本发明属于瓦斯灾害防治及地热资源开采，具体涉及一种深部煤层热、气共采区域防灾及资源利用系统。
背景技术：
1、随着矿井开采深度逐渐增大，煤层瓦斯含量和地层温度也在不断增加；矿井瓦斯灾害和矿井热害严重影响着井下作业人员的健康和矿井高效安全生产，因此，做好矿井瓦斯灾害和矿井热害的防治工作是深部煤层开采的关键。在矿井开采中，往往是按照从上到下的地层顺序来开采煤层的，深部煤层往往属于未开采或不可开采的状态，但在开采本煤层时，深部煤层瓦斯会不断涌入矿井，增大了瓦斯防治压力，此时深部煤层并没有抽放瓦斯的巷道，如果预先开掘深部煤层底板巷来进行瓦斯抽放，则会大大增加工程量；如果仅采用上部采区的瓦斯防治措施就可以达到抽放深部煤层瓦斯的目的，这不仅减少了涌入本煤层采区的瓦斯量，而且对深部煤层进行了卸压，为深部煤层的开采做了有利的准备。深部煤层蕴含着大量瓦斯气体，在地层温度的作用下，深部煤层瓦斯具有了高温的属性，在开采时高温瓦斯不仅会造成安全隐患，而且高温形成的热害严重影响着井下人员的健康。现提供一种深部煤层热—气共采区域防灾—资源利用系统，既能在不过大增加工程量的条件下对深部煤层进行卸压，有利于深部煤层的开采，又能采集煤层气资源及地热资源，不但符合可持续发展的理念，而且为煤矿带来更多的收益。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种深部煤层热、气共采区域防灾及资源利用系统，解决了深部煤层区域瓦斯防治困难的问题，既开采了煤层气资源，同时又利用了地热资源。
2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：深部煤层热、气共采区域防灾及资源利用系统，包括注液端竖井段双层套管、造斜段双层套管、水平井段双层套管、抽采端竖井段双层套管、气水分流装置、中央保温储水箱、地面瓦斯抽放泵和若干环形封隔器；
3、注液端竖井段双层套管下端与造斜段双层套管左上端连接，造斜段双层套管右下端与水平井段双层套管左端连接，水平井段双层套管右端与抽采端竖井段双层套管下端连接；
4、若干环形封隔器沿左右方向间隔设在水平井段双层套管上，气水分流装置设在抽采端竖井段双层套管上端口，气水分流装置的出水口与中央保温储水箱连接，气水分流装置的出气口通过地面瓦斯抽放泵汇入瓦斯主管路。
5、注液端竖井段双层套管、造斜段双层套管和抽采端竖井段双层套管的结构相同，均包括若干节串联的聚氨酯保温外套管和若干节穿串联的聚氨酯保温内套管，聚氨酯保温外套管内圆和聚氨酯保温内套管外圆之间通过十字交叉的第一连接杆固定为一体，每节聚氨酯保温外套管和聚氨酯保温内套管的两端各错开100mm安装固定第一连接杆。
6、水平井段双层套管包括外层的割缝衬管和内层的铜管，割缝衬管内圆和铜管外圆之间通过十字交叉的第二连接杆固定为一体。
7、每个环形封隔器均包括安装筒、吸水膨胀胶筒、两个限位环和若干个弓形扶正片，安装筒同轴向套装在割缝衬管上，吸水膨胀胶筒和两个限位环均套装在安装筒外圆上，两个限位环分别位于吸水膨胀胶筒左端和右端，限位环周向设有多个螺钉，螺钉依此穿过限位环、安装筒和割缝衬管，将安装筒固定到割缝衬管上的同时也将吸水膨胀胶筒固定在安装筒上；弓形扶正片分别设置在吸水膨胀胶筒左、右两侧的安装筒外圆上，安装筒左侧和右侧均开设有沿圆周方向均匀布置的若干组定位结构，每组定位结构均包括左右间隔布置的两个卡槽，每个弓形扶正片两端均折弯后插设安装在每组定位结构的两个卡槽内；吸水膨胀胶筒是由弹性体和亲水性物质组成的多组分体系。
8、气水分流装置包括外分气管、排气管和排水保温管，外分气管下端通过法兰盘组件与抽采端竖井段双层套管的聚氨酯保温外套管上端口连接，外分气管上端口封堵，外分气管上侧部与排气管连接，抽采端竖井段双层套管的聚氨酯保温内套管上端穿过外分气管与排水保温管连接，排气管上设有气体综合监测仪表和排气控制阀，排水保温管上设有液体综合监测仪表和排水控制阀，地面瓦斯抽放泵设置在排气管上，排气管的出口与瓦斯主管路连接，排水保温管的出口与中央保温储水箱连接。
