[0001] 本发明涉及煤层瓦斯抽采领域，尤其涉及一种多耦合煤层瓦斯增透抽采方法及抽采装置。

[0002] 我国煤层气储量丰富，煤层气的抽采不仅可以缓解能源紧缺的局面，还可以保护环境和防治瓦斯灾害。

[0003] 目前，煤层气的“高储低渗”的特点一直制约煤层气工业的发展。为解决此问题，现有技术进一步研发出了如下多种增透技术：

[0004] 1、保护层开采增透技术：开采保护层是通过先开采无突出危险的煤层，来使被保护层达到卸压消除突出危险的目的。由于保护层开采造成的采动影响，使其顶板和底板一定范围内的煤(岩)层内的瓦斯因卸压、膨胀同时产生采动裂隙，从而大幅度的增加煤层透气性，通过抽采卸压瓦斯使煤层瓦斯压力和瓦斯含量大幅降低。

[0005] 2、地面水力压裂：简称为水力压裂或压裂，是一种用于提高地下油、气藏渗透性和生产效率的技术。核心原理是利用高压液体在地层中创造和扩展裂缝，从而改善流体(如石油和天然气)的流动路径，进而提升油井或气井的产量。

[0006] 3、井下水力压裂技术：井下水力压裂必须有岩石段作为保护，一般通过底板巷向上部煤层打钻孔，高压水通过钻孔注入煤层当中，当煤层在高压水的作用下致使煤层超过承受最大破裂压力时，裂缝将会沿着水孔周围产生，并沿着煤体承受最小垂直应力的方向延伸。

[0007] 4、深孔控制预裂爆破技术：深孔控制预裂爆破不同于普通爆破，其特点是利用控制孔增加了爆破孔周围的自由面，在炸药的作用下会产生爆炸空腔，空腔的壁上会因爆破产生炮径3倍以上的裂隙。同时，爆破产生的爆燃气体和高压瓦斯混合气体在爆炸力的作用下沿着裂隙共同作用于裂隙面进一步形成大量的裂隙网。

[0008] 5、二氧化碳相变致裂提高煤层透气性技术：二氧化碳的物理性质具有以下特点：在低于31℃、压力大于7.35MPa时以液态存在，但当温度超过31℃时开始气化，且压力随温度的变化而不断变化。通过二氧化碳这一性质，将液态二氧化碳注入爆破管中，通过触发发热材料瞬间发热使储液管内液态二氧化碳气化升压(体积膨胀600倍以上)破坏定压剪切片，由释放管喷瞬间喷出高压、高速的超临界二氧化碳气体破坏煤(岩)体，从而达到爆破致裂的目的。

[0009] 6、高压空气致裂煤体提高煤层透气性技术：高压空气压缩机产生的高压空气经定向释放装置瞬间释放，形成的高压空气流定向压入煤体，沿煤体原生裂隙流动并破碎煤体，促使裂隙扩展、延伸，大幅度提高裂隙长度并形成新的次生裂隙，增大煤体的透气性，达到提高低透气性煤层瓦斯抽采效率的目的。

[0010] 7、水力冲孔：水力冲孔利用高压水通过钻孔作用煤层，破坏煤体结构，使煤体结构发生改变，冲出煤体使煤层产生更多的空腔，改变了钻孔周围应力变化，使大量的瓦斯气体释放，达到了局部卸压，增加了煤层的透气性，对煤层抽采效果显著的作用。

[0011] 8、水力割缝：水力割缝技术是将高压水通过钻孔对预增透的煤体进行切割增透，通过切割使钻孔产生大量缝隙，提高煤层透性，破坏了煤体的物理结构，提高了单孔瓦斯抽采量，为瓦斯流动提供了良好的条件。

[0012] 9、大直径钻孔增透技术：煤层施工钻孔后其周围应力发生变化，且钻孔周边的卸压区域的大小与钻孔的直径成正比例关系。当钻孔直径增加到一定程度后，可大大增加钻孔的卸压半径，扩大煤体的暴露表面积，起到增加煤层透气性的效果。

[0013] 可知现有的增透技术多对单方向的研究，但是煤层环境复杂，利用单个增透技术产生的裂缝较少，增透效果较差。

[0052] 为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

[0053] 需要说明的是，术语“包括”和“具有”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0054] 相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0055] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。

