CN104234740A - 一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统及其方法，尤其适用于高瓦斯突出煤层。注气孔、抽采孔和小孔抽采煤层中的瓦斯；直至达到空气驱替煤层瓦斯启动压力，向小孔中注入压风系统中的低压空气，以驱替巷道松动圈与抽采孔的密封段间的煤体瓦斯；驱替一段时间，注气孔的密封段前部处瓦斯压力达到驱替压力后；持续向注气孔中注入中压空气，以驱替比注气孔密封段更远的煤体瓦斯，同时小孔由注气改为抽采抽采孔密封段与注气孔密封段间的死角瓦斯。该系统及其方法可以用低中压空气将煤层中的高压瓦斯快速驱替并抽采，大大缩短煤层瓦斯预抽期，提前安全回采煤炭，且系统内各组成部分为无电部件，实现了井下注气过程中的本质安全性。<sub/>

Description

一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统及其方法

技术领域

 本发明涉及空气驱替瓦斯的方法，尤其是一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统及其方法。

背景技术

我国煤层透气性普遍偏低，为增大原始煤层渗透性，通常采取人工措施以强化抽采煤层瓦斯，如水力冲孔、水力压裂、水力割缝和松动爆破等，取得了一定的效果，但由于工艺复杂、设备庞大、昂贵、装备及工艺不够完善、易诱导煤与瓦斯突出等原因，未能在井下大规模地推广应用。

注气驱替是一种新兴的增产技术，其原理是向煤层注入CO₂或N₂，与CH₄竞争吸附和降低CH₄有效分压，促进瓦斯解吸，同时改变压力传导特性和增大扩散速率，从而提高煤层气采收率。已有的研究都是向煤层中注入高压（5.5~8MPa）CO₂驱替煤层气，但由于CO₂成本高、产能小，注入煤层后降低了煤体渗透性，且存在CO₂突出隐患，仅适用于地面开发不可采煤层的煤层气。

我国煤矿井下普遍配有压风系统，系统内的压缩空气（气压≤0.6MPa）易获取，则采用空气（80%左右N₂）驱动瓦斯具有更广泛的适用性。但我国高瓦斯突出煤层瓦斯压力普遍大于1MPa，乃至高于2MPa，则需更高压力的空气才能驱替高瓦斯煤矿煤层瓦斯，此时，注气孔的孔口密封性无法达到要求，且存在严重的安全隐患。亟待寻找一种比原始煤层的高压瓦斯压力低的多的压缩空气来驱替煤层瓦斯，保证注气孔孔口密封性和注气过程中的安全性。

发明内容

本发明目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯的系统及其方法，在保证注气孔孔口密封性和注气过程中的安全性的基础上，将煤层中的瓦斯快速驱替并抽采。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统，其特征在于由压气系统和抽气系统组成，所述压气系统包括主管路、支管路，主管路上安装有除湿器、增压阀、储气罐、减压阀、压力表、节流阀和流量计，主管路穿入到煤层内注气孔的密封段；支管路穿入到煤层内小孔的密封段；主管路与抽采管路连接；所述抽气系统包括抽采管路，抽采管路安装有取样装置、流量计和压力表，抽采管路的其中两个穿入到煤层内抽采孔的密封段。

进一步，支管路有两条，两条支管路与主管路通过四通连接管连接，两条支管路各通过三通连接管与抽采管路连接。

进一步，三通连接管的三条连接管路上均设有阀门。

进一步，四通连接管连接压风系统。

进一步，支管路小孔设置在注气孔于抽采孔之间，注气孔设置在两个小孔之间。

进一步，压气系统包括主管路、四通管、第一阀门、除湿器、增压阀、储气罐、第一压力表、第二阀门、减压阀、第二压力表、节流阀、第一流量计、第五阀门、第一三通管、第一支管路、第二支管路、第三阀门、第二三通管、第四压力表、第八阀门、注气孔、小孔；主管路上依次设有第一阀门、除湿器、增压阀、储气罐、第一压力表、第二阀门、减压阀、第二压力表、节流阀、第一流量计、第五阀门、第一三通管，在靠近第一阀门端与四通管连接，在靠近第一三通管端与注气孔相连，第一三通管的另一端与抽采管路相连；第一支管路和第二支管路上依次设有第三阀门、第二三通管、第四压力表、第八阀门，在靠近第三阀门端与四通管连接，在靠近第八阀门端与小孔连接，第二三通管位于第三阀门和第四压力表之间，第二三通管的另一端与抽采管路相连；

