端与密封钢管连接，带有蝶阀iv404的一端与除水除渣装置连接，带有蝶阀i401的一端与汇流管连接，带有蝶阀ii402的一端与高温气体输送管14或低温气体输送管15连接；
34.s3：打开蝶阀v8，同时将2个带压快速接头13连接好后，分别与热端管12、冷端管11连接；将高压空压机6进气端与井下的压风连接，而后开启高压空压机变频控制器5使高压空压机6对输入的压风进行加压，并通过高压空压机6出气端进入不锈钢管7内，而后通过喷嘴9进入到涡流室内；高压空气进入到涡流室10后，将分离成热、冷高压空气，其中高温气体将由热端管12流出，经由带压快速接头13、高温气体输送管14进入到中间的钻孔内；低温气体将由冷端管11流出，经过带压快速接头13、三通19、低温气体输送管15进入到两边的钻孔内；待设置于高温气体输送管14、低温气体输送管15上的温度测量装置17、气体压力测量装置16的示数满足工程需求后，即可关闭高压空压机5，并拆除2个带压快速接头13；
35.s4：而后，待设置于高温气体输送管14、低温气体输送管15上的温度测量装置17示数相等，且与回采工作面运输顺槽内温度相等时，则可打开蝶阀i401，使钻孔与汇流管连接，最终接入瓦斯抽采管道对煤体瓦斯实施抽采；而后，继续施工三个瓦斯抽采钻孔，并重复步骤s1～s4；
36.此外，也可将中心钻孔与低温气体进行连接，两边的钻孔与高温气体连接，重复步骤s2～s4。
37.s5：若瓦斯抽采量发生明显的衰减，且瓦斯浓度低于30％后，即可关闭蝶阀i401，重复步骤s3，而后待设置于高温气体输送管14、低温气体输送管15上的温度测量装置17示数相等，且与回采工作面运输顺槽内温度相等时，可继续打开蝶阀i401，使钻孔与汇流管连接，最终接入瓦斯抽采管道对煤体瓦斯实施抽采，直接回采工作面推进前实现瓦斯抽采达标。
38.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。