一种基于高压脉动气诱喷的深部构造煤卸荷增透方法

技术领域

本发明属于瓦斯防治领域，更具体地说，具体为一种基于高压脉动气诱喷的深部构造煤卸荷增透方法。

背景技术

在过去三十多年里，煤炭作为我国主体能源为经济建设发展提供了强有力的支持。2022年我国全年能源消费总量54.1亿t标准煤，煤炭能源消费总量仍呈现上升趋势，能源消费占比超过50％。同时，我国近53％的煤炭资源分布在1000m以深，旺盛的煤炭需求量导致我国煤炭开发以每年10-25m的速度快速向深部推进。深部煤层所处的高温、高地应力、高瓦斯和低渗透率(“三高一低”)环境使得原始煤层呈粉化结构特征，特别是深部高应力环境耦合构造影响区内的构造煤瓦斯能量赋存更加异常，在煤体受动力扰动下极易发生瓦斯喷孔现象和突出灾害。

近年来，水力压裂、水力冲孔、超声波、注热刺激、冷冻致裂、有机萃取、微生物降解等增透技术被深入研究。当前主要的增透手段主要是以外加能量的方式破坏煤体结构和瓦斯原始赋存状态提升煤层渗透率，以便实现瓦斯高效抽采。随着采深不断增加，对应煤体应力环境所需外加能力的阈值也提升。此时，增透技术手段的经济效益较低，且常规机械扰动极易导致含瓦斯煤体发生动力现象。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于高压脉动气诱喷的深部构造煤卸荷增透方法，以解决上述背景技术中提出的问题；本发明通过高压氮气扰动诱导煤体可控喷孔，将瓦斯灾害能量转为消突动能，控制含瓦斯煤体圈闭能量有序释放，实现含瓦斯煤体卸荷增渗，同时防止不可控动力现象的发生。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于高压脉动气诱喷的深部构造煤卸荷增透方法，该方法包括：

步骤一：在常规钻机钻孔施工完毕以后，组装完成煤层高压脉动气诱喷卸荷增透系统，并将其安装在钻孔所在钻场；其中煤层高压脉动气诱喷卸荷增透系统包括气体压缩机、高压储气罐、气体调节阀、调控终端设备、高压胶管、钻机、钻杆和气体喷射装置；操作人员安装防护装置；

启动气体压缩机，在高压储气罐预先储存足量气体；

步骤二：连接足量钻杆，将气体喷射装置沿钻孔送至钻孔顶端，利用调控终端设备释放预设压力一的脉动高压气流，每冲击预设时长一，并暂停预设时长二，预留煤层可控自喷时间和空间，循环预设次数；

步骤三：释放预设压力二的气流，利用气流疏通清洗钻孔，将煤块冲出孔洞，防止碎煤阻碍钻杆运移；

步骤四：关闭气体调压阀，卸下二节钻杆，重复操作步骤二和步骤三，直至完成钻孔周围煤体整体卸压。

作为本发明的一种优选实施方式，所述预设压力一为20MPa；预设时长一为五分钟，预设时长二为一分钟；预设次数为五次；预设压力二为10MPa。

作为本发明的一种优选实施方式，所述气体压缩机的一端与高压储气罐的一端连接，高压储气罐的另一端通过高压胶管与钻机的喷头连接；所述高压胶管上安装有气体调压阀、压力表和流量计；所述气体压缩机、气体调压阀、压力表与流量计均与调控终端设备连接；所述钻机上安装有钻杆，钻杆的顶端连接有气体喷射装置。

作为本发明的一种优选实施方式，所述钻杆的长度为一米，内部为中空的金属柱状体；钻杆的上下段环面设置有螺纹，用于多节钻杆相连或与气体喷射装置连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述调控终端设备用于实时监控气体压力与流量、按照预设技术参数控制气体调节阀以及控制气体压缩机的启动或关闭；所述气体喷射装置的材质为特种钢。

作为本发明的一种优选实施方式，所述气体喷射装置上设置四个喷嘴，喷嘴形态呈现为收束状。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在特制喷嘴的作用下，脉动气体射流速度能超过声速，能对煤体表面造成破坏，形成塑性冲击破碎区，在煤层内部形成大量裂隙网络，实现煤层高效卸荷；