9、采用上述技术方案，本发明的工作过程具体如下：在预定地点垂直钻进注液端竖井段和抽采端竖井段，在注液端竖井段底部进行造斜，然后对注液端竖井段、抽采端竖井段和造斜段进行固井，固井完成后进行水平井段的钻进，水平井段和抽采端竖井段下端完成对接后开始下入注液端竖井段双层套管、造斜段双层套管、水平井段双层套管、抽采端竖井段双层套管；抽采端竖井段双层套管在地面上连接设气水分流装置；气水分流装置分别连接中央保温储水箱和地面瓦斯抽放泵；
10、水平井段双层套管的外层的割缝衬管安装若干个环形封隔器，单个环形封隔器的安装固定过程为：先将环形封隔器的安装筒套到割缝衬管上，接着将吸水膨胀胶筒套装到安装筒中部，然后安装两个限位环将吸水膨胀胶筒轴向定位，使用多个螺钉将限位环、安装筒固定到割缝衬管上；接着将弓形扶正片两端折弯部分插入到一组定位结构的两个卡槽内，按照同样的方式将其他弓形扶正片固定安装到对应的两个卡槽内，弓形扶正片向外凸出的部分与水平井段内壁接触将割缝衬管和铜管沿水平井段中心线设置，将所有的环形封隔器安装完成后，再将水平井段双层套管左端与造斜段双层套管右下端连接，水平井段双层套管右端与抽采端竖井段双层套管下端侧部连接。
11、接着对水平井段进行压裂，具体过程为：从注液端竖井段双层套管的聚氨酯保温外套管和聚氨酯保温内套管的环形空腔内注入清水，清水进入到铜管外圆与割缝衬管内圆之间，清水也通过割缝衬管上的孔缝流入到割缝衬管与水平井段内壁之间，在注水72h后吸水膨胀胶筒开始膨胀，再经过72h后吸水膨胀胶筒充分膨胀，膨胀后的吸水膨胀胶筒外圆密封水平井段内壁与割缝衬管外圆之间的环空，将水平井段封隔成若干段；
12、接着封闭抽采端竖井段双层套管上端口，通过注液端竖井段双层套管的聚氨酯保温外套管和聚氨酯保温内套管的环形空腔内注入压裂液，在被环形封隔器分隔开的若干小段内，压裂液的压力逐渐增大，各小段中最薄弱段先开始起裂，随着裂缝向深处扩展，此段裂缝继续扩展所需压力将大于薄弱段起裂压力，此时薄弱段开始起裂；水平井将会以最薄弱段、薄弱段、次薄弱段……，的强度顺序形成定位逐级起裂，使得水平井裂缝发育比较均匀；当裂隙扩展稳定后压裂结束。
13、然后开始抽采瓦斯，封闭注液端竖井段的聚氨酯保温外套管上端口，打开抽采端竖井段的聚氨酯保温外套管上端口并与气水分流装置连通，带有热量的煤层瓦斯在压差作用下通过煤层裂隙进入割缝衬管内，瓦斯气体在煤层瓦斯压力梯度的促进下进行流动，从注液端竖井段的聚氨酯保温内套管内持续注入经过软化处理的冷水，当冷水到达水平井段的铜管内时，铜管外部温度高的瓦斯气体将热量通过铜管传递到冷水中，铜管中的冷水在水平井段的流动过程中逐渐升温，当铜管中的水流动到抽采端竖井段底部时水温达到最高值，抽采端竖井段双层套管中水和瓦斯的温度会逐渐下降，此时采取保温措施，抽采瓦斯的割缝衬管变为聚氨酯保温外套管，水循环的内层套管由铜管变为聚氨酯保温内套管；当瓦斯和水到达气水分流装置时，排气管上的气体综合监测仪表对瓦斯气体的压力、温度和流量实时监测，排水保温管上的液体综合监测仪表对热水的压力、温度和流量实时监测；最后瓦斯气体在地面瓦斯抽放泵的抽吸下汇入瓦斯主管路，矿区中各区域的抽采端竖井段的瓦斯气体也汇入瓦斯主管路；热水通过排水保温管流向中央保温储水箱，矿区中各区域抽采端竖井段循环上来的热水也注入到中央保温储水箱内蓄积，中央保温储水箱内的热水再抽取到矿区各处加以利用。
14、相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：
15、（1）本发明在矿区施工煤层气抽采的u型井的基础上，提供沿u型井布置的双层套管结构，外层套管抽采瓦斯，内层套管为水循环，煤层压裂后抽采瓦斯带出的热量传递给内层套管，依靠水循环把热量带到地面加以利用，以此来实现深部煤层热/气共采以及区域防灾。