进一步，抽气系统包括抽采管路、第六阀门、第五压力表、第三流量计、第二取样装置、第七阀门、第三压力表、第二流量计、第一取样装置、第四阀门、注气孔、抽采孔、小孔，注气孔通过第一三通管与抽采管路相连，之间设有第六阀门、第五压力表、第三流量计、第二取样装置；抽采孔与抽采管路之间设有第七阀门、第三压力表、第二流量计、第一取样装置；第一支管路和第二支管路通过第二三通管与抽采管路相连，之间设有第四阀门。

一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯的方法，其特征在于，该方法的具体步骤是：

a．注气孔、抽采孔和小孔孔口段采用水泥砂浆密封，其中抽采孔和小孔的密封段长度L₂比巷道的松动圈L₁的宽度大1~3米，注气孔的密封段长度L₃比抽采孔和小孔的密封段长度L₂大5~10米，小孔的孔深与注气孔的密封段长度L₃相同。关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门、第五阀门；所述抽采孔、小孔的密封段长度L₂均为8~15米；注气孔的密封段长度L₃为15~20米。

b．分别打开第四阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门，使注气孔、抽采孔和小孔开始抽采煤层中的瓦斯，且抽采瓦斯10~20d。

c．每间隔1~3d，关闭第四阀门，打开第三阀门，由井下的压风系统持续往小孔内注入压缩空气5~10h；当第二流量计读数≤1m3/min时，关闭第三阀门，打开第四阀门。

d．循环重复步骤c，直至第二流量计读数介于1~3m3/min之间时，继续小孔内注入压缩空气，驱替巷道的松动圈L₁与抽采孔的密封段之间L₂的煤体瓦斯，且持续注气10~20d；驱替巷道的松动圈（37）深度L₁为5~7米。

e．每隔2~5d，打开第一阀门，压风系统中的空气经除湿器除湿后，经增压阀进入长、宽、高分别为2m、1m、1m的储气罐；当储气罐中的气压达到2~4MPa时，打开第二阀门，调节减压阀，使气压降至1~1.2MPa后，关闭第六阀门；打开第五阀门，调节节流阀，使空气的流量为1~3m3/min。

f．持续往注气孔注气5~10h，当第二流量计的读数介于1~3m3/min时，关闭第五阀门，打开第六阀门。

g．循环重复步骤e，直至第二流量计读数介于3~5m3/min之间时，则关闭第三阀门，打开第四阀门，驱替注气孔密封段深度L₃与抽采孔密封段深度L₂之间的煤体瓦斯，且持续注气10~20d。

h．每隔2~5d经第一取样装置抽取抽采孔内15~30ml混合气体，并分析CH₄浓度，当CH₄浓度低于30%时，关闭第五阀门、第七阀门和第八阀门，停止抽采瓦斯1~3d。

i．打开第五阀门、第七阀门和第八阀门，循环重复步骤h，直至CH₄浓度始终低于30%，关闭第七阀门和第八阀门，打开第六阀门。

j．每隔2~5d从第一取样装置和第二取样装置分别抽取抽采孔内15~30ml混合气体，并分析CH₄浓度，当CH4浓度低于16%时，关闭第六阀门、第七阀门和第八阀门。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用的驱替煤层瓦斯气体为井下普遍配备的压风系统内的压缩空气，易获取，且系统内各组成部分为无电部件，实现了井下注气过程中的本质安全性。

