CN107575263A - 一种井下注热强化抽采瓦斯的装置 - Google Patents

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Abstract

一种井下注热强化抽采瓦斯的装置，涉及煤层气开采技术，本发明的水质软化系统通过水管与矿用水源连通，高压注水系统通过水管与水质软化系统连接，过热蒸汽发生系统通过高压胶管与高压注水系统连接，过热蒸汽注入系统通过高压蒸汽波纹管与过热蒸汽发生系统连接，过热蒸汽注入系统的高压蒸汽波纹管与设置在煤层注热钻孔中的煤层封孔系统连接，煤层封孔系统与气‑水分离系统连接，气‑水分离系统将气体通过瓦斯管路与井下瓦斯抽采泵站相接，气‑水分离系统将蒸汽冷凝水通过水管与水质软化系统连通。本发明是一种直接用于矿井的注热强化抽采瓦斯装置，可实现煤矿的安全生产。

Description

一种井下注热强化抽采瓦斯的装置
技术领域
本发明涉及煤层气开采技术，特别涉及一种通过煤矿井下注热的方式强化抽采煤层气的装置。
背景技术
煤矿瓦斯是一种可燃性气体，它既是一种宝贵的能源，也是威胁煤矿安全生产的最大隐患。在采矿过程中，瓦斯从煤层中扩散、涌入到矿井的巷道中，当巷道中的瓦斯浓度达到爆炸界限，遇到明火时，就会造成煤矿瓦斯爆炸事故。进行井下本煤层或邻近煤层的瓦斯预抽采是减少矿井瓦斯涌出量、防治煤矿瓦斯灾害的有效方法。
温度是影响瓦斯吸附与解吸状态的重要因素，通常提高温度可以促进煤中吸附瓦斯气体的解吸，与此同时，煤层受热其物理特性会发性变化，主要表现在强度降低，易于产生更多的裂缝，利于煤层瓦斯的有效抽采。因此，开发一种用于井下注热强化抽采瓦斯的装置，对实现煤层瓦斯的有效抽采，意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于井下注热强化抽采瓦斯的装置，以便于在煤矿井下产生持续且稳定流量的过热蒸汽或过热水，使煤层受热瓦斯解吸并释放出来，有效提高煤层瓦斯的抽采率，降低煤矿瓦斯灾害事故的发生率。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种井下注热强化抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述井下注热强化抽采瓦斯的装置由水质软化系统、高压注水系统、过热蒸汽发生系统、过热蒸汽注入系统、煤层封孔系统和气-水分离系统组成，所述水质软化系统通过水管与矿用水源连通，所述高压注水系统通过水管与所述水质软化系统连接，所述过热蒸汽发生系统通过高压胶管与所述高压注水系统连接，所述过热蒸汽注入系统通过高压蒸汽波纹管与所述过热蒸汽发生系统连接，所述过热蒸汽注入系统的高压蒸汽波纹管与设置在煤层注热钻孔中的所述煤层封孔系统连接，所述煤层封孔系统与气-水分离系统连接，所述气-水分离系统将气体通过瓦斯管路与井下瓦斯抽采泵站相接，所述气-水分离系统将蒸汽冷凝水通过水管与所述水质软化系统连通。
进一步，所述水质软化系统包括：矿用水降压装置、净化水装置和软化水装置，矿用水通过水管注入所述矿用水降压装置，所述矿用水降压装置与所述净化水装置连通，所述净化水装置与所述软化水装置连通，所述软化水装置经净化水出水管与所述高压注水系统连通。
进一步，所述高压注水系统包括：矿用防爆型计量柱塞泵、高压水压力表，所述矿用防爆型计量柱塞泵经净化水入水管与所述软化水装置连通，所述矿用防爆型计量柱塞泵通过高压胶管与所述过热蒸汽发生系统连通，所述高压胶管上设有所述高压水压力表。
进一步，所述矿用防爆型计量柱塞泵的注水压力应始终高于煤层原岩应力，即：
p1＞max(σ1，σ2，σ3)，
式中：p1是注水压力，单位MPa，σ1、σ2、σ3分别代表煤层三个方向的主应力，单位MPa；