2、本发明利用气对深部构造煤体进行冲击扰动，脉动高压气所利用的气体来源广泛，安全性好，经济成本低；

3、本发明提出的高压脉动扰动煤层诱喷卸压的能量主要来源于煤层自身能量，通过扰动的方式控制煤层灾害能量有序释放，避免煤与瓦斯突出灾害的发生。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1示出了本发明的煤层高压脉动气诱喷卸荷增透系统图；

图2示出了本发明的气体喷射装置正视图和剖面示意图；

图3示出了本发明的煤层高压脉动气诱喷卸荷增透示意图；

图4示出了本发明的方法流程示意图；

图5示出了本发明的喷嘴出口截面气流示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一”、“二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

实施例一

请参阅图1至图3所示，一种煤层高压脉动气诱喷卸荷增透系统，包括气体压缩机1、高压储气罐2、气体调节阀3、压力表4、流量计5、调控终端设备6、高压胶管7、钻机8、钻杆9和气体喷射装置10；

其中；高压胶管7将气体压缩机1、高压储气罐2、气体调节阀3、压力表4、流量计5、调控终端设备6和钻杆9连接；

调控终端设备6包括监测气体压力和流动的电子传感单元与处理传感信号控制高压气体释放的中枢控制单元，中枢控制单元为中枢控制器，可以接收并处理气体压力、流量信号；以及控制气体压缩机与气体调压阀。

钻杆9为长度1m，内部为中空的金属柱状体，具有密封性，高压气体可自由在其内部流通；钻杆9上下段环面有螺纹，可以多节钻杆相连，亦可连接气体喷射装置10；钻机8可提供机械动力，用于推进钻杆；气体喷射装置10材质为特种钢，能长期承受超声速气流冲击；调控终端设备6连接气体压缩机1、气体调节阀3、压力表4、流量计5，可实时监控气体压力与流量，启动/关闭气体压缩机1，按照预设技术参数控制气体调压阀3，调控脉动高燕气流。

实施例二

在实施例一的基础上，所特制的气体喷射装置10上内设4组喷嘴11，喷嘴11呈现为收缩状。当气体在喷嘴的收缩段中流动时，超声速气流会增压降速，亚声速气流降压升速；当气体在喉部流动时，气流速度为声速；在扩张段内，气流会降压增速，实现气流速度由亚声速想超声速的跃迁，为气体冲击破碎煤壁提供起始动力；

请参阅图5所示，喷嘴11出口截面的气流速度可通过喷嘴进口总压、总温和喷嘴出口外界背压可知：

其中：M

假设气流经过喷嘴的过程为等熵绝热流动，当速度降为零时，则能得到滞止状态下的气体压力P

气流冲击煤体起始中心处气流压力P

其中：ρ为气体密度；r

气体冲击破碎的预测方法为：

经过现场试验与理论推导，现给出气体射流冲击破坏煤体的预测准则：

其中：K

同时获得气体射流冲击破碎深度与半径的预测公式：

其中：

实施例三：

在实施例一和二的基础上，请参阅图4所示，一种基于高压脉动气诱喷的深部构造煤卸荷增透方法，包括以下步骤：

步骤一：在常规钻机钻孔施工完毕以后，组装完成煤层高压脉动气诱喷卸荷增透系统，并将其安装在钻孔所在钻场。操作人员安装防护装置，操作中枢控制器，利用气体压缩机将储气罐内的气体压力提升至30MPa，并设置冲击扰动阶段和冲洗孔洞阶段的气体脉动频率、强度和时长；

启动气体压缩机1，在高压储气罐预先储存足量气体。在调控终端设备6设置脉动高压气流参数；

步骤二：连接足量钻杆9，将气体喷射装置10沿钻孔送至钻孔顶端，利用调控终端设备6释放压力为20MPa脉动高压气流，每冲击5min，暂停1min，预留煤层可控自喷时间和空间，循环5次；

步骤三：释放10MPa的气流3MPa，利用气流疏通清洗钻孔，将煤块冲出孔洞，防止碎煤阻碍钻杆9运移，为后续瓦斯抽采工程提供便利；

步骤四：关闭气体调压阀3，卸下2节钻杆9，重复操作步骤二和三，直至完成钻孔周围煤体整体卸压。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。