（2）本发明采用低中压空气驱替比煤层内的高压力瓦斯，与目前钻孔孔口密封水平相匹配，且注气压力相对较低，保证了注气过程中的安全性。

（3）本发明通过向煤层中注入空气，携带了煤层中大量瓦斯，并流入抽采孔内，快速地降低了煤层瓦斯含量，大大缩短了煤层预抽期，为高瓦斯煤层提前回采提供了安全保障。

附图说明

图1是本发明的系统示意图。

图2是本发明实施例的原理示意图。

图中：1、第一阀门，2、除湿器，3、增压阀，4、储气罐，5、第一压力表，6、第二阀门，7、减压阀，8、主管路，9、节流阀，10、第二压力表，11、第一流量计，12、第五阀门，13、煤层，14、第三阀门，15、第一取样装置，16、第二流量计，17、第三压力表，18、第七阀门，19、四通管，20、第四阀门，21、第四压力表，22、第三阀门，23、第二取样装置，24、三流量计，25第五压力表，26、第六阀门，27、抽采管路，28、压风系统，29、第一三通管，30、第二三通管，31、第一支管路，32、第二支管路，33、注气孔，34、抽采孔，35、小孔，36、巷道，37、松动圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如附图2所示，巷道开挖前，煤层原始瓦斯压力为2.0MPa。巷道及钻孔先后形成后且钻孔抽采煤层瓦斯前，煤层内高压瓦斯向巷道内大量排放，由于距离巷道壁面不同距离的煤体中瓦斯排放程度不同，从而形成t₀时刻的瓦斯压力分布曲线。由于巷道松动圈内裂隙充分发育，抽采孔的孔口密封段一般要越过松动圈，防止负压抽采煤层瓦斯过程中抽采孔漏气。t₀时，由于压力系统中空气压力较低（一般为0.5MPa左右），难以采用压风系统中的空气驱替巷道松动圈前部（瓦斯压力为0.8MPa）与抽采孔密封段前部（瓦斯压力为1.0MPa）间的煤体内瓦斯，为此先采用注气孔、抽采孔和小孔抽采煤体中瓦斯，持续一段时间后，形成t₁时刻的瓦斯压力分布曲线，此时抽采孔密封段前部处的煤体瓦斯压力为0.5MPa，接近压风系统中的空气压力，达到空气驱替煤层瓦斯启动压力，可采用压缩空气驱替巷道松动圈与抽采孔的密封段间的煤体瓦斯，驱替一段时间后，形成t₂时刻的瓦斯压力分布曲线，则注气孔的密封段前部处瓦斯压力为1.2 MPa，此时可经注气孔注入1.2 MPa的中压空气驱替比注气孔密封段更远的煤体瓦斯，同时小孔由注气改为抽采抽采孔密封段与注气孔密封段间的死角瓦斯。

实施例：本实施例的取样装置为取样阀。如附图1所示，一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统，其特征在于由压气系统和抽气系统组成，所述压气系统包括主管路、支管路，主管路上安装有除湿器、增压阀、储气罐、减压阀、压力表、节流阀和流量计，主管路穿入到煤层内注气孔的密封段；支管路穿入到煤层内小孔的密封段；主管路与抽采管路连接；所述抽气系统包括抽采管路，抽采管路安装有取样阀、流量计和压力表，抽采管路的其中两个穿入到煤层内抽采孔的密封段。

进一步，支管路有两条，两条支管路与主管路通过四通连接管连接，两条支管路各通过三通连接管与抽采管路连接。

进一步，三通连接管的三条连接管路上均设有阀门。

进一步，四通连接管连接压风系统。

进一步，支管路小孔设置在注气孔于抽采孔之间，注气孔设置在两个小孔之间。

进一步，压气系统包括主管路、四通管、第一阀门、除湿器、增压阀、储气罐、第一压力表、第二阀门、减压阀、第二压力表、节流阀、第一流量计、第五阀门、第一三通管、第一支管路、第二支管路、第三阀门、第二三通管、第四压力表、第八阀门、注气孔、小孔；主管路上依次设有第一阀门、除湿器、增压阀、储气罐、第一压力表、第二阀门、减压阀、第二压力表、节流阀、第一流量计、第五阀门、第一三通管，在靠近第一阀门端与四通管连接，在靠近第一三通管端与注气孔相连，第一三通管的另一端与抽采管路相连；第一支管路和第二支管路上依次设有第三阀门、第二三通管、第四压力表、第八阀门，在靠近第三阀门端与四通管连接，在靠近第八阀门端与小孔连接，第二三通管位于第三阀门和第四压力表之间，第二三通管的另一端与抽采管路相连；

进一步，抽气系统包括抽采管路、第六阀门、第五压力表、第三流量计、第二取样装置、第七阀门、第三压力表、第二流量计、第一取样装置、第四阀门、注气孔、抽采孔、小孔，注气孔通过第一三通管与抽采管路相连，之间设有第六阀门、第五压力表、第三流量计、第二取样装置；抽采孔与抽采管路之间设有第七阀门、第三压力表、第二流量计、第一取样装置；第一支管路和第二支管路通过第二三通管与抽采管路相连，之间设有第四阀门。