[0056] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0057] 如图1所示，一种多耦合煤层瓦斯增透抽采方法，包括以下步骤：

[0058] S1、制备大孔沸石泡沫，并利用制备的大孔沸石泡沫吸附高压二氧化碳，大孔沸石泡沫吸附的高压二氧化碳压力为25MPa～30MPa；

[0059] 步骤S1具体包括以下步骤：

[0060] S11、制备大孔沸石泡沫：

[0061] S111、合成NaA沸石晶种：首先按照SiO2:Al2O3:Na2O:H2O＝2:1:9:700的配比称取原料，并将原料溶于去离子水中进行搅拌至均匀，然后向去离子水中加入制备完毕的NaA沸石晶种，搅拌，利用NaA沸石晶种促进晶核的形成，然后进行水热晶化设定时间，直至得到NaA沸石晶种，其中水热温度为80°C～120℃，水热时间为2天；

[0062] S112、大孔载体的选择与预处理：选取α～Al2O3或者γ～Al2O3作为大孔载体，并对大孔载体进行清洗、干燥和酸洗，以去除杂质并增加表面活性位点；

[0063] S113、晶种沉积：将由步骤S111合成好的NaA沸石晶种通过涂布、浸渍或喷涂的方式均匀沉积附着到步骤S112制备的大孔载体表面上；

[0064] S114、二次生长：将附着有NaA沸石晶种的大孔载体在水热条件下进行二次生长，促使NaA沸石晶种在大孔载体表面及孔道内部继续生长，形成连续的沸石层，获得大孔沸石泡沫，且大孔沸石泡沫的孔隙孔径为20um～100um，其中水热条件为：水热温度为75℃～85℃，水热时间为20小时～35小时，真空度为200～300Pa；

[0065] S12、吸附高压二氧化碳：

[0066] S121、预处理：在高温下脱气，去除占据大孔沸石泡沫的孔隙的残留气体或水分，其中温度条件为180℃～200°；

[0067] S122、高压气体导入：将预处理后的大孔沸石泡沫置于高压容器后，引入高压二氧化碳气体，在设定条件下二氧化碳分子被大孔沸石泡沫的微孔和介孔吸附，直至达到吸附平衡，其中，设定条件为：温度为50℃～100℃，压力为80bar～150bar，时间为10h～15h；

[0068] S123、将制备完毕的大孔沸石泡沫存储至高压料仓内部。

[0069] S2、利用高压管道将吸附有高压二氧化碳的大孔沸石泡沫输送至置于煤层底板3岩石巷道内的高压存储罐11内备用；

[0070] S3、定向钻孔4以及利用冲击波同步形成主干裂缝：利用布置于煤层底板3岩石巷道内的定向钻机6倾斜向上对煤层2进行多段钻孔4，且在伸入煤层2段后的每段钻孔4完成后，空心钻杆5退回设定距离，采用油管推送的方法向空心钻杆5内推入环形冲击波发生机构，直至环形冲击波发生机构伸出当前段的空心钻杆5且与钻孔4圆周侧接触，打开环形冲击波发生机构，产生的冲击波作用于钻孔4圆周侧的煤层2产生主干裂缝，往复直至钻孔4穿过煤层2段，并进入煤层顶板1设定距离后，终止钻孔4，退出空心钻头和空心钻杆5；

[0071] 在步骤S3中，每段钻孔4的长度为5m～10m；空心钻杆5退回设定距离不小于环形冲击波发生机构的长度；冲击波的强度为180MPa～199MPa；钻孔4穿过煤层2段并进入煤层顶板1设定距离为50cm～100cm。

[0072] S4、对钻孔4端面封口，并接入高压水，利用高压水冲击主干裂缝位置，对主干裂缝进行扩展、延伸，得到分支裂缝，设定时间后，抽出钻孔4内的水；

[0073] 在步骤S4中，高压水的水压为0.5Mpa～1Mpa，水温为110℃～120℃。

[0074] S5、将与高压存储罐11连通的注料管10推入钻孔4，且在达到与主裂缝位置和分支裂缝位置对准的位置喷射吸附有高压二氧化碳的大孔沸石泡沫，吸附有高压二氧化碳的大孔沸石泡沫进入主裂缝和分支裂缝后，吸附有高压二氧化碳的大孔沸石失去高压环境，高压二氧化碳释放，利用释放高压二氧化碳产生的冲击，进一步扩展、延伸主裂缝和分支裂缝，并在分支裂缝的基础上形成树杈裂缝，从而得到树形结构的裂缝，同时释放完毕高压二氧化碳的大孔沸石泡沫吸附树形结构的裂缝内的残留水膨胀，支撑树形结构的裂缝；

