本發(fā)明涉及一種液態(tài)二氧化碳相變定向爆破致裂裝置，主要用于對煤巖進(jìn)行二氧化碳相變爆破致裂。

背景技術(shù)：

目前，礦井瓦斯是影響我國煤礦安全生產(chǎn)的主要因素，在我國導(dǎo)致人員死亡的煤礦事故中，瓦斯事故所占比重較大，重特大事故尤其突出。同時(shí)，煤層氣又是一種潛在的潔凈的能源，在當(dāng)前能源緊張的局勢下，加快煤層氣開發(fā)利用，對改善我國能源結(jié)構(gòu)、能源的充分利用和減少環(huán)境污染等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究表明，我國50％以上的煤層為高瓦斯煤層，埋深2000m以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36.81萬億立方米，居世界第三位，瓦斯儲量相對豐富，因此有效開采和利用煤層瓦斯對保障我國能源安全和煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)都具有重要意義。

為了劃分煤層瓦斯抽采難易程度，相關(guān)學(xué)者提出了“煤層透氣性系數(shù)”的概念，它是表征煤層對瓦斯流動的阻力、反映瓦斯沿煤層流動難易程度的系數(shù)。《GB50471-2008煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》按照煤層透氣性系數(shù)對煤層瓦斯抽采難易程度進(jìn)行劃分，規(guī)定煤層透氣性系數(shù)小于0.1(m²/MPa²·d)即為較難抽采煤層。中國礦業(yè)大學(xué)周世寧院士研究指出“我國埋深2000米以內(nèi)煤層氣地質(zhì)資源量約36.81萬億m³，由于我國煤層氣賦存條件復(fù)雜，煤層滲透率一般在(0.1～0.001)×10^-3μm²范圍內(nèi)，比美國低2～3個(gè)數(shù)量級，造成我國煤層瓦斯含量高、煤礦安全生產(chǎn)形勢嚴(yán)峻?！币虼诵枰獙γ簩舆M(jìn)行人工強(qiáng)化增透。有關(guān)學(xué)者提出了采用水力壓裂、深孔預(yù)裂增透等措施取得了一定的效果，但在應(yīng)用過程中還存在種種不足，因此，迫切需要提出一種新的煤層增透瓦斯抽采方法及其設(shè)備。

近年來，一些國內(nèi)學(xué)者提出了采用液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)進(jìn)行低滲煤層增透的方法，二氧化碳相變致裂技術(shù)原理如下：在鉆孔內(nèi)裝入預(yù)先裝入液態(tài)二氧化碳的儲液棒，接通電流啟動儲液管發(fā)熱器，管內(nèi)二氧化碳迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，使其壓力劇增至130MPa～270MPa，高壓液態(tài)二氧化碳沖破定壓剪切片迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積膨脹600多倍，二氧化碳?xì)怏w透過釋放管的排放孔，迅速向外爆發(fā)，利用瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大推力，二氧化碳?xì)怏w沿自然或被引發(fā)的裂隙面使巖體產(chǎn)生張拉裂隙，致使巖石破碎。液態(tài)二氧化碳相變致裂屬于物理致裂過程，采用低壓啟動(9v)，比傳統(tǒng)爆破更安全，且不需要驗(yàn)炮，爆破后即可進(jìn)人，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。該技術(shù)應(yīng)用于煤層增透瓦斯抽采的原理有兩方面：第一，利用相變瞬間釋放的壓力使得巖體產(chǎn)生張拉裂隙，致使煤體破碎，增加煤巖體內(nèi)瓦斯運(yùn)移通道；第二，致裂瞬間大量二氧化碳?xì)怏w，煤體對二氧化碳的吸附能力遠(yuǎn)大于甲烷，游離狀態(tài)的二氧化碳被煤體吸附，占據(jù)一定的吸附位，致使煤體內(nèi)吸附狀態(tài)的甲烷轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，從而增加煤層裂隙內(nèi)的游離瓦斯含量。在以上兩方面作用下，由負(fù)壓抽采系統(tǒng)將裂隙內(nèi)游離瓦斯匯集到抽采管路，實(shí)現(xiàn)低滲煤層瓦斯高效抽采。

