一種利用凍結(jié)法提高低透煤層滲透性的方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種利用凍結(jié)法提高低透煤層滲透性的方法及裝置，屬于提高煤層滲透性的方法及裝置。裝置包括：凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)、制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水循環(huán)系統(tǒng)；方法是在巷道和工作面布置完成后，利用凍結(jié)法的原理在煤巖體中布置凍結(jié)管路，在巷道中安裝制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水循環(huán)系統(tǒng)，向煤體中進(jìn)行鉆深孔注水并封閉鉆孔，運(yùn)行制冷系統(tǒng)進(jìn)行凍結(jié)，冷凍完成后，先前鉆孔注入的水凝結(jié)，水凝結(jié)有9％的膨脹率，導(dǎo)致煤巖體中的裂隙增加；凍結(jié)完成后，關(guān)閉制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水循環(huán)系統(tǒng)，井下的高溫環(huán)境煤巖體自然解凍，待煤巖體鉆孔中的水解凍后再次注水封孔并循環(huán)凍融過程。數(shù)次循環(huán)后，煤體的裂隙明顯增加，提高了煤巖體的滲透性，實(shí)現(xiàn)煤巖體中賦存瓦斯的抽采率的提高。
【專利說明】一種利用凍結(jié)法提高低透煤層滲透性的方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高煤層滲透性的方法及裝置，特別是一種利用凍結(jié)法提高低透 煤層滲透性的方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，煤礦安全開采水平也一直進(jìn)行著革新與提高。我國(guó) 52%的礦井屬于高瓦斯礦井，瓦斯治理是保障礦井安全高效生產(chǎn)的前提。然而我國(guó)松軟、 低透、高瓦斯煤層比例很高，淮南、淮北、四川、平頂山、貴州等礦區(qū)主采煤層均屬于松軟、低 透、高瓦斯煤層，對(duì)于瓦斯的抽采或提前預(yù)抽是治理瓦斯的有效手段。但由于低透煤層的低 滲透性，瓦斯很難直接并充分的抽出，所以提高煤層的滲透性有利于瓦斯的抽采和預(yù)抽?，F(xiàn) 如今，煤層的低滲透率和不能形成賦存瓦斯有效抽采是中國(guó)高瓦斯礦井安全生產(chǎn)發(fā)展的兩 大技術(shù)障礙，而前者又是后者最為直接的原因。所以，煤層瓦斯治理的出路在于提高煤層滲 透率?，F(xiàn)有能相對(duì)有效提高煤層滲透性的方法有水壓致裂，有機(jī)溶劑壓裂，松動(dòng)爆破、大直 徑鉆孔、網(wǎng)格式密集布孔、交叉布孔和預(yù)裂控制爆破等，而要達(dá)到瓦斯治理的高效性，需要 對(duì)提高煤層的滲透性的方法做進(jìn)一步研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種利用凍結(jié)法提高低透煤層滲透性的方法及裝 置，以實(shí)現(xiàn)提高高瓦斯礦井中煤巖體賦存瓦斯的抽采率。
[0004] 技術(shù)方案：本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：提高低透煤層滲透性包括方法和裝置； 提高低透煤層滲透性方法包括如下步驟：
[0005] a.在巷道向煤體中鉆出分布的封閉注水鉆孔和凍結(jié)循環(huán)管孔，在已布置好工作面 的巷道中向煤體中的凍結(jié)循環(huán)管孔內(nèi)布置凍結(jié)循環(huán)管路，在巷道中安裝制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷 凝水循環(huán)系統(tǒng)；
[0006] b.向封閉注水鉆孔中注入高壓水，使高壓水能夠充分充滿煤體中的裂隙，然后將 封閉注水鉆孔進(jìn)行封孔；
[0007] C.煤體的凍結(jié)循環(huán)管路中的冷凍介質(zhì)使用冷鹽水，因?yàn)槠淠Y(jié)點(diǎn)比純水的凝結(jié)點(diǎn) 低，可達(dá)-10°c，可以作為有效的制冷介質(zhì)；制冷循環(huán)系統(tǒng)采用液氨制冷，通過蒸發(fā)器與凍 結(jié)循環(huán)管路中的冷鹽水進(jìn)行熱交換；冷凝水循環(huán)系統(tǒng)利用水循環(huán)將制冷氨循環(huán)中的熱量吸 收并傳遞到井上。其制冷過程為：冷鹽水循環(huán)系統(tǒng)中凍結(jié)循環(huán)管里的冷鹽水吸收煤層熱量， 在鹽水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器中的液氨；氨循環(huán)中的液氨變?yōu)轱柡驼魵獍?，再被氨壓縮 機(jī)壓縮成過熱蒸氣進(jìn)入氨冷凝器冷卻，高壓液氨從氨冷凝器經(jīng)貯氨器，經(jīng)節(jié)流閥流入蒸發(fā) 器液氨在蒸發(fā)器中氣化吸收周圍鹽水的熱量；冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的冷卻水在水泵、水冷凝器 和管路中循環(huán)，將煤層熱量和壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量傳遞到井上；
