CN102102536B - 一种利用废弃巷道贮存瓦斯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用废弃巷道贮存瓦斯的方法，包括1)在废弃巷道出口砌筑密闭墙体，使所述巷道与外界完全隔断；2)在所述巷道至少一个出口的密闭墙体中设瓦斯进气管道；3)将抽采瓦斯的管道通过所述密闭墙体外侧的第一阻火器与所述密闭墙体内侧的瓦斯进气管道相连；4)在所述巷道至少一个出口的密闭墙体中设瓦斯出气管道。本发明利用井下废弃巷道非常大的密闭空间作为瓦斯临时贮存混合装置、通过贮存实现流量调节，通过不同浓度瓦斯混合实现浓度调节，为低浓度瓦斯发电装置等使用瓦斯的设备提供稳定可靠的瓦斯气源；同时可最大限度提高矿井抽采瓦斯利用率，实现瓦斯抽采的以丰补缺，真正实现抽多少用多少。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采领域，尤其涉及煤炭开采中瓦斯利用领域。
背景技术
在煤炭开采过程中，煤层中存在的大量瓦斯涌到采掘空间，采用矿井通风排除矿井瓦斯是瓦斯治理的基本手段之一。这样大量的瓦斯随矿井主要通风机排向大气，在浪费宝贵瓦斯能源的同时，给大气环境也造成极大的污染。
在采煤的过程中，对煤层瓦斯的抽采利用、防止瓦斯对大气环境造成破坏就显得非常重要。
目前瓦斯利用主要有高浓度瓦斯提纯技术、低浓度瓦斯发电技术、矿井乏风瓦斯逆流反应器技术三种技术方案。
1)高浓度瓦斯提纯技术。瓦斯提纯技术为气体分离技术，当今气体分离技术主要为膜分离、变压吸附和深冷分离三大气体分离技术。对于矿井瓦斯提纯来说，一般要求分离前混合气体中瓦斯浓度不小于40％，以保证瓦斯提纯的成本不会太高。由于矿井瓦斯在抽采过程中受抽采方法、煤层条件、煤炭开采方法等诸多因素影响，一般抽采的高浓度瓦斯都在40％左右，能够满足提纯经济性要求。
由于瓦斯提纯技术投资规模较大，对于浓度在40％左右的瓦斯，如果有长期稳定的较大流量的抽采气源，目前较为成熟经济的提纯方法为变压吸附分离与深冷提纯法结合进行分离并提纯，将提纯后的瓦斯液化后运到用户。变压吸附技术主要原理为将40％瓦斯加压到7～8个大气压并送入吸附罐，吸附罐中主要吸附材料为活性碳，利用活性碳对不同气体的选择性吸附将瓦斯吸附在活性碳微孔内，在活性碳吸附饱和时再将吸附罐减压释放出浓度在80％以上的高浓度瓦斯，再进行下一循环的吸附过程。经过变压吸附分离出来的瓦斯浓度约为80％，贮运仍不便，需采取深冷分离技术，将瓦斯浓度提纯近100％，瓦斯提纯任务就算完成了。
2)对于浓度在10％左右的低浓度瓦斯，由于瓦斯浓度在爆炸限值内，具有很高的危险性且由于浓度低、提纯成本太高，目前主要采用的技术为低浓度瓦斯发电技术，如胜利油田胜利动力机械集团有限公司所生产的低浓度瓦斯发电机组，就是专门以浓度在9％以上的瓦斯为燃料进行发电，根据瓦斯与空气完全反应原理，低浓度瓦斯发电的瓦斯浓度最佳值为9.5％左右，也是瓦斯爆炸最强烈浓度值。
3)矿井乏风瓦斯逆流反应器技术。矿井乏风瓦斯是指矿井乏风流中的瓦斯，也是矿井主要通风机排出的瓦斯，也叫风排瓦斯。为防止井下发生瓦斯事故，《煤矿安全规程》规定，风排瓦斯最高浓度值为0.75％，由于风排瓦斯浓度较低，风流中瓦斯完全燃烧所产生的热量较小，所以目前大量采用逆流反应技术，在反应器的中心区瓦斯燃烧生成热，瓦斯反应生成的热量又对正在流进的乏风预热，这样通过充分利用自身反应产生的热量来维持反应区的温度，以维持反应自动持续进行。
目前瓦斯抽采主要有钻孔预抽煤层瓦斯、高抽巷或钻孔抽取裂隙带瓦斯、采空区埋管抽放瓦斯。
1)钻孔预抽煤层瓦斯。在煤层被开采前，向待开采煤层中施工合理密度的钻孔，煤层中的瓦斯就会向钻孔空间流动，通过连接在钻孔上的管道及抽瓦斯泵将煤层瓦斯抽采出来。所以钻孔预抽煤层瓦斯的浓度很高，一般都在40％以上甚至接近100％，但钻孔抽采瓦斯流量变化很大，在打好钻孔刚开始抽采时，由于煤层中瓦斯没有释放过，瓦斯气体压力高，流量很大。随时间推移，到抽采末期时，由于煤层中能够被抽采的瓦斯已基本完全释放，抽采瓦斯的流量很小，甚至不足初期流量的十分之一。