液態(tài)二氧化碳相變爆破技術(shù)最早由美國埃多克斯公司開發(fā)，早期用于管道清堵、大型儲罐管壁清理，以及采石場大規(guī)模開挖等，因其安全性高，易控制，在其他爆破領(lǐng)域也獲得了廣泛的應(yīng)用。這些年國內(nèi)也開發(fā)了各種各樣的二氧化碳相變致裂裝置，諸如申請?zhí)枮椤?01520283079.3”、“201520285309.X”、“201510489513.8”和“201510556527.7”等專利申請公開了目前國內(nèi)較為前沿的二氧化碳相變致裂裝置。這些二氧化碳相變致裂裝置主要包括用于裝載液態(tài)二氧化碳的儲液管和用于釋放二氧化碳?xì)怏w的釋放管，均存在以下不足：

一、不具有導(dǎo)向裝置，釋放孔在鉆孔內(nèi)位置及二氧化碳致裂釋放孔朝向都不能進(jìn)行監(jiān)測及調(diào)整，無法實(shí)現(xiàn)定向致裂。研究表明，高壓氣體在煤巖體內(nèi)致裂裂隙擴(kuò)展會沿煤層最大地應(yīng)力方向進(jìn)行擴(kuò)展，因此定向致裂對于提高二氧化碳相變致裂裝置的致裂效率具有重要應(yīng)用意義。

二、釋放管結(jié)構(gòu)單一，釋放孔角度、形狀、數(shù)量、釋放管長度等沒有進(jìn)行多樣化設(shè)計(jì)，不能滿足不同致裂強(qiáng)度的要求，致裂效果單一。

三、沒有專用的封孔器，由于二氧化碳相變致裂設(shè)備需要回收重復(fù)利用，因此傳統(tǒng)水泥漿液、化學(xué)封孔方法都不能滿足封孔需要，目前在實(shí)踐過程中，均沒有有效封孔裝置，在一定程度上影響了致裂效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種可進(jìn)行定向爆破致裂的液態(tài)二氧化碳相變定向爆破致裂裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種液態(tài)二氧化碳相變定向爆破致裂裝置，包括儲液管和固定連接在儲液管前端的釋放管，在所述儲液管的后端固定連接有定向管，在所述定向管內(nèi)固定有電源和電子羅盤，所述電源與電子羅盤電連接，并且電子羅盤還與位于定向管外的顯示器電連接。

本發(fā)明通過在儲液管后端固定連接定向管，在定向管內(nèi)設(shè)置電子羅盤，電子羅盤與外部的顯示器連接，從而對釋放管在鉆孔內(nèi)的軌跡、傾角、旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，便于調(diào)整釋放管的位置及釋放孔/縫的方向，從而進(jìn)行定向致裂，有利于提高液態(tài)二氧化碳相變定向爆破致裂的效率。

所述釋放管包括釋放管體、堵頭和釋放管連接頭，所述釋放管體的前端與堵頭螺紋連接，所述堵頭將釋放管體的前端封閉，所述釋放管體的后端與釋放管連接頭的前端螺紋連接，在所述釋放管連接頭內(nèi)開有與釋放管體貫通的過孔，在所述釋放管體的管壁上開有釋放孔或者釋放縫。所述釋放管的結(jié)構(gòu)簡單、牢固、裝卸方便，釋放管后端連接釋放管連接頭，便于與后續(xù)的儲液管連接。

作為優(yōu)選之一，在所述釋放管體的管壁開有沿釋放管體軸向布置的釋放縫，所述釋放縫相對布置有兩條。這樣設(shè)置釋放縫，氣體的釋放出口相對集中，釋放能量大，對釋放縫鉆孔周邊煤體形成狹長致裂裂隙，形成致裂影響區(qū)，適用于煤層定向致裂。

作為優(yōu)選之一，在所述釋放管體的管壁開有四個(gè)周向均布的釋放孔，其中相對的兩個(gè)釋放孔中心線后端相交、相交夾角α呈120°。釋放孔數(shù)量少，高壓氣體釋放集中，釋放能量大，對鉆孔周邊煤體形成均勻致裂裂隙，適用于硬質(zhì)煤層或巖層的致裂。