[0008] d.對(duì)煤體進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)使煤體裂隙中原賦含的水和注入的高壓水凝結(jié)，水凝結(jié) 后有9 %的膨脹率，裂隙擴(kuò)大；凍結(jié)完成后，關(guān)閉制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水循環(huán)系統(tǒng)，此后井 下的高溫環(huán)境煤巖體自然解凍，待煤巖體鉆孔中的水解凍后再次注水封孔并循環(huán)凍融過 程，數(shù)次循環(huán)后，煤體的裂隙明顯增加，煤體的滲透性得到了增大，瓦斯的抽采率得到提高， 更益于瓦斯的抽采。
[0009] 提高低透煤層滲透性的裝置包括：凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)、制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水循環(huán)系 統(tǒng)；
[0010] 所述的凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)包括：凍結(jié)循環(huán)管和鹽水泵；凍結(jié)循環(huán)管的與鹽水泵連接構(gòu) 成凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)，在凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)通過冷鹽水；
[0011] 所述的制冷循環(huán)系統(tǒng)包括：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氨器、節(jié)流閥和氨冷凝器；蒸發(fā)器、 壓縮機(jī)、儲(chǔ)氨器、節(jié)流閥和氨冷凝器首尾相接，構(gòu)成制冷循環(huán)系統(tǒng)，其中，通過蒸發(fā)器與凍結(jié) 循環(huán)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，通過氨冷凝器與冷凝水循環(huán)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)；
[0012] 所述冷凝水循環(huán)系統(tǒng)包括：水泵和水冷凝器；水泵和水冷凝器首尾相接，構(gòu)成冷 凝水循環(huán)系統(tǒng)；
[0013] 所述的凍結(jié)循環(huán)管包括：內(nèi)管和外管，外管為盲管，內(nèi)管插入到外管內(nèi)至近外管內(nèi) 底部，內(nèi)管另一端從外管另一端的外管口穿出為出口，并被外管口封閉，在內(nèi)管穿著出外管 口的一端的外管壁上有進(jìn)口；內(nèi)管的出口與外管的進(jìn)口相連構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)。
[0014] 有益效果：本發(fā)明利用凍結(jié)法的原理，使用"氨-鹽水"凍結(jié)系統(tǒng)對(duì)煤層進(jìn)行人工 凍結(jié)，使鉆孔注入的高壓水和煤層本身所含的孔隙水凝結(jié)膨脹，增加煤層的裂隙，同時(shí)降低 了瓦斯的活性、降低了瓦斯膨脹能，起到了防止瓦斯突出的作用。對(duì)煤層自然解凍后，孔隙 水蒸發(fā)，煤層留下的裂隙增加。與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明涉及的方法適應(yīng)性強(qiáng)，幾乎不受地 層條件的限制，凍結(jié)區(qū)形成以凍結(jié)管中心為圓心、半徑為R沿徑向隨時(shí)間擴(kuò)展的凍煤圓柱。 由于冰的導(dǎo)熱性是水的四倍，隨著凍結(jié)管不斷的供冷，凍煤圓柱直徑不斷增加，可以通過 調(diào)控制冷系統(tǒng)和凍結(jié)時(shí)間，人工控制冷凍區(qū)域厚度，從而靈活控制致裂區(qū)域，使致裂效果更 明顯，更充分提高煤層的滲透性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的凍結(jié)法系統(tǒng)管路布置圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明的凍結(jié)循環(huán)管剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 圖中：1、低透煤層；2、凍結(jié)循環(huán)管；3、封閉注水鉆孔；4、封孔；5、鹽水泵；6、蒸發(fā) 器；7、壓縮機(jī)；8、儲(chǔ)氨器；9、節(jié)流閥；10、氨冷凝器；11、水泵；12、水冷凝器；13、外管；14、內(nèi) 管。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 實(shí)施例1 :提高低透煤層滲透性包括方法和裝置；提高低透煤層滲透性方法包括 如下步驟：