所述矿用防爆型计量柱塞泵的注水流量依据实际注热能力确定。
进一步，所述过热蒸汽发生系统由饱和水预热装置、过热蒸汽产生装置、过热蒸汽稳定装置、气体压力控制装置和高压水联锁控制装置组成，所述饱和水预热装置通过高压胶管与所述矿用防爆型计量柱塞泵连通，所述饱和水预热装置与所述过热蒸汽产生装置连通，所述过热蒸汽产生装置与所述过热蒸汽稳定装置连通，所述过热蒸汽稳定装置通过高压蒸汽波纹管与所述过热蒸汽注入系统连通，所述高压蒸汽波纹管上设有所述气体压力控制装置，所述过热蒸汽稳定装置采用电缆与所述高压水联锁控制装置连接，所述高压水联锁控制装置采用电缆与所述矿用防爆型计量柱塞泵连接。
进一步，所述过热蒸汽注入系统由高压蒸汽波纹管和设置在高压蒸汽波纹管上的防蒸汽回流单向阀组成。
进一步，所述煤层封孔系统由双层可拆卸绝热材料封孔器和设置在孔底口的气体压力测试器组成，所述双层可拆卸绝热材料封孔器由单支标准长度500mm的双层绝热封孔胶囊和封孔胶囊接头采用自锁紧卡扣结构组成。
进一步，所述气-水分离系统由孔底气-水收集装置、孔口气体负压集气装置、孔口集水装置和孔口排水装置组成，所述孔底气-水收集装置位于注热钻孔底部，通过钻孔与所述过热蒸汽注入系统连接，所述孔底气-水收集装置通过布置于钻孔中的导管分别与孔口气体负压集气装置和孔口集水装置相连接，所述孔口气体负压集气装置位于钻孔外缘的上部，所述孔口集水装置位于钻孔外缘的下部，所述孔口气体负压集气装置直接连入井下的瓦斯抽采管路，所述孔口集水装置与所述孔口排水装置通过管路相连接，所述孔口排水装置通过水管与所述水质软化系统连通。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明由水质软化系统、高压注水系统、过热蒸汽发生系统、过热蒸汽注入系统、煤层封孔系统和气-水分离系统构成，矿用水经水质软化系统软化后注入高压注水系统，之后通过过热蒸汽发生系统产生恒定流量、恒定温度的过热蒸汽，由过热蒸汽注入系统注入煤层中，煤层钻孔采用煤层封孔系统封孔，防止高压蒸汽从孔口溢出，加热后的冷凝水和解吸后的瓦斯气体经气-水分离系统被综合利用。在装置的使用过程中，煤层得以加热，煤层瓦斯大量解吸并流入瓦斯泵站作后续利用，使得煤层在一定时间内赋存瓦斯量降低、煤体强度降低，可有效防止矿井瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故的发生。
本发明用于煤层气的井下抽采，是一种可以直接用于矿井的注热强化抽采瓦斯装置，最终实现煤矿的安全生产。
附图说明
图1是一种井下注热强化抽采瓦斯的装置结构示意图。
其中：
1—水质软化系统、2—高压注水系统、3—过热蒸汽发生系统、4—过热蒸汽注入系统、5—煤层封孔系统、6—气-水分离系统、7—煤层。
11—水管、12—矿用水降压装置、13—净化水装置、14—软化水装置、15—净化水出水管。
21—净化水入水管、22—矿用防爆型计量柱塞泵、23—高压水压力表、24—高压胶管。
31—饱和水预热装置、32—过热蒸汽产生装置、33—过热蒸汽稳定装置、34—气体压力控制装置、35—过热蒸汽与高压水联锁控制装置。
41—高压蒸汽波纹管、42—防蒸汽回流单向阀。
51—双层可拆卸绝热材料封孔器、52—孔底口气体压力测试器、511—双层绝热封孔胶囊、512—封孔胶囊接头。
61—孔底气-水收集装置、62—孔口气体负压集气装置、63—孔口集水装置、64—孔口排水装置。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的内容进行详细、完整的描述。