2.一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯的方法，其特征在于，该方法的具体步骤是：

a．注气孔、抽采孔和小孔孔口段采用水泥砂浆密封，其中抽采孔和小孔的密封段长度L₂比巷道的松动圈L₁的宽度大1~3米，注气孔的密封段长度L₃比抽采孔和小孔的密封段长度L₂大5~10米，小孔的孔深与注气孔的密封段长度L₃相同。关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门、第五阀门；所述抽采孔、小孔的密封段长度L₂均为8~15米；注气孔的密封段长度L₃为15~20米。

b．分别打开第四阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门，使注气孔、抽采孔和小孔开始抽采煤层中的瓦斯，且抽采瓦斯10~20d。

c．每间隔1~3d，关闭第四阀门，打开第三阀门，由井下的压风系统持续往小孔内注入压缩空气5~10h；当第二流量计读数≤1m3/min时，关闭第三阀门，打开第四阀门。

d．循环重复步骤c，直至第二流量计读数介于1~3m3/min之间时，继续小孔内注入压缩空气，驱替巷道的松动圈L₁与抽采孔的密封段之间L₂的煤体瓦斯，且持续注气10~20d；驱替巷道的松动圈（37）深度L₁为5~7米。

e．每隔2~5d，打开第一阀门，压风系统中的空气经除湿器除湿后，经增压阀进入长、宽、高分别为2m、1m、1m的储气罐；当储气罐中的气压达到2~4MPa时，打开第二阀门，调节减压阀，使气压降至1~1.2MPa后，关闭第六阀门；打开第五阀门，调节节流阀，使空气的流量为1~3m3/min。

f．持续往注气孔注气5~10h，当第二流量计的读数介于1~3m3/min时，关闭第五阀门，打开第六阀门。

g．循环重复步骤e，直至第二流量计读数介于3~5m3/min之间时，则关闭第三阀门，打开第四阀门，驱替注气孔密封段深度L₃与抽采孔密封段深度L₂之间的煤体瓦斯，且持续注气10~20d。

h．每隔2~5d经第一取样装置抽取抽采孔内15~30ml混合气体，并分析CH₄浓度，当CH₄浓度低于30%时，表明大量空气流入抽采孔，为保证高浓度抽采，关闭第五阀门、第七阀门和第八阀门，停止抽采瓦斯1~3d，以使远处的瓦斯可运移过来。

i．打开第五阀门、第七阀门和第八阀门，循环重复步骤h，直至CH₄浓度始终低于30%，关闭第五阀门和第八阀门，打开第六阀门，使注气孔和抽采孔同时抽采煤层中的瓦斯。

j．每隔2~5d从第一取样装置和第二取样装置分别抽取抽采孔内15~30ml混合气体，并分析CH₄浓度，当CH4浓度低于16%时，关闭第六阀门、第七阀门和第八阀门。

Claims (8)

1.一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统，其特征在于由压气系统和抽气系统组成，所述压气系统包括主管路、支管路，主管路上安装有除湿器、增压阀、储气罐、减压阀、压力表、节流阀和流量计，主管路穿入到煤层内注气孔的密封段；支管路穿入到煤层内小孔的密封段；主管路与抽采管路连接；所述抽气系统包括抽采管路，抽采管路安装有取样阀、流量计和压力表，抽采管路的其中两个穿入到煤层内抽采孔的密封段。

2.根据权利要求1所述的一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统，其特征在于所述支管路有两条，两条支管路与主管路通过四通管连接，两条支管路各通过三通管与抽采管路连接。

3.根据权利要求2所述的一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统，其特征在于所述三通管的三条连接管路上均设有阀门。

4.根据权利要求2所述的一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统，其特征在于所述四通管连接压风系统。

5.根据权利要求1所述的一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统，其特征在于所述支管路小孔设置在注气孔于抽采孔之间，注气孔设置在两个小孔之间。

6.根据权利要求1所述的一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统，其特征在于所述的压气系统包括主管路（8）、四通管（19）、第一阀门（1）、除湿器（2）、增压阀（3）、储气罐（4）、第一压力表（5）、第二阀门（6）、减压阀（7）、第二压力表（10）、节流阀（9）、第一流量计（11）、第五阀门（12）、第一三通管（29）、第一支管路（31）、第二支管路（32）、第三阀门（14）、第二三通管（30）、第四压力表（21）、第八阀门（22）、注气孔（33）、小孔（35）；主管路（8）上依次设有第一阀门（1）、除湿器（2）、增压阀（3）、储气罐（4）、第一压力表（5）、第二阀门（6）、减压阀（7）、第二压力表（10）、节流阀（9）、第一流量计（11）、第五阀门（12）、第一三通管（29），在靠近第一阀门（1）端与四通管（19）连接，在靠近第一三通管（29）端与注气孔（33）相连，第一三通管（29）的另一端与抽采管路（27）相连；第一支管路（31）和第二支管路（32）上依次设有第三阀门（14）、第二三通管（30）、第四压力表（21）、第八阀门（22），在靠近第三阀门（14）端与四通管（19）连接，在靠近第八阀门（22）端与小孔（35）连接，第二三通管（30）位于第三阀门（14）和第四压力表（21）之间，第二三通管（30）的另一端与抽采管路（27）相连。