[0019] a.在巷道向煤體中鉆出分布的封閉注水鉆孔和凍結(jié)循環(huán)管孔，在已布置好工作面 的巷道中向煤體中的凍結(jié)循環(huán)管孔內(nèi)布置凍結(jié)循環(huán)管路（冷鹽水循環(huán)管路），在巷道中安 裝制冷循環(huán)系統(tǒng)（氨循環(huán)系統(tǒng)）和冷凝水循環(huán)系統(tǒng)；
[0020] b.向封閉注水鉆孔中注入高壓水，使高壓水能夠充分充滿煤體中的裂隙，然后將 封閉注水鉆孔進(jìn)行封孔；
[0021] c.煤體的凍結(jié)循環(huán)管路中的冷凍介質(zhì)使用冷鹽水，因?yàn)槠淠Y(jié)點(diǎn)比純水的凝結(jié)點(diǎn) 低，可達(dá)-10°c，可以作為有效的制冷介質(zhì)；制冷循環(huán)系統(tǒng)采用液氨制冷，通過蒸發(fā)器與凍 結(jié)循環(huán)管路中的冷鹽水進(jìn)行熱交換；冷凝水循環(huán)系統(tǒng)利用水循環(huán)將制冷氨循環(huán)中的熱量吸 收并傳遞到井上。其制冷過程為：冷鹽水循環(huán)系統(tǒng)中凍結(jié)循環(huán)管2里的冷鹽水13吸收煤層 1熱量，在鹽水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器6中的液氨；氨循環(huán)中的液氨變?yōu)轱柡驼魵獍?，?被氨壓縮機(jī)7壓縮成過熱蒸氣進(jìn)入氨冷凝器10冷卻，高壓液氨從氨冷凝器經(jīng)貯氨器8，經(jīng)節(jié) 流閥9流入蒸發(fā)器6液氨在蒸發(fā)器中氣化吸收周圍鹽水的熱量；冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的冷卻水 在水泵11、水冷凝器12和管路中循環(huán)，將煤層1熱量和壓縮機(jī)7產(chǎn)生的熱量傳遞到井上；
[0022] d.對(duì)煤體進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)使煤體裂隙中原賦含的水和注入的高壓水凝結(jié)，水凝結(jié) 后有9 %的膨脹率，裂隙擴(kuò)大；凍結(jié)完成后，關(guān)閉制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水循環(huán)系統(tǒng)，此后井 下的高溫環(huán)境煤巖體自然解凍，待煤巖體鉆孔中的水解凍后再次注水封孔并循環(huán)凍融過 程，數(shù)次循環(huán)后，煤體的裂隙明顯增加，煤體的滲透性得到了增大，瓦斯的抽采率得到提高， 更益于瓦斯的抽采。
[0023] 提高低透煤層滲透性的裝置包括：凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)、制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水循環(huán)系 統(tǒng)；
[0024] 所述的凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)包括：凍結(jié)循環(huán)管2和鹽水泵5 ;凍結(jié)循環(huán)管2的管路與鹽水 泵5連接構(gòu)成凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)，在凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)通過冷鹽水13 ;
[0025] 所述的制冷循環(huán)系統(tǒng)包括：蒸發(fā)器6、壓縮機(jī)7、儲(chǔ)氨器8、節(jié)流閥9和氨冷凝器10 ; 蒸發(fā)器6、壓縮機(jī)7、儲(chǔ)氨器8、節(jié)流閥9和氨冷凝器10首尾相接，構(gòu)成制冷循環(huán)系統(tǒng)，其中， 通過蒸發(fā)器6與凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，通過氨冷凝器10與冷凝水循環(huán)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)；
[0026] 所述冷凝水循環(huán)系統(tǒng)包括：水泵11和水冷凝器12 ;水泵11和水冷凝器12首尾相 接，構(gòu)成冷減水循環(huán)系統(tǒng)；
[0027] 所述的凍結(jié)循環(huán)管包括：內(nèi)管14和外管13,外管13為盲管，內(nèi)管14插入到外管 13內(nèi)至近外管13內(nèi)底部，內(nèi)管14另一端從外管13另一端的外管口穿出為出口，并被外管 口封閉，在內(nèi)管穿著出外管口的一端的外管壁上有進(jìn)口；內(nèi)管的出口與外管的進(jìn)口相連構(gòu) 成循環(huán)系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1. 一種利用凍結(jié)法提高低透煤層滲透性的方法，其特征是：提高低透煤層滲透性方法 包括如下步驟： a. 