2)高抽巷或钻孔抽取采煤工作面裂隙带瓦斯。井下工作面在采煤过程中，如综采工作面采煤时，煤层中的瓦斯将释放出来，容易造成工作面瓦斯超限，特别是回风隅角瓦斯超限。瓦斯超限的主要原因是采煤工作面采完后，工作面后方采空区自下而上形成三带，即冒落带，裂隙带和弯曲下沉带。工作面顶板(煤层直接顶)冒落碎胀后形成冒落带；直接顶上方的老顶由于下沉量较小，下沉变形在岩层内产生很多裂隙，叫做裂隙带；裂隙带上方面的岩层由于下沉量很小，岩层内基本无裂隙产生，叫做弯曲下沉带。不同岩性的顶板三带高度稍有差别，一般裂隙带底部距采煤顶板的距离为采煤高度的3～5倍距离。由于瓦斯比空气轻，采煤过程中产生的瓦斯很容易向后上方积聚，特别是裂隙带的裂隙中瓦斯浓度较高，一般在10％～30％之间，抽采的瓦斯浓度变化主要受顶板冒落情况等影响。随工作面推进，顶板周期来压(工作面每推进一定距离，顶板大面积冒落一次)，贮存在冒落带和裂隙带中的瓦斯由于裂隙闭合和空间填实而被挤向采煤工作面，对工作面的安全生产造成极大的安全隐患，所以一般用抽采措施解决。效果比较好的抽采方法为将抽采巷道或钻孔沿工作面方向预先布置在裂隙带高度内，将裂隙带瓦斯及冒落带空隙中的瓦斯及时抽采出来，防止瓦斯涌向工作面空间。
3)工作面采空区埋管抽放瓦斯。采煤时，在采煤工作面后方采空区内埋设管道，抽取采空区冒落带下部裂隙中的瓦斯，由于瓦斯比空气轻，抽采的这部分瓦斯浓度较低，一般在5％～15％之间。抽采的瓦斯浓度主要随工作面推进而不断变化。当刚对埋设的管道抽放时，埋管距离工作面较近，一般为30～50m，瓦斯浓度为5％左右，随工作面推进，距工作面较远达150m左右时，抽采的瓦斯浓度可达15％以上，此时应根据工作面瓦斯涌出情况及时重新埋管。
由此可见，现有的技术方案都存在利用瓦斯的设备对所用瓦斯气的要求与矿井抽采所提供的实际瓦斯气不能协调一致的缺点：
对于高浓度瓦斯提纯技术而言，由于瓦斯提纯技术投资规模较大，提纯设备最低投资一般为3～5亿人民币，较大规模的需十几个亿投资，这么高强度的需矿井长期提供稳定大流量的浓度在40％以上的瓦斯。根据矿井钻孔预抽煤层瓦斯特点的分析可知，矿井煤层预抽瓦斯的浓度虽然能够满足提纯要求，但预抽瓦斯的流量变化很大，所以往往出现提纯设备有时处理瓦斯能力不足，多余的瓦斯还得排放到大气中，有时又设备开机不足，部分设备处于闲置状态。
对于低浓度瓦斯发电技术而言，低浓度瓦斯一般主要利用高抽巷或钻孔抽采裂隙带的瓦斯和采空区埋管抽采的瓦斯。这一部分瓦斯抽采时由于抽采口阻力较小，瓦斯混合气体总流量较为稳定，但浓度变化很大，有时受抽采系统频繁调整影响，如不断变化采空区埋放管道，顶板周期性冒落影响，浓度在5％～30％，浓度变化大且变化很快，有时也会由于抽采接续变化造成短期内停止抽采或抽采气量发生很大变化，这就给低浓度瓦斯发电带来很大困难，浓度低了需停机、浓度高了需补给空气稀释，瓦斯抽采量大时多余的量要放掉，瓦斯抽采量小时需部分停机。
由此可见，为了解决瓦斯抽采量及抽采浓度不能长期稳定，与瓦斯利用设备对瓦斯的需求不相一致的矛盾，需要提供一种贮存瓦斯的方法，以提高矿井抽采瓦斯的利用率，并为瓦斯利用装置提供稳定可靠的瓦斯气源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种贮存瓦斯的方法，以提高矿井抽采瓦斯的利用率，并为瓦斯利用装置提供稳定可靠的瓦斯气源。
由于瓦斯抽采的复杂性造成的瓦斯抽采量及抽采浓度不能长期稳定，与瓦斯利用设备对瓦斯的需求不相一致的矛盾，需要在两者之间建立一个较大空间的瓦斯临时贮存装置，当抽采瓦斯量大于设备用气量时，将多余的瓦斯量贮存在装置内，贮存装置呈净流入状态；当矿井抽采气量小于设备用气量时，贮存装置里的瓦斯总量呈净流出状态，这样就可实现抽采瓦斯量与应用瓦斯量的动态平衡，在最大限度地利用了矿井抽采瓦斯的同时也充分发挥了瓦斯发电等装置的设备能力。