作為優(yōu)選之一，在所述釋放管體的管壁開有四列沿釋放管體軸向排列的釋放孔，該四列釋放孔周向均布，并且相對的兩列釋放孔中心線后端相交，該相對的兩列釋放孔中心線夾角β呈90°，相鄰的兩列釋放孔沿軸向錯(cuò)位。這樣設(shè)置釋放孔，便于對鉆孔周邊煤體形成均勻致裂裂隙，形成致裂影響區(qū)。釋放孔數(shù)量多，致裂效果均勻，適用于煤層增透瓦斯抽采。

以上提供了三種不同的釋放管體結(jié)構(gòu)，可攜帶支撐擠，滿足煤層定向致裂、巖土體松動爆破等多種功能。

所述儲液管包括儲液管體和儲液管連接頭，所述儲液管體的前端與釋放管連接頭的后端螺紋連接，并且在所述釋放管連接頭的后端與儲液管體內(nèi)腔之間固定有爆破片，所述爆破片正對釋放管連接頭過孔的后端；在所述儲液管體內(nèi)的后部安裝有電加熱器，所述電加熱器與位于儲液管外的加熱電源電連接；在所述儲液管體的后端固定連接有儲液管連接頭，在所述儲液管連接頭上開有充液孔，所述充液孔的一端與儲液管體內(nèi)腔貫通，充液孔的另一端貫通儲液管外壁，在所述儲液管連接頭上還設(shè)有控制充液孔開閉的閥門。儲液管的結(jié)構(gòu)簡單、牢固、裝卸方便。充液孔和閥門的設(shè)置便于向儲液管內(nèi)充裝液態(tài)二氧化碳。

所述定向管包括定向管體，所述定向管體的前端與儲液管連接頭的后端螺紋連接，在所述定向管體內(nèi)固定有與定向管體內(nèi)腔相適應(yīng)的橡膠塊，所述電源和電子羅盤均通過橡膠塊固定在定向管體內(nèi)，所述電源由鋰電池構(gòu)成，在所述定向管體的后端螺紋連接有定向管連接頭。定向管的結(jié)構(gòu)簡單，電子羅盤和電源的安裝方便、穩(wěn)定。

在所述定向管的后端連接有推進(jìn)管，所述推進(jìn)管包括推進(jìn)管體，所述推進(jìn)管體的前端與定向管連接頭的后端螺紋連接，在所述推進(jìn)管體的后端螺紋連接有推進(jìn)管連接頭。推進(jìn)管結(jié)構(gòu)簡單，通過增加推進(jìn)管，便于將釋放管送入制定的鉆孔深度。

在所述推進(jìn)管的后端連接有封孔器，所述封孔器包括封孔管體，所述封孔管體的前端與推進(jìn)管連接頭的后端螺紋連接，在所述封孔管體內(nèi)自后向前插裝有螺桿，所述螺桿與封孔管體螺紋配合，在螺桿的前端安裝有四個(gè)周向均布的長連桿，所述長連桿的一端與螺桿前端正中鉸接，每一所述長連桿的另一端均穿過封孔管體上對應(yīng)開設(shè)的切縫并各自連接有軸瓦，所述軸瓦的前部與長連桿鉸接，在所述軸瓦的后部與長連桿前部之間還鉸接有短連桿，當(dāng)螺桿在封孔管體內(nèi)伸縮時(shí)，所述軸瓦撐開或收攏；在所述軸瓦外套裝有管狀的橡膠套，所述橡膠套的前后兩端與封孔管體固定。采用上述結(jié)構(gòu)，對螺桿施加扭矩，螺桿在封孔管體內(nèi)前進(jìn)，長連桿和短連桿轉(zhuǎn)動，向外推動軸瓦，使橡膠套向外撐開，使橡膠套與鉆孔孔壁緊密接觸，實(shí)現(xiàn)封孔的目的；這樣的機(jī)械封孔穩(wěn)定可靠，并且可以有效防止液態(tài)二氧化碳相變定向爆破致裂裝置沿鉆孔下滑。