如图1所示，在煤巷中较为宽敞的部位，沿巷道壁依次布置，由水质软化系统1、高压注水系统2、过热蒸汽发生系统3、过热蒸汽注入系统4、煤层封孔系统5和气-水分离系统6组成的一种井下注热强化抽采瓦斯的装置，所述水质软化系统1通过水管与矿用水源连通，所述高压注水系统2通过水管与所述水质软化系统1连接，所述过热蒸汽发生系统3通过高压胶管与所述高压注水系统2连接，所述过热蒸汽注入系统4通过高压蒸汽波纹管与所述过热蒸汽发生系统3连接，所述过热蒸汽注入系统4的高压蒸汽波纹管与设置在煤层注热钻孔中的所述煤层封孔系统5连接，所述煤层封孔系统5与气-水分离系统6连接，所述气-水分离系统6将气体通过瓦斯管路与井下瓦斯抽采泵站相接，所述气-水分离系统6将蒸汽冷凝水通过水管与所述水质软化系统1连通。
为避免矿用水经加热后容易产生其它杂质，影响装置的继续使用，故将矿用水软化后使用，便于装置的长期稳定运行。
所述水质软化系统1包括：矿用水降压装置12、净化水装置13和软化水装置14，矿用水通过水管11注入所述矿用水降压装置12，所述矿用水降压装置12与所述净化水装置13连通，所述净化水装置13与所述软化水装置14连通，所述软化水装置14经净化水出水管15与所述高压注水系统2连通。
所述高压注水系统2包括：矿用防爆型计量柱塞泵22、高压水压力表23，所述矿用防爆型计量柱塞泵22经净化水入水管21与所述软化水装置14连通，所述矿用防爆型计量柱塞泵22通过高压胶管24与所述过热蒸汽发生系统3连通，所述高压胶管24上设有所述高压水压力表23。
所述矿用防爆型计量柱塞泵22的注水压力应始终高于煤层原岩应力，即：p1＞max(σ1，σ2，σ3)，
式中：p1是注水压力，单位MPa，σ1、σ2、σ3分别代表煤层三个方向的主应力，单位MPa；
所述矿用防爆型计量柱塞泵22的注水流量依据实际注热能力确定。
所述过热蒸汽发生系统3由饱和水预热装置31、过热蒸汽产生装置32、过热蒸汽稳定装置33、气体压力控制装置34和高压水联锁控制装置35组成，所述饱和水预热装置31通过高压胶管24与所述矿用防爆型计量柱塞泵22连通，所述饱和水预热装置31与所述过热蒸汽产生装置32连通，所述过热蒸汽产生装置32与所述过热蒸汽稳定装置33连通，所述过热蒸汽稳定装置33通过高压蒸汽波纹管与所述过热蒸汽注入系统4连通，所述高压蒸汽波纹管上设有所述气体压力控制装置34，所述过热蒸汽稳定装置33采用电缆与所述高压水联锁控制装置35连接，所述高压水联锁控制装置35采用电缆与所述矿用防爆型计量柱塞泵22连接。
过热蒸汽发生系统3中的高压水联锁控制装置35连接矿用防爆型计量柱塞泵22和过热蒸汽稳定装置33，连接方式是采用电缆连接传递电位信号，当过热蒸汽稳定装置33中的气体压力超过限定压力时，启动高压水联锁控制装置，关闭矿用防爆型计量柱塞泵22，切断高压水供应，以避免过热蒸汽稳定装置33中的气体压力进一步增大。
通过加热使水达到饱和水状态，便于再受热后产生蒸汽，缩短蒸汽产生时间，并且系统始终充满饱和水；所述过热蒸汽产生装置32，预热后的饱和水受热产生过热蒸汽，所产生的过热蒸汽质量流量等于所述高压注水系统2高压水的质量流量；所述过热蒸汽稳定装置33，通过稳定受热，使所述过热蒸汽产生装置32所产生的过热蒸汽在该系统中始终保持过热蒸汽状态，质量流量与所述过热蒸汽产生装置32的过热蒸汽相同；所述气体压力控制装置34，作用是维持所述过热蒸汽发生系统3的系统压力不高于设定值，一旦压力超限，该装置通过电磁阀自动泄压并报警，保护所述过热蒸汽发生系统3的安全性；所述过热蒸汽与高压水联锁控制装置35，作用是联动所述高压注水系统2和过热蒸汽发生系统3，当过热蒸汽压力超限，自动切断高压注水功能。
所述过热蒸汽注入系统4由高压蒸汽波纹管41和设置在高压蒸汽波纹管41上的防蒸汽回流单向阀42组成。