煤矿井下有大量的岩石巷道或煤层巷道，随开采的推进，大量的巷道不断被遗弃，由于井下废弃巷道空间很大，一个区域的废弃巷道容积一般在10km3～100km3之间。利用这些巷道作为瓦斯临时贮存器，将矿井采掘工作面等地点抽采出来的瓦斯先压入到这些巷道中临时贮存起来，低浓度瓦斯发电机等瓦斯利用装置所需的瓦斯从这些巷道中抽取瓦斯，这样就可以很好地解决了问题。
基于上述考虑，本发明提供以下技术方案来实现本发明的目的：
一种利用废弃巷道贮存瓦斯的方法，包括
1)在废弃巷道出口砌筑密闭墙体，使所述巷道与外界完全隔断；
2)在所述巷道至少一个出口的密闭墙体中设瓦斯进气管道；
3)将抽采瓦斯的管道通过所述密闭墙体外侧的第一阻火器与所述密闭墙体内侧的瓦斯进气管道相连；
4)在所述巷道至少一个出口的密闭墙体中设瓦斯出气管道。
优选地，所述瓦斯出气管道通过所述密闭墙体外侧的第二阻火器与瓦斯利用装置相连。
优选地，所述巷道为岩层巷道或煤层巷道。更优选为岩层巷道。
优选地，所述密闭墙体防水、防火、防爆。
优选地，所述瓦斯进气管道设在巷道较低区域出口的密闭墙体上，所述瓦斯出气管道设在巷道较高区域出口的密闭墙体上。
优选地，所述瓦斯进气管道和所述瓦斯出气管道设在密闭墙体的上部。
优选地，所述巷道底部的密闭墙体的下部留设U型排水管。在U形弯管管路上设置限压阀门。
优选地，所述第一阻火器和第二阻火器是水封阻火器。
本发明利用废弃巷道贮存瓦斯的方法可将抽采管路中浓度频繁变化的瓦斯通过进入储存空间混合后，成为输出浓度变化平缓的瓦斯。
本发明方法用于高浓度瓦斯提纯时，一方面可作为高浓度瓦斯储存装置，另一方面仍存在瓦斯浓度平衡功能，因为矿井抽放瓦斯的浓度是不断变化的，而进入储存装置以后不同瓦斯浓度混合，浓度变化就平缓了，便于提纯。
对低浓度瓦斯发电而言，供应较为稳定浓度的瓦斯非常有必要，因为虽然低浓度瓦斯发电机都备有瓦斯浓度自动调节装置，供给的低浓度瓦斯要求浓度一般在9.5％以上，通过监测管道中瓦斯浓度的变化自动调整配空气量来调节瓦斯浓度在9.5％左右。但由于直接利用抽采管路中瓦斯时由于抽采瓦斯浓度变化大，自动调节过于频繁，实际调节后瓦斯浓度仍在一定范围内波动，造成发电机工作不稳定，甚至顶爆缸盖。本发明方法将供应的低瓦斯浓度通过储存空间混合，使得低瓦斯浓度变化平缓并始终保持在9.5％以上，这样发电机进气管路中配备的瓦斯浓度自动调节装置变化就平缓，可保证向发电机供应瓦斯浓度始终精确控制在9.5％左右，保证发电机稳定工作。
与现有技术相比，本发明利用井下废弃巷道非常大的密闭空间作为瓦斯临时贮存混合装置，通过贮存实现流量调节，通过不同浓度瓦斯混合实现浓度调节，为低浓度瓦斯发电装置等使用瓦斯的设备提供稳定可靠的瓦斯气源。同时，由于井下巷道是在地下岩层内，在巷道选择适当，采取高强度密闭墙体等措施，并对相关地点采取独立通风等措施的情况下，此瓦斯贮存容器也有很强抗爆、抗灾性能。因此，可最大限度提高矿井抽采瓦斯利用率，实现瓦斯抽采的以丰补缺，真正实现抽多少用多少。
附图说明
图1是本发明方法的一个具体实施方案的示意图。
具体实施方式
下面结合图1进一步详细说明本发明的方法，但本发明不限于以下内容。
根据各个矿井的不同废弃巷道情况，选择条件好的巷道，优先选择岩层巷道、其次为煤层巷道；巷道顶板条件好，支护情况好，煤层巷道最好采取喷浆支护。最好无地应力导致巷道变形或冒落；巷道经过的岩层或煤层无影响巷道密封性的断层等地质构造；矿山杂散电流不会对巷道造成影响；巷道内出现冒顶等情况时不会产生导致瓦斯燃烧或爆炸的火花。