在相對的兩個(gè)長連桿之間連接有復(fù)位彈簧。設(shè)置復(fù)位彈簧，便于封孔器的退出。

有益效果：本發(fā)明通過在儲液管后端固定連接定向管，在定向管內(nèi)設(shè)置電子羅盤，電子羅盤與外部的顯示器連接，從而對釋放管在鉆孔內(nèi)的軌跡、傾角、旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，便于進(jìn)行定向致裂，有利于提高液態(tài)二氧化碳相變定向爆破致裂的效率，具有構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)簡單、改造容易，改造成本低等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例一中釋放管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為實(shí)施例二中釋放管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為實(shí)施例三中釋放管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為儲液管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為定向管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為推進(jìn)管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為封孔器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記如下：堵頭1、釋放管體2、釋放縫2a、釋放孔2b、釋放管連接頭3、過孔3a、爆破片4、儲液管體5、電加熱器6、儲液管連接頭7、充液孔7a、閥門7b、定向管體8、橡膠塊9、電子羅盤10、電源11、定向管連接頭12、推進(jìn)管體13、推進(jìn)管連接頭14、復(fù)位彈簧15、橡膠套16、短連桿17、軸瓦18、長連桿19、螺桿20、封孔管體21。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述的實(shí)施例示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述實(shí)施例是示例性的，旨在解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。下面結(jié)合附圖，通過對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的描述，使本發(fā)明的技術(shù)方案及其有益效果更加清楚、明確。

實(shí)施例一：

如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括儲液管和固定連接在儲液管前端的釋放管。所述釋放管包括釋放管體2、堵頭1和釋放管連接頭3，所述釋放管體2的前端與堵頭1螺紋連接，并在堵頭1與釋放管體2之間設(shè)置墊片密封，所述堵頭1將釋放管體2的前端封閉。所述釋放管體2的后端與釋放管連接頭3的前端螺紋連接，并設(shè)置有墊片密封，在所述釋放管連接頭3內(nèi)開有與釋放管體2貫通的過孔3a。在所述釋放管體2的管壁上開有釋放孔2b或者釋放縫2a。本實(shí)施例優(yōu)選在所述釋放管體2的管壁開有沿釋放管體2軸向布置的釋放縫2a，所述釋放縫2a相對布置有兩條。所述釋放管體2外徑為90mm，內(nèi)徑60mm，長度為955mm，釋放縫2a寬5mm、長750mm，釋放縫2a從管體后端145mm處開始開縫。

如圖1和圖5所示，所述儲液管包括儲液管體5和儲液管連接頭7，所述儲液管體5的前端與釋放管連接頭3的后端螺紋連接并設(shè)置墊片密封，并且在所述釋放管連接頭3的后端與儲液管體5內(nèi)腔之間固定有爆破片4，所述爆破片4正對釋放管連接頭3過孔3a的后端。在所述儲液管體5內(nèi)的后部安裝有電加熱器6，所述電加熱器6與位于儲液管外的加熱電源11電連接。在所述儲液管體5的后端固定連接有儲液管連接頭7并設(shè)置墊片密封，在所述儲液管連接頭7上開有充液孔7a，所述充液孔7a的一端與儲液管體5內(nèi)腔貫通，充液孔7a的另一端貫通儲液管體5的外壁，在所述儲液管連接頭7上還設(shè)有控制充液孔7a開閉的閥門7b。

如圖1和圖6所示，在所述儲液管的后端固定連接有定向管，在所述定向管內(nèi)固定有電源11和電子羅盤10，所述電源11與電子羅盤10電連接，并且電子羅盤10還與位于定向管外的顯示器電連接。所述定向管包括定向管體8，為了避免三維電子羅盤10受地磁干擾，所述定向管體8采用鋁合金管體。所述定向管體8的前端與儲液管連接頭7的后端螺紋連接、并設(shè)置墊片密封。在所述定向管體8內(nèi)固定有與定向管體8內(nèi)腔相適應(yīng)的橡膠塊9，所述電源11和電子羅盤10均通過橡膠塊9固定在定向管體8內(nèi)，所述電源11由鋰電池構(gòu)成，在所述定向管體8的后端螺紋連接有定向管連接頭12、并設(shè)置墊片密封。