蒸汽经过热蒸汽发生系统3通过高压蒸汽波纹管41传输，防蒸汽回流单向阀42仍通过高压蒸汽波纹管传输蒸汽，它的作用是防止注入煤层的瓦斯倒流入过热蒸汽发生系统3，以及在煤层中形成较高压力的蒸汽。
所述煤层封孔系统5由双层可拆卸绝热材料封孔器51和设置在孔底口的气体压力测试器52组成，所述双层可拆卸绝热材料封孔器51由单支标准长度500mm的双层绝热封孔胶囊511和封孔胶囊接头512采用自锁紧卡扣结构组成。
所述孔底气体压力测试器52，可以测量钻孔过热蒸汽注入后煤层孔底的气体压力，便于后续的数据分析与处理。
所述气-水分离系统6由孔底气-水收集装置61、孔口气体负压集气装置62、孔口集水装置63和孔口排水装置64组成，所述孔底气-水收集装置61位于注热钻孔底部，通过钻孔与所述过热蒸汽注入系统4连接，所述孔底气-水收集装置61通过布置于钻孔中的导管分别与孔口气体负压集气装置62和孔口集水装置63相连接，所述孔口气体负压集气装置62位于钻孔外缘的上部，所述孔口集水装置63位于钻孔外缘的下部，所述孔口气体负压集气装置62直接连入井下的瓦斯抽采管路，所述孔口集水装置63与所述孔口排水装置64通过管路相连接，所述孔口排水装置64通过水管与所述水质软化系统1连通。
所述孔底气-水收集装置61，将过热蒸汽加热煤层后形成的冷凝水和解吸后的瓦斯气体相收集，经管道流出孔口；所述孔口气体负压集气装置62，由于气-水密度悬殊，安放于孔口上方的负压集气装置，可以将解吸出的瓦斯气体抽出，并经瓦斯管路与井下瓦斯抽采泵站相接，达到强化瓦斯抽采的目的；所述孔口集水装置63，将过热蒸汽冷凝后的水，通过水的重力作用集中收集，用于后续的使用；所述孔口排水装置64，将收集后的水接入所述水质软化系统1，将矿用水继续使用，以做到矿井水资源的循环利用。
所述过热蒸汽注入系统4将过热蒸汽注入煤层7，加热煤层产生的气体和水通过所述煤层封孔系统5与巷道相隔离，所述气-水分离系统6将所产生的解吸气体和加热后的冷凝水分离并排出煤层。
本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神和范围，应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作岀若干改进和等效范围内的变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种井下注热强化抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述井下注热强化抽采瓦斯的装置由水质软化系统(1)、高压注水系统(2)、过热蒸汽发生系统(3)、过热蒸汽注入系统(4)、煤层封孔系统(5)和气-水分离系统(6)组成，所述水质软化系统(1)通过水管与矿用水源连通，所述高压注水系统(2)通过水管与所述水质软化系统(1)连接，所述过热蒸汽发生系统(3)通过高压胶管与所述高压注水系统(2)连接，所述过热蒸汽注入系统(4)通过高压蒸汽波纹管与所述过热蒸汽发生系统(3)连接，所述过热蒸汽注入系统(4)的高压蒸汽波纹管与设置在煤层注热钻孔中的所述煤层封孔系统(5)连接，所述煤层封孔系统(5)与气-水分离系统(6)连接，所述气-水分离系统(6)将气体通过瓦斯管路与井下瓦斯抽采泵站相接，所述气-水分离系统(6)将蒸汽冷凝水通过水管与所述水质软化系统(1)连通。
2.根据权利要求1所述的井下注热强化抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述水质软化系统(1)包括：矿用水降压装置(12)、净化水装置(13)和软化水装置(14)，矿用水通过水管(11)注入所述矿用水降压装置(12)，所述矿用水降压装置(12)与所述净化水装置(13)连通，所述净化水装置(13)与所述软化水装置(14)连通，所述软化水装置(14)经净化水出水管(15)与所述高压注水系统(2)连通。