7.根据权利要求1所述的一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统，其特征在于所述的抽气系统包括抽采管路（27）、第六阀门（26）、第五压力表（25）、第三流量计（24）、第二取样装置（23）、第七阀门（18）、第三压力表（17）、第二流量计（16）、第一取样装置（15）、第四阀门（20）、注气孔（33）、抽采孔（34）、小孔（35），注气孔（33）通过第一三通管（29）与抽采管路（27）相连，之间设有第六阀门（26）、第五压力表（25）、第三流量计（24）、第二取样装置（23）；抽采孔（34）与抽采管路（27）之间设有第七阀门（18）、第二压力表（17）、第二流量计（16）、第一取样装置（15）；第一支阀（31）和第二支管路 (32）通过第二三通管（30）与抽采管路（27）相连，之间设有第四阀门（20）。

8.一种用于低中压空气驱替高压煤层瓦斯的方法，其特征在于，该方法的具体步骤是：

a．注气孔（33）、抽采孔（34）和小孔（35）孔口段采用水泥砂浆密封，其中抽采孔（34）或小孔（35）的密封段长度比巷道的松动圈的宽度大1~3米，注气孔（33）的密封段长度比抽采孔（34）和小孔（35）的密封段长度大5~10米，小孔（35）的孔深与注气孔（33）的密封段长度相同；关闭第一阀门（1）、第二阀门（6）、第三阀门（14）、第五阀门（12）；所述抽采孔（34）、小孔（35）的密封段长度L₂均为8~15米；注气孔（33）的密封段长度L₃为15~20米;

b．分别打开第四阀门（20）、第六阀门（26）、第七阀门（18）、第八阀门（22），使注气孔（33）、抽采孔（34）和小孔（35）开始抽采煤层中的瓦斯，且抽采瓦斯10~20d;

c．每间隔1~3d，关闭第四阀门（20），打开第三阀门（14），由井下的压风系统（28）持续往小孔（35）内注入压缩空气5~10h；当第二流量计（16）读数≤1m3/min时，关闭第三阀门（14），打开第四阀门（20）;

d．循环重复步骤c，直至第二流量计（16）读数介于1~3m3/min之间时，继续小孔（35）内注入压缩空气，驱替巷道的松动圈（37）深度L₁与抽采孔（34）的密封段深度L₂之间的煤体瓦斯，且持续注气10~20d；驱替巷道的松动圈（37）深度L₁为5~7米;

e．每隔2~5d，打开第一阀门（1），压风系统（28）中的空气经除湿器（2）除湿后，经增压阀（3）进入长、宽、高分别为2m、1m、1m的储气罐（4）；当储气罐（4）中的气压达到2~4MPa时，打开第二阀门（6），调节减压阀（7），使气压降至1~1.2MPa后，关闭第六阀门（26）；打开第五阀门（12），调节节流阀（9），使空气的流量为1~3m3/min;

f．持续往注气孔（33）注气5~10h，当第二流量计的读数介于1~3m3/min时，关闭第五阀门（12），打开第六阀门（26）;

g．循环重复步骤e，直至第二流量计（16）读数介于3~5m3/min之间时，关闭第三阀门（14），打开第四阀门（20），驱替注气孔（33）密封段深度L₃与抽采孔（34）密封段深度L₂之间的煤体瓦斯，且持续注气10~20d;

h．每隔2~5d经第一取样装置（15）抽取抽采孔内15~30ml混合气体，并分析CH₄浓度，当CH₄浓度低于30%时，关闭第五阀门（12）、第七阀门（18）和第八阀门（22），停止抽采瓦斯1~3d;

i．打开第五阀门（12）、第七阀门（18）和第八阀门（22），循环重复步骤h，直至CH₄浓度始终低于30%，关闭第五阀门（12）和第八阀门（22），打开第六阀门（26）;

j．每隔2~5d从第一取样装置（15）和第二取样装置（23）分别抽取抽采孔（34）内15~30ml混合气体，并分析CH₄浓度，当CH₄浓度低于16%时，关闭第六阀门（26）、第七阀门（18）和第八阀门（22）。