如圖1和圖7所示，在所述定向管的后端連接有推進(jìn)管，所述推進(jìn)管包括推進(jìn)管體13，所述推進(jìn)管體13的前端與定向管連接頭12的后端螺紋連接、并設(shè)置墊片密封。在所述推進(jìn)管體13的后端螺紋連接有推進(jìn)管連接頭14，并設(shè)置墊片密封。所述推進(jìn)管的長度根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置，并且為了便于靈活使用，所述推進(jìn)管可以采用一定的標(biāo)準(zhǔn)長度，實(shí)際使用中由多根標(biāo)準(zhǔn)長度的推進(jìn)管首尾對接組成整體使用。

如圖1和圖8所示，在所述推進(jìn)管的后端連接有封孔器，所述封孔器包括封孔管體21，所述封孔管體21的前端與推進(jìn)管連接頭14的后端螺紋連接并設(shè)置墊片密封。在所述封孔管體21內(nèi)自后向前插裝有螺桿20，所述螺桿20與封孔管體21螺紋配合，在螺桿20的前端安裝有四個(gè)周向均布的長連桿19。所述長連桿19的一端與螺桿20前端正中鉸接，每一所述長連桿19的另一端均穿過封孔管體21上對應(yīng)開設(shè)的切縫并各自連接有軸瓦18。所述軸瓦18的前部與長連桿19鉸接，在所述軸瓦18的后部與長連桿19前部之間還鉸接有短連桿17。當(dāng)螺桿20在封孔管體21內(nèi)伸縮時(shí)，所述軸瓦18撐開或收攏。在所述軸瓦18外套裝有管狀的橡膠套16，所述橡膠套16的前后兩端與封孔管體21固定。在相對的兩個(gè)長連桿19之間連接有復(fù)位彈簧15。

如圖1至圖8所示，在所述電加熱器6和電子羅盤10上分別連接有相應(yīng)的導(dǎo)線，用于傳送電源或者信號。在所述儲液管體5、定向管體8、推進(jìn)管體13和封孔管體21內(nèi)分別設(shè)置有連接導(dǎo)線，在所述儲液管體5、定向管體8、推進(jìn)管體13和封孔管體21的對應(yīng)端頭分別設(shè)置有用于對接的插線柱，各管體端頭的插線柱與相應(yīng)的連接導(dǎo)線連接，從而實(shí)現(xiàn)電加熱器6和電子羅盤10與外界電源和顯示器的連接。

實(shí)施例二：

如圖1和圖3所示，在所述釋放管體2的管壁開有四個(gè)周向均布的釋放孔2b，其中相對的兩個(gè)釋放孔2b中心線后端相交、相交夾角α呈120°。所述釋放管體2長213.26mm，外徑90mm，內(nèi)徑60mm，所述釋放孔2b的孔徑為20mm，并且釋放孔2b位于釋放管體2自后向前105mm處。本實(shí)施例的其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同，在此不做贅述。

實(shí)施例三：

如圖1和圖4所示，在所述釋放管體2的管壁開有四列沿釋放管體2軸向排列的釋放孔2b，該四列釋放孔2b周向均布，并且相對的兩列釋放孔2b中心線后端相交，該相對的兩列釋放孔2b中心線夾角β呈90°，相鄰的兩列釋放孔2b沿軸向錯(cuò)位。所述釋放管體2長955mm，外徑90mm，內(nèi)徑60mm，所述釋放孔2b孔徑為20mm。其中兩列相對的釋放孔2b軸向分布有8個(gè)，從釋放管體2后端175mm處開始，每隔100mm設(shè)置一個(gè)。另外兩列相對的釋放孔2b軸向分布有7個(gè)，從釋放管體2后端245mm處開始，每隔100mm設(shè)置一個(gè)。本實(shí)施例的其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同，在此不做贅述。