16、（2）气水分流装置实现了双层套管内的瓦斯和水的分流。气水分流装置上装有控制阀和综合监测仪表（温度表、压力表和流量表），用来监测瓦斯和循环上来的水的状态。
17、（3）中央保温储水箱设置在地面，其位置距各区域u型井的抽采端竖井段尽可能近，中央保温储水箱通过排水的保温管与各区域分流装置相连，u型井内层套管中循环上来的热水在中央保温储水箱内集中蓄积。
18、（4）环形封隔器上设置的两个限位环用于限定吸水膨胀胶筒的轴向（左右方向）位置，螺钉将限位环、安装筒与割缝衬管固定连接，用于定位环形封隔器。若干弓形扶正片保证水平井段双层套管在水平井段内居中设置。吸水膨胀胶筒是由弹性体和亲水性物质组成的多组分体系，在注入水后72h后，吸水膨胀胶筒开始膨胀，充分膨胀后的吸水膨胀胶筒密封水平井段内壁与割缝衬管之间的环空，将水平井段分隔为若干小段。
19、（5）相较于水平井全段同时压裂，环形封隔器使压裂液与井壁接触面积减小，在相同压裂液压力条件下，增加了井壁上的压强，使得裂缝更容易扩展。在水平井全段同时压裂时，相邻裂缝扩展区会形成缝间干扰现象，使得中间区域裂缝长度受到抑制，难以形成有效裂缝。环形封隔器的设置，吸水膨胀胶筒外圆与水平井段接触的部分不发生起裂，且将吸水膨胀胶筒两侧裂缝发育区分隔开，减弱裂缝间干扰效应，形成更多的有效裂缝，提高压裂效果。
20、综上所述，本发明原理科学、设计新颖，施工成本低，产生效益大，实现了深部煤层无巷道瓦斯抽采及深部地热资源开采，既解决了开采浅部煤层时深部煤层瓦斯难以抽采的问题，合理开采煤层气资源的同时，减少了瓦斯抽采工程量，又利用了地热资源，为煤矿带来更多收益。
1.深部煤层热、气共采区域防灾及资源利用系统，其特征在于：包括注液端竖井段双层套管、造斜段双层套管、水平井段双层套管、抽采端竖井段双层套管、气水分流装置、中央保温储水箱、地面瓦斯抽放泵和若干环形封隔器；
2.根据权利要求1所述的深部煤层热、气共采区域防灾及资源利用系统，其特征在于：注液端竖井段双层套管、造斜段双层套管和抽采端竖井段双层套管的结构相同，均包括若干节串联的聚氨酯保温外套管和若干节穿串联的聚氨酯保温内套管，聚氨酯保温外套管内圆和聚氨酯保温内套管外圆之间通过十字交叉的第一连接杆固定为一体，每节聚氨酯保温外套管和聚氨酯保温内套管的两端各错开100mm安装固定第一连接杆。
3.根据权利要求1或2所述的深部煤层热、气共采区域防灾及资源利用系统，其特征在于：水平井段双层套管包括外层的割缝衬管和内层的铜管，割缝衬管内圆和铜管外圆之间通过十字交叉的第二连接杆固定为一体。
4.根据权利要求3所述的深部煤层热、气共采区域防灾及资源利用系统，其特征在于：每个环形封隔器均包括安装筒、吸水膨胀胶筒、两个限位环和若干个弓形扶正片，安装筒同轴向套装在割缝衬管上，吸水膨胀胶筒和两个限位环均套装在安装筒外圆上，两个限位环分别位于吸水膨胀胶筒左端和右端，限位环周向设有多个螺钉，螺钉依此穿过限位环、安装筒和割缝衬管，将安装筒固定到割缝衬管上的同时也将吸水膨胀胶筒固定在安装筒上；弓形扶正片分别设置在吸水膨胀胶筒左、右两侧的安装筒外圆上，安装筒左侧和右侧均开设有沿圆周方向均匀布置的若干组定位结构，每组定位结构均包括左右间隔布置的两个卡槽，每个弓形扶正片两端均折弯后插设安装在每组定位结构的两个卡槽内；吸水膨胀胶筒是由弹性体和亲水性物质组成的多组分体系。
5.根据权利要求4所述的深部煤层热、气共采区域防灾及资源利用系统，其特征在于：气水分流装置包括外分气管、排气管和排水保温管，外分气管下端通过法兰盘组件与抽采端竖井段双层套管的聚氨酯保温外套管上端口连接，外分气管上端口封堵，外分气管上侧部与排气管连接，抽采端竖井段双层套管的聚氨酯保温内套管上端穿过外分气管与排水保温管连接，排气管上设有气体综合监测仪表和排气控制阀，排水保温管上设有液体综合监测仪表和排水控制阀，地面瓦斯抽放泵设置在排气管上，排气管的出口与瓦斯主管路连接，排水保温管的出口与中央保温储水箱连接。