3.根据权利要求1所述的井下注热强化抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述高压注水系统(2)包括：矿用防爆型计量柱塞泵(22)、高压水压力表(23)，所述矿用防爆型计量柱塞泵(22)经净化水入水管(21)与所述软化水装置(14)连通，所述矿用防爆型计量柱塞泵(22)通过高压胶管(24)与所述过热蒸汽发生系统(3)连通，所述高压胶管(24)上设有所述高压水压力表(23)。
4.根据权利要求3所述的井下注热强化抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述矿用防爆型计量柱塞泵(22)的注水压力应始终高于煤层原岩应力，即：
p1＞max(σ1，σ2，σ3)，
式中：p1是注水压力，单位MPa，σ1、σ2、σ3分别代表煤层三个方向的主应力，单位MPa；
所述矿用防爆型计量柱塞泵(22)的注水流量依据实际注热能力确定。
5.根据权利要求1所述的井下注热强化抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述过热蒸汽发生系统(3)由饱和水预热装置(31)、过热蒸汽产生装置(32)、过热蒸汽稳定装置(33)、气体压力控制装置(34)和高压水联锁控制装置(35)组成，所述饱和水预热装置(31)通过高压胶管(24)与所述矿用防爆型计量柱塞泵(22)连通，所述饱和水预热装置(31)与所述过热蒸汽产生装置(32)连通，所述过热蒸汽产生装置(32)与所述过热蒸汽稳定装置(33)连通，所述过热蒸汽稳定装置(33)通过高压蒸汽波纹管与所述过热蒸汽注入系统(4)连通，所述高压蒸汽波纹管上设有所述气体压力控制装置(34)，所述过热蒸汽稳定装置(33)采用电缆与所述高压水联锁控制装置(35)连接，所述高压水联锁控制装置(35)采用电缆与所述矿用防爆型计量柱塞泵(22)连接。
6.根据权利要求1所述的井下注热强化抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述过热蒸汽注入系统(4)由高压蒸汽波纹管(41)和设置在高压蒸汽波纹管(41)上的防蒸汽回流单向阀(42)组成。
7.根据权利要求1所述的井下注热强化抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述煤层封孔系统(5)由双层可拆卸绝热材料封孔器(51)和设置在孔底口的气体压力测试器(52)组成，所述双层可拆卸绝热材料封孔器(51)由单支标准长度500mm的双层绝热封孔胶囊(511)和封孔胶囊接头(513)采用自锁紧卡扣结构组成。
8.根据权利要求1所述的井下注热强化抽采瓦斯的装置，其特征在于：所述气-水分离系统(6)由孔底气-水收集装置(61)、孔口气体负压集气装置(62)、孔口集水装置(63)和孔口排水装置(64)组成，所述孔底气-水收集装置(61)位于注热钻孔底部，通过钻孔与所述过热蒸汽注入系统(4)连接，所述孔底气-水收集装置(61)通过布置于钻孔中的导管分别与孔口气体负压集气装置(62)和孔口集水装置(63)相连接，所述孔口气体负压集气装置(62)位于钻孔外缘的上部，所述孔口集水装置(63)位于钻孔外缘的下部，所述孔口气体负压集气装置(62)直接连入井下的瓦斯抽采管路，所述孔口集水装置(63)与所述孔口排水装置(64)通过管路相连接，所述孔口排水装置(64)通过水管与所述水质软化系统(1)连通。
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