应用热蒸汽与微波辐射协同增透煤层的强化瓦斯抽采系统
技术领域
本实用新型属于采矿技术领域，尤其涉及一种应用热蒸汽与微波辐射协同增透煤层的强化瓦斯抽采系统。
背景技术
我国煤层气资源丰富，却普遍具有“高储低渗”的瓦斯赋存特征，严重制约着我国煤层气工业发展以及煤炭资源的安全高效开采。实践证明，采取煤层增透技术可显著强化低渗透性煤层的瓦斯抽采。近年来，众多的增透方法被提出，诸如水力冲孔、水力压裂等技术。
水力冲孔技术是以岩柱或煤柱为安全屏障，利用高压水射流对钻孔周围的煤体进行冲击，冲出大量的煤体，从而形成孔洞。由于地应力的作用，孔洞周围的煤体发生大幅度的位移，引起孔洞周围煤体的充分卸压，透气性系数增大，煤体内的瓦斯得到大幅度释放。然而，纯水射流水压较高，冲击效果较差；磨料射流虽然能显著改善冲击效果，但是也会引发喷嘴损伤、堵孔等一系列问题；而水力压裂技术在大流量、高水压作用下进行施工，容易造成局部应力集中，同时对配套的技术装备和安全措施要求较高。此外，无论水力冲孔或是水力压裂技术，均会引发大量液态水侵入煤体，易引发水锁效应，形成对瓦斯流动通道的封堵，不利于煤层瓦斯的高效抽采。
这些技术虽然取得了一定的应用效果，但也存在明显的局限性，因此需研发一些新型的、适用于不同工程条件的煤层增透强化瓦斯抽采技术。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种应用热蒸汽与微波辐射协同增透煤层的强化瓦斯抽采系统，能够达到更加高效的煤层增透强化瓦斯抽采效果。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：
一种应用热蒸汽与微波辐射协同增透煤层的强化瓦斯抽采系统，包括设置于抽采钻孔内的瓦斯抽采支管及设置于增透钻孔内的蒸汽传输管和微波天线，所述瓦斯抽采支管的另一端与抽采钻孔外部的瓦斯抽采系统管网连通；所述蒸汽传输管的另一端与增透钻孔外部的蒸汽发生器相连；所述微波天线通过同轴波导与增透钻孔外部的微波发生器相连；所述抽采钻孔为多个、且设置于增透钻孔的四周，所述抽采钻孔平行于增透钻孔、且间隔设置；所述抽采钻孔及增透钻孔的孔口均设有封堵，所述瓦斯抽采支管贯穿抽采钻孔孔口的封堵，所述蒸汽传输管及同轴波导贯穿增透钻孔孔口的封堵。
优选的，所述同轴波导及微波天线的外部设有防护管，所述防护管贯穿增透钻孔孔口的封堵。
优选的；所述瓦斯抽采支管的外露端与瓦斯抽采系统管网之间的管路上设有集水器，所述集水器的两端分别设有截止阀。
优选的，所述同轴波导的外露端连接波导转换器，所述波导转换器通过矩形波导与微波发生器相连。
优选的，所述蒸汽传输管的外露端与蒸汽发生器之间的管路上设有蒸汽压力表和高温截止阀。
优选的，所述蒸汽传输管内的水蒸气温度不低于150℃、压力不小于0.7MPa。
优选的，所述抽采钻孔为4～6个，所述抽采钻孔与增透钻孔相距3～5m。
优选的，所述抽采钻孔和增透钻孔依次穿过煤层底板及煤层并延伸至煤层另一端的煤层顶板，所述抽采钻孔和增透钻孔的末端均延伸至煤层顶板0.5±0.1m。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型采用注热蒸汽增透煤层，改善了煤体结构并促进了瓦斯解吸渗流；待水蒸气因热量传递耗散而逐渐冷凝为液态水后，在微波的协助加热下，能够使液态水快速气化并再次形成高温高压蒸汽，继续增透煤层并解除了水锁效应，提高了煤体孔裂隙率、增加了瓦斯流动通道，同时在蒸汽的高温与吸附优势双重作用下能够进一步促进瓦斯解吸渗流。本实用新型将注热蒸汽与微波辐射相结合，改进了矿井瓦斯抽采技术手段，对于提高煤炭资源的安全高效开采具有重要意义。本实用新型方法简单，施工方便，能够有效提高煤层瓦斯抽采效果，在本技术领域内具有广泛的应用性。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种应用热蒸汽与微波辐射协同增透煤层的强化瓦斯抽采系统的结构示意图；
图中：1、煤层；2、煤层底板；3、煤层顶板；4、抽采钻孔；5、增透钻孔；6、瓦斯抽采支管；7、蒸汽传输管；8、微波天线；9、同轴波导；10、防护管；11、波导转换器；12、矩形波导；13、微波发生器；14、高温截止阀；15、蒸汽压力表；16、蒸汽发生器；17、截止阀；18、集水器；19、封堵；20、瓦斯抽采系统管网。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型提供的一种应用热蒸汽与微波辐射协同增透煤层的强化瓦斯抽采系统，包括设置于抽采钻孔4内的瓦斯抽采支管6及设置于增透钻孔5内的蒸汽传输管7和微波天线8，所述瓦斯抽采支管6的另一端与抽采钻孔4外部的瓦斯抽采系统管网20连通；所述蒸汽传输管7的另一端与增透钻孔5外部的蒸汽发生器16相连；所述微波天线8通过同轴波导9与增透钻孔5外部的微波发生器13相连；所述抽采钻孔4为多个、且设置于增透钻孔5的四周，所述抽采钻孔4平行于增透钻孔5、且间隔设置；所述抽采钻孔4及增透钻孔5的孔口均设有封堵19，所述瓦斯抽采支管6贯穿抽采钻孔4孔口的封堵19，所述蒸汽传输管7及同轴波导9贯穿增透钻孔5孔口的封堵19。
