微波辅助预裂与高压脉冲协同的煤层弱化增透装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯防治技术领域，具体涉及一种微波辅助预裂与高压脉冲协同的煤层弱化增透装置及方法。

背景技术

随着煤矿开采深度的不断增大，深部矿井的数量将成倍增加。深部矿井普遍具有微孔隙、低渗透、高吸附性的特点，导致大部分煤层瓦斯抽采困难，瓦斯灾害严重。

目前，低透气性煤层弱化增透措施主要有松动爆破、水力割缝以及高压注水致裂弱化等。其中，松动爆破、水力割缝、水力冲孔等技术存在影响范围小、施工量大且复杂等问题。煤层注水技术不能控制裂隙扩展方向，深部注水困难，弱化增透效果较差。

电脉冲致裂增透技术是提高煤层瓦斯抽采效果的有效技术措施之一。但是，现有的高压脉冲技术效果不稳定、存在能量损耗过快、脉冲电压过高，危险性较高等问题。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新的煤层弱化增透方法，以达到煤层快速弱化、致裂、促解吸的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了微波辅助预裂与高压脉冲协同的煤层弱化增透装置及方法，在微波的辅助下，导电离子溶液能够更充分溶解煤中的有机化合物，疏通煤的孔裂隙，改善煤层的导电性，降低高压脉冲击穿场强。

根据本发明的目的提出的微波辅助预裂与高压脉冲协同的煤层弱化增透装置，包括微波发生器、微波转换器、同轴波导管、微波天线、蓄液抽气一体化装置、高压电源、蓄能电容器以及电极。

所述微波发生器与微波转换器连接，所述微波转换器与微波天线通过同轴波导管连接，所述微波天线放置于煤层压裂钻孔内；微波发生器所产生的微波依次通过微波转换器和同轴波导管到达微波天线辐射钻孔；所述同轴波导管连接微波天线的一端连接有温度传感器。

所述蓄液抽气一体化装置上连接有注液管路和抽采管，所述注液管路远离蓄液抽气一体化装置的一端伸入钻孔内且端部连接有自动注液喷头，所述注液管路上还设置有水泵。

所述高压电源与蓄能电容器电缆连接，所述蓄能电容器的正极和负极分别连接电极与静电屏蔽仪；所述电极设置于煤层压裂钻孔内，其与蓄能电容器连接的电缆上设置有放电开关和绝缘电缆护管。

优选的，所述电极为可调控式电极，包括铜棒和电极针；所述铜棒两端均设置有绝缘垫圈，铜棒外还套设有弹簧和滑块，所述滑块可沿铜棒滑动压缩弹簧，调节电极长度。

优选的，所述煤层内还设置有用于实时监测并记录煤层微震信号以及瓦斯抽采的数据信息的可视化监测处理器。

本发明另外公开的一种使用上述煤层弱化增透装置进行煤层弱化增透的方法，包括以下步骤：

步骤一：向低渗煤层施工多个压裂钻孔。

步骤二：将微波天线连接在同轴波导管前端，放入钻孔内，打开微波发生器，所产生的微波依次通过微波转换器和同轴波导管到达微波天线，并由微波天线向钻孔内进行微波辐射，温度传感器实时监测煤层温度变化。

步骤三：待发现煤层出现裂隙后，打开蓄液抽气一体化装置和水泵，蓄液抽气一体化装置中的导电离子溶液沿着注液管路流入自动注液喷头，自动注液喷头将导电离子溶液全方位、多角度注入钻孔直至浸透煤层。

步骤四：开启高压电源，高压电源向蓄能电容器充电，当蓄能电容器的电压达到预设值时，闭合放电开关，使可调控式电极放电，之后断开放电开关，完成一次脉冲冲击。

步骤五：重复步骤四，进行多次脉冲，直至煤层裂隙发育丰富。

步骤六：将抽采管与蓄液抽气一体化装置连接，进行瓦斯抽采。

优选的，步骤一中，多个压裂钻孔平行布置，孔间距为5-20m；钻孔轴向方向与岩层垂面方向的夹角为0-45°。

优选的，步骤二中，所述微波发生器的工作频率为2.5GHz，功率为2.5KW。

优选的，步骤四中，所述高压电脉冲发生频率为10-50Hz，电压范围为30-500Kv，脉冲个数为200-750个。

与现有技术相比，本发明公开的微波辅助预裂与高压脉冲协同的煤层弱化增透装置及方法的优点是：

同时通过。本发明适用性强、节能环保、弱化增透效果好。

(1)本发明在微波的辅助下，导电离子溶液能够更充分溶解煤中的有机化合物，疏通煤的孔裂隙，改善煤层的导电性，降低高压脉冲击穿场强。

(2)本发明中微波辐射产生的热效应能够促进煤层瓦斯解吸，产生的热应力能够使得煤体产生微裂，更有利于导电离子溶液充分与煤层接触。

(3)本发明中利用电脉冲产生的能量波和微波热辐射联合作用下，使煤岩体形成多个裂缝和裂缝带，高压电脉冲对正电极钻孔和负电极钻孔间的煤体进行多次放电击穿，使钻孔间煤体产生大量裂隙，形成可控裂隙区，达到煤层整体卸压弱化的效果，大大提高了煤层孔隙率、渗透率，促进了瓦斯解吸，从而可大幅度提高瓦斯抽采效果，也可增大压裂钻孔间距，节省钻孔施工工作量和费用。