将与巷道1相连的所有出口2，6全部砌筑防水、防火、防爆的密闭墙体3，将巷道1与外界完全隔断，形成一个贮存空间。在巷道1一端的密闭墙体3中留设瓦斯进气管道4，将矿井抽采瓦斯管路通过密闭墙体外侧的水封阻火器5与伸入到密闭墙体内侧的瓦斯进气管道4相连。在巷道1的另一端的密闭墙体3中留设瓦斯出气管道7，瓦斯出气管道7与密闭墙体3外的水封阻火器5连接后再与通向地面的瓦斯发电机组等瓦斯利用装置的管道连接。
防水、防火、防爆的密闭墙体的标准可由各矿井根据各自条件设计。要点是密闭墙体要有足够的强度，能够抵抗瓦斯爆炸等冲击波，并能阻断密闭墙体内外火灾及水灾的影响。由于密闭墙体内巷道瓦斯有时会有较高压力，密闭墙体前应加强通风，防止瓦斯通过密闭墙体周边围岩细小裂隙而出现微量泄漏现象。
瓦斯进气管道留设在巷道较低区域密闭墙体上，瓦斯出气管道设在较高巷道区域密闭墙体上。瓦斯气体较空气轻，会产生向上的“浮力”，减小动能；另一方面，进、出气管口设置在巷道两端，在瓦斯通过进气管道进入巷道内后，与巷道原有的瓦斯充分混合，巷道内瓦斯浓度比较稳定，这样出气口供给发电设备的瓦斯浓度也比较稳定，避免了瓦斯浓度变化很大，发电设备等难以适应甚至经常停机的局面。
瓦斯进气管道和出气管道设在密闭墙体上部的原因是，密闭巷道内可能有积水，应防止积水淹没管道进出口。
巷道底部的密闭墙体的底部设U型排水管。U型弯内应灌满水，并设置阀门，在能够顺利实现排巷道内积水的同时防止瓦斯漏出，并利用水封实现良好的隔爆效果。在U形弯管管路上应加限压阀门，这样可以适应储存瓦斯的巷道内由于瓦斯量变化而导致的压力变化。
采用水封阻火器的原因是水封阻火器阻火效果可靠，装置适应性强，适合井下高湿高尘瓦斯气流。水封阻火器的基本原理主要是容器内装有一定高度的水，瓦斯气体通过水底部管道上的布气孔，以气泡形式穿过水体释放出来，当火焰通过水气混合层时，火焰与水接触，能量被水蒸发吸收，化学反应的自由基减少并消除；水的瞬间气化也降低了瓦斯中的甲烷浓度，使火焰熄灭；由于水封的存在，爆炸冲击波由于水体的隔断而无法继续沿管道传播。只要维持阻火器内水位的不低于最低值，即可保证阻火器可靠工作。
Claims (9)
1.一种利用废弃巷道贮存瓦斯的方法，包括
1）在废弃巷道出口砌筑密闭墙体，使所述巷道与外界完全隔断；
2）在所述巷道至少一个出口的第一密闭墙体中设瓦斯进气管道；
3）将抽采瓦斯的管道通过所述第一密闭墙体外侧的第一阻火器与所述第一密闭墙体内侧的瓦斯进气管道相连；
4）在所述巷道至少一个出口的第二密闭墙体中设瓦斯出气管道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述瓦斯出气管道通过所述第二密闭墙体外侧的第二阻火器与瓦斯利用装置相连。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述巷道为岩层巷道或煤层巷道。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述密闭墙体防水、防火、防爆。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述瓦斯进气管道设在巷道较低区域出口的密闭墙体上，所述瓦斯出气管道设在巷道较高区域出口的密闭墙体上。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述瓦斯进气管道和所述瓦斯出气管道设在密闭墙体的上部。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述巷道底部的密闭墙体的下部留设U型排水管。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述U形排水管管路上设置限压阀门。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一阻火器和第二阻火器是水封阻火器。
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