[0075] 本实施例中可记录环形冲击波发生机构的伸入长度，以与主裂缝的发生位置匹配。

[0076] S6、撤回注料管10，在钻孔4位置连通负压吸附装置，抽取瓦斯。

[0077] 如图2～图5所示，所述的一种多耦合煤层2瓦斯增透抽采方法的抽采装置，包括置于煤层底板3岩石巷道内的钻孔4装置、冲击波产生装置、高压水注入装置以及大孔沸石泡沫注入装置，其中钻孔4装置为定向钻机6，定向钻机6的输出端依次设置有至少一段空心钻杆5和空心钻头；冲击波产生装置包括穿入空心钻杆5内部的至少一段连接杆18以及设置于连接杆18伸入空心钻杆5一端的环形冲击波发生机构，环形冲击波发生机构包括围绕连接杆18呈圆周阵列布置的多个冲击波发生器20，多个冲击波发生器20均经径向弹性伸缩杆19与连接杆18固定连接，且每段连接杆18分别与每段空心钻杆5对准。径向弹性伸缩杆19包括一端与连接杆18的外圆周侧固定连接的外管、与外管的另一端径向滑动连接的内管以及设置于外管和内管之间的压缩弹簧，内管远离外管的一端固定有冲击波发生器20，通过设置径向弹性伸缩杆19，便于环形冲击波发生机构穿出空心钻杆5后，在压缩弹簧恢复力的作用下，将环形冲击波发生机构压向钻孔4内壁，使得环形冲击波发生机构与煤层2接触，提高增透效果。

[0078] 高压水注入装置包括储水箱8和第一加压泵，储水箱8的上下两端分别连通有回水管7和注水管9，回水管7上设置有抽水泵，本实施例的储水箱8内部且位于回水管7的下方位置固定有滤网，注水管9上设置有第一加压泵，注水管9和回水管7远离储水箱8的一端均设置有封口环13，封口环13的一侧凸出形成封口柱15，封口柱15上开设有注水口，封口柱15与钻孔4内壁适配，且封口柱15面向钻孔4内壁的一侧设置有环形气囊14，可在将注水管9的封口柱15卡入钻孔4后，并对其环形气囊14充气，直至环形气囊14压紧钻孔4内壁，实现钻孔4端面的封口，而后打开第一加压泵向钻孔4内注入加压后的水，并在设定时间后，对环形气囊14的抽气后，拔出注水管9，并用相同方法插入回水管7，打开抽水泵，将钻孔4内的水再次抽至储水箱8内，实现循环利用。

[0079] 优选的，大孔沸石泡沫注入装置包括高压存储罐11和与高压存储罐11连通的第二加压泵12，高压存储罐11上设置有压力传感器，压力传感器经控制器与第二加压泵12电性连接；

[0080] 高压存储罐11的顶端设置有进料口，进料口经高压管道与置于地面上的高压料仓连通，高压管道上设置有气流发生器；

[0081] 高压存储罐11的顶端设置有出料口17，出料口17与注料管10的一端连通，注料管10的另一端伸入钻孔4内部，且伸入钻孔4内部的注料管10的一端为盲端，且注料管10靠近盲端一端的内圆周侧设置有螺旋导向通道16，注料管10上且对应螺旋导向通道16的出料端的位置开设有出料口17，出料口17与注料管10的外圆周侧相切；本实施例设置有多层螺旋导向通道16，且每层螺旋导向通道16均对应一个出料口17。

[0082] 因此，本发明采用上述多耦合煤层瓦斯增透抽采方法及抽采装置，通过冲击波发生器开缝，形成主干裂缝，再配合注水开分支裂缝，高压二氧化碳开树杈裂缝，从而得到树形裂缝，同时利用大孔沸石泡沫吸附残留水，避免对地下水影响的同时，支撑裂缝，增加了增透效果。

[0083] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。