(4)本发明中采用了可视化监测处理器，实时监测冲击波的脉冲信号和裂缝衍生扩展的微震信息，安全性好、操作简单、环保无害，具有广泛的实用性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为微波辅助预裂与高压脉冲协同的煤层弱化增透示意图。

图中：1-钻孔；2-可视化监测处理器；3-微波发生器；4-微波转换器；5-同轴波导管；6-微波天线；7-温度传感器；8-蓄液抽气一体化装置；9-注液管路；10-自动注液喷头；11-水泵；12-高压电源；13-蓄能电容器；14-静电屏蔽仪；15-放电开关；16-电极；17-绝缘电缆护管；18-抽采管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明较佳的实施例，对其进行了详细的剖析。

如图1所示的微波辅助预裂与高压脉冲协同的煤层弱化增透装置，包括微波发生器3、微波转换器4、同轴波导管5、微波天线6、蓄液抽气一体化装置8、高压电源12、蓄能电容器13以及电极16。

其中，微波发生器3与微波转换器4连接，微波转换器4与微波天线6通过同轴波导管5连接，微波天线6放置于煤层压裂钻孔1内。微波发生器3所产生的微波依次通过微波转换器4和同轴波导管5到达微波天线6辐射钻孔1，产生的热效应能够促进煤层瓦斯解析，产生热应力能够使得煤体产生微裂。同轴波导管5连接微波天线6的一端连接有温度传感器7，用于实时监测在微波辐射下煤层热量的变化。

蓄液抽气一体化装置8上连接有注液管路9和抽采管18。注液管路9远离蓄液抽气一体化装置8的一端伸入钻孔1内且端部连接有自动注液喷头10，注液管路9上设置有水泵11。打开水泵11，蓄液抽气一体化装置8内的导电离子溶液可通过注液管路9流入自动注液喷头10，将导电离子溶液全方位、多角度注入钻孔1，以渗入煤层，改变煤层导电性。抽采管18用于煤层裂隙发育完成后的瓦斯抽采。

高压电源12与蓄能电容器13电缆连接，蓄能电容器13的正极和负极分别连接电极16与静电屏蔽仪14。电极16设置于煤层压裂钻孔1内，其与蓄能电容器13连接的电缆上设置有放电开关15和绝缘电缆护管17。具体的，电极16为可调控式电极，包括铜棒和电极针。铜棒两端均设置有绝缘垫圈，铜棒外套设有弹簧和滑块，滑块可沿铜棒滑动压缩弹簧，电极针设置于铜棒内，并与固定滑块固定连接，可在滑块的带动下移动，实现电极16长度的调节，使电极16与煤层接触更紧密，裂缝延伸更加有效。

煤层内还设置有用于实时监测并记录煤层微震信号以及瓦斯抽采的数据信息的可视化监测处理器2。

本发明另外公开的一种使用上述煤层弱化增透装置进行煤层弱化增透的方法，包括以下步骤：

步骤一：向低渗煤层施工多个压裂钻孔1，并连接装置，将注液管路9连接自动注液喷头10的一端、抽采管18以及电极16放置于钻孔1内。在已施工钻孔1内安装可视化监测处理器2，用于实时监测并记录煤层微震信号以及瓦斯抽采的数据信息。多个压裂钻孔1平行布置，孔间距为5-20m，钻孔1轴向方向与岩层垂面方向的夹角为0-45°。

步骤二：将微波天线6连接在同轴波导管5前端，放入钻孔1内，打开微波发生器3，所产生的微波依次通过微波转换器4和同轴波导管5到达微波天线6，并由微波天线6向钻孔1内进行微波辐射。微波所产生的热应力能够使得煤体产生微裂，其热效应能够促进煤层瓦斯解析。温度传感器7实时监测煤层温度变化。微波发生器3的工作频率为2.5GHz，功率为2.5KW。

步骤三：待发现煤层出现裂隙后，打开蓄液抽气一体化装置8和水泵11，蓄液抽气一体化装置8中的导电离子溶液沿着注液管路9流入自动注液喷头10，自动注液喷头10将导电离子溶液全方位、多角度注入钻孔1，直至渗透煤层。

步骤四：导电离子溶液注入完成后，开启高压电源12，高压电源12向蓄能电容器13充电。当蓄能电容器13的电压达到预设值时，闭合放电开关15，使可调控式电极放电，高压电脉冲对正电极钻孔1和负电极钻孔1间的煤体进行放电击穿，使钻孔1间煤体产生大量裂隙，形成可控裂隙区，之后断开放电开关15，完成一次脉冲冲击。高压电脉冲发生频率为10-50Hz，电压范围为30-500Kv。

步骤五：重复步骤四，进行200-750次脉冲，直至煤层裂隙发育丰富。

步骤六：将抽采管18与蓄液抽气一体化装置8连接，进行瓦斯抽采，并采用可视化监测处理器2收集瓦斯抽采的相关数据信息。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。