作为一种优选结构，如图1所示，所述同轴波导9及微波天线8的外部设有防护管10，所述防护管10贯穿增透钻孔5孔口的封堵19。同轴波导9的外露端连接波导转换器11，所述波导转换器11通过矩形波导12与微波发生器13相连。打开微波发生器，产生的微波依次通过矩形波导、波导转换器和同轴波导，最后到达微波天线并由微波天线向增透钻孔发射。
在本实用新型的一个具体实施例中，如图1所示，所述瓦斯抽采支管6的外露端与瓦斯抽采系统管网20之间的管路上设有集水器18，所述集水器18的两端分别设有截止阀17。通过集水器收集抽采瓦斯中含有的水分，提高瓦斯的纯度。
由于蒸汽发生器输出的高温水蒸气温度很高，通过在蒸汽传输管7的外露端与蒸汽发生器16之间的管路上设有蒸汽压力表15和高温截止阀14，方便实时监控蒸汽发生器输出的高温水蒸气参数是否符合工艺要求。具体地，所述蒸汽传输管7内的水蒸气温度应不低于150℃、压力不小于0.7MPa。
在具体施工时，所述抽采钻孔4为4～6个，所述抽采钻孔4与增透钻孔5相距3～5m。抽采钻孔4和增透钻孔5依次穿过煤层底板2及煤层1并延伸至煤层另一端的煤层顶板3，所述抽采钻孔4和增透钻孔6的末端均延伸至煤层顶板3的深度为0.5±0.1m。
本实用新型是利用注热蒸汽技术和微波辐射技术对煤层增透，热蒸汽注入煤层可促进煤体孔裂隙发育、改善煤层瓦斯流动通道，并在高温与水蒸气优势吸附的双重作用下促进煤层瓦斯解吸，从而达到强化瓦斯抽采的效果。利用微波辐射产生的热应力不仅能促进瓦斯解吸，更能有效损伤煤体、显著扩张瓦斯流动空间。由于水是影响煤体微波辐射热力效应的重要因素，随着煤体含水率增加，微波辐射后煤体的增透率呈指数型增长趋势。本实用新型将两种技术实现有效结合，达到更加高效的煤层增透强化瓦斯抽采效果。
本实用新型的工作原理就是将热蒸汽注入煤层，促进煤层瓦斯解吸，当高温高压蒸汽将热量传递给煤层和瓦斯气体后会逐渐冷凝为液态水，再通过微波辐射产生的热应力使液态水迅速气化形成高温高压蒸汽，继续致裂煤层、促进瓦斯解吸，避免液态水引发水锁效应，形成对瓦斯流动通道的封堵，从而不利于煤层瓦斯抽采的现象发生。
本实用新型应用注热蒸汽与微波协同增透煤层的强化瓦斯抽采方法，包括如下步骤：
a.在抽采巷内施工穿煤层底板2向煤层1直至煤层顶板3的增透钻孔5，按相同方式在距离增透钻孔5的周围3～5m处施工4～6个抽采钻孔4，增透钻孔5和抽采钻孔4均施工进入煤层顶板3的0.5m左右。
b.将瓦斯抽采支管6送入至抽采钻孔4的煤层1段；将连接在同轴波导9前端的微波天线8送入防护管10底端，并将其与蒸汽传输管7一并送入至增透钻孔5的煤层1段，随后按常规对抽采钻孔4、增透钻孔5实施封孔。
c.将同轴波导9的外露端与波导转换器11、矩形波导12、微波发生器13依次相连；将蒸汽传输管7的外露端与蒸汽发生器16连接，并在该连接管路上装设高温截止阀14、蒸汽压力表15。
d.将瓦斯抽采支管6外露端与集水器18、瓦斯抽采系统管网20依次连接，并在集水器18两端的连接管路上分别装设截止阀17；打开瓦斯抽采管路上的截止阀17、截止阀19，启动瓦斯抽采。
e.开启蒸汽发生器16并打开设在管路上的高温截止阀14，向增透钻孔5注入温度不低于150℃、压力不小于0.7MPa的高温蒸汽以增透煤层，并通过蒸汽压力表15监测增透钻孔5内的蒸汽压力变化，确定蒸汽压力达到预定值并维持不少于1 h即可依次关闭高温截止阀14和蒸汽发生器16。
f.当蒸汽传输管7外端管壁温度降至50~60℃后，判断增透钻孔5内的水蒸气逐渐冷凝为液态水，可开启微波发生器13将微波信号通过矩形波导12、波导转换器11和同轴波导9传输至微波天线8并辐射增透钻孔5的周边煤层，使液态水迅速气化形成高温高压蒸汽，继续致裂煤层、促进瓦斯解吸渗流并驱替瓦斯向抽采钻孔4运移。
g.重复步骤e和f，进行注热蒸汽与微波辐射的循环作业，持续强化煤层瓦斯抽采。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