在巷道向煤體中鉆出分布的封閉注水鉆孔和凍結(jié)循環(huán)管孔，在已布置好工作面的巷 道中向煤體中的凍結(jié)循環(huán)管孔內(nèi)布置凍結(jié)循環(huán)管路，在巷道中安裝制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水 循環(huán)系統(tǒng)； b. 向封閉注水鉆孔中注入高壓水，使高壓水能夠充分充滿煤體中的裂隙，然后將封閉 注水鉆孔進(jìn)行封孔； c. 煤體的凍結(jié)循環(huán)管路中的冷凍介質(zhì)使用冷鹽水，因?yàn)槠淠Y(jié)點(diǎn)比純水的凝結(jié)點(diǎn)低， 可達(dá)-10°C，可以作為有效的制冷介質(zhì)；制冷循環(huán)系統(tǒng)采用液氨制冷，通過蒸發(fā)器與凍結(jié)循 環(huán)管路中的冷鹽水進(jìn)行熱交換；冷凝水循環(huán)系統(tǒng)利用水循環(huán)將制冷氨循環(huán)中的熱量吸收并 傳遞到井上。其制冷過程為：冷鹽水循環(huán)系統(tǒng)中凍結(jié)循環(huán)管里的冷鹽水吸收煤層熱量，在鹽 水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器中的液氨；氨循環(huán)中的液氨變?yōu)轱柡驼魵獍?，再被氨壓縮機(jī)壓 縮成過熱蒸氣進(jìn)入氨冷凝器冷卻，高壓液氨從氨冷凝器經(jīng)貯氨器，經(jīng)節(jié)流閥流入蒸發(fā)器液 氨在蒸發(fā)器中氣化吸收周圍鹽水的熱量；冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的冷卻水在水泵、水冷凝器和管 路中循環(huán)，將煤層熱量和壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量傳遞到井上； d. 對(duì)煤體進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)使煤體裂隙中原賦含的水和注入的高壓水凝結(jié)，水凝結(jié)后有 9 %的膨脹率，裂隙擴(kuò)大；凍結(jié)完成后，關(guān)閉制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水循環(huán)系統(tǒng)，此后由于井下 的高溫環(huán)境煤巖體自然解凍，待煤巖體鉆孔中的水解凍后再次注水封孔并循環(huán)凍融過程， 數(shù)次循環(huán)后，煤體的裂隙明顯增加，煤體的滲透性得到了增大，使瓦斯的抽采率得到提高， 更益于瓦斯的抽采。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用凍結(jié)法提高低透煤體滲透性方法的裝置，其特征在 于：提高低透煤層滲透性的裝置包括：凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)、制冷循環(huán)系統(tǒng)和冷凝水循環(huán)系統(tǒng)； 所述的凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)包括：凍結(jié)循環(huán)管和鹽水泵；凍結(jié)循環(huán)管的管路與鹽水泵連接構(gòu) 成凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)，在凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)通過冷鹽水； 所述的制冷循環(huán)系統(tǒng)包括：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氨器、節(jié)流閥和氨冷凝器；蒸發(fā)器、壓縮 機(jī)、儲(chǔ)氨器、節(jié)流閥和氨冷凝器首尾相接，構(gòu)成制冷循環(huán)系統(tǒng)，其中，通過蒸發(fā)器與凍結(jié)循環(huán) 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，通過氨冷凝器與冷凝水循環(huán)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)； 所述冷凝水循環(huán)系統(tǒng)包括：水泵和水冷凝器；水泵和水冷凝器首尾相接，構(gòu)成冷凝水 循環(huán)系統(tǒng)； 所述的凍結(jié)循環(huán)管包括：內(nèi)管和外管，外管為盲管，內(nèi)管插入到外管內(nèi)至近外管內(nèi)底 部，內(nèi)管另一端從外管另一端的外管口穿出為出口，并被外管口封閉，在內(nèi)管穿著出外管口 的一端的外管壁上有進(jìn)口；內(nèi)管的出口與外管的進(jìn)口相連構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】E21F7/00GK104061013SQ201410284535
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】季明, 張益東, 程亮, 賈錦波, 張猛, 郭紅軍, 鄧改革, 張春喜, 崔滿堂, 張明磊 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)