CN107701157A - 一种井下注热改造煤层物理特性的装置及方法 - Google Patents

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    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • E21B43/24—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
    • E21B43/2401—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection by means of electricity

Abstract

一种井下注热改造煤层物理特性的装置及方法，涉及煤矿开采技术，解决煤巷掘进时易发生冲击地压或煤与瓦斯突出的技术问题。本发明由煤矿中性水净化‑软化器、高压水泵、电加热器、注热管路、注热钻孔构成煤层加热系统，水经过净化‑软化器处理后，由高压水泵注入电加热器，在高压状态下由电加热器对水进行加热，产生过热水沿注热管路和注热钻孔的封孔管注入煤层，水进入煤层后随压力降低，部分转化为水蒸气，过热水及水蒸气沿煤层裂缝渗流并加热煤层，释放热量后的水汇入到抽采钻孔，排出煤层。煤层经过一段时间加热，可以在短时间内改变煤的吸附性、强度、以及煤的自燃点等物理特性，有效防止煤巷掘进时发生冲击地压或者煤与瓦斯突出。

Description

一种井下注热改造煤层物理特性的装置及方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术，特别涉及一通过加热方式改变煤层物理特性的装置及方法。
背景技术
温度对煤的诸多物理特性会产生影响，例如，加热煤层可以降低各种变质程度的煤对气体的吸附性，褐煤经过加热后，可以脱除煤中的水分，改变褐煤的发火点(温度值)，加热煤层可以增强煤的塑性变形能力，降低煤与瓦斯突出的倾向性。采用加热煤层对煤的物理特性进行改性是一种集约化、快速处理煤矿中相应问题的最佳方法。但由于煤矿井下特殊的安全要求，以及煤矿的乏风中含有易于爆炸的瓦斯气体，所以煤矿生产和科学研究中尚无通过加热方式改变煤层物理特性的工艺和相应设备的技术。随着煤矿开采深度的增加，一些常规方法已经无法满足煤矿安全生产的需要，急待开发一种井下加热煤层的装置及方法，实现对煤的物理特性进行迅速改变的需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术尚无通过对煤矿井下煤层加热，短时间内改变煤层物理特性的技术，提供一种井下注热改造煤层物理特性的装置及方法，解决煤巷掘进时易发生冲击地压或煤与瓦斯突出的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种井下注热改造煤层物理特性的装置，包括：煤矿中性水净化-软化器、高压水泵、电加热器、封孔管，所述煤矿中性水净化-软化器通过管路与所述高压水泵连接，所述高压水泵通过高压管路与所述电加热器连接，所述电加热器通过注热管路与所述封孔管连接，所述封孔管设置在煤层的注热钻孔中。
进一步，所述电加热器承受压力为50±5MPa，所述电加热器输出的水蒸气或过热水温度为150～300℃。
进一步，所述高压水泵，电加热器，注热管路在300℃高温条件下的额定压力为30MPa。
进一步，所述电加热器通过注热管路向所述封孔管注水压力与注水量，依据煤层埋深确定，它们之间的数学关系式为：
Q＝P×[Exp(-H)×L]×log(L/D)/A，
其中：Q为单位时间的注水量，P为过热水或蒸汽压力，H为煤层埋深，A为系数，L为钻孔的裸孔长度或筛管长度，D为钻孔的直径。
进一步，所述高压水泵为矿用柱塞泵。
进一步，所述注热管路为耐高压、高温的管路。
一种井下注热改造煤层物理特性的方法，其步骤如下：
①在煤巷中较为宽敞的部位，沿巷道壁依次布置：煤矿中性水净化-软化器、高压水泵、电加热器，在煤层中施工注热钻孔，在注热钻孔中设置封孔管；
②采用管路将煤矿中性水净化-软化器与高压水泵连接，采用高压管路将高压水泵与电加热器连接，采用注热管路将电加热器与封孔管连接；
③启动高压水泵，根据公式Q＝P×[Exp(-H)×L]×log(L/D)/A，确定注水量与注水压力之间的关系；
④利用高压水泵将水注满电加热器、封孔管，并维持1MPa低压状态；
⑤启动电加热器，根据水温度逐步升高注水压力，直至水温达到150～300℃，压力达到15～50MPa，控制高压水泵，达到恒压工作；
⑥每隔8小时，从煤层中取样，进行力学强度检测，达到要求时停止注热。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
本发明由煤矿中性水净化-软化器、高压水泵、电加热器、注热管路、注热钻孔构成煤层加热系统，水经过煤矿中性水净化-软化器处理后，由高压水泵注入到电加热器，在高压状态下由高温高压的电加热器对水进行加热，产生高温的过热水沿注热管路和注热钻孔的封孔管注入到煤层，水进入煤层后随压力降低，部分转化为水蒸气，过热水及水蒸气沿煤层裂缝渗流并加热煤层，释放热量后的水汇入到位于煤层中的抽采钻孔，排出煤层。煤层经过一段时间加热，可以在短时间内改变煤的吸附性、强度、以及煤的自燃点等物理特性，有效防止煤巷掘进时发生冲击地压或者煤与瓦斯突出。
本发明用于煤矿开采，是一种可直接使用、具有可操作性的井下加热煤层的装置及方法，可以在短时间内改变煤的物理和力学特性，实现煤矿安全生产的需求。
附图说明
图1是一种井下注热改造煤层物理特性的装置结构示意图。
其中：
1—煤矿中性水净化-水软化器、2—高压水泵、3—电加热器、4—封孔管、5—管路、6—高压管路、7—注热管路、8—注热钻孔、9—煤层。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，一种井下注热改造煤层物理特性的装置，包括：煤矿中性水净化-软化器1、高压水泵2、电加热器3、封孔管4，所述煤矿中性水净化-软化器1通过管路5与所述高压水泵2连接，所述高压水泵2通过高压管路6与所述电加热器3连接，所述电加热器3通过注热管路7与所述封孔管4连接，所述封孔管4设置在煤层9的注热钻孔8中。
所述电加热器3承受压力为50±5MPa，所述电加热器3输出的水蒸气或过热水温度为150～300℃。
所述高压水泵2，电加热器3，注热管路7的在300℃高温条件下的额定压力为30MPa。
所述电加热器3通过注热管路7向所述封孔管4注水压力与注水量，依据煤层埋深确定，它们之间的数学关系式为：
Q＝P×[Exp(-H)×L]×log(L/D)/A，
其中：Q为单位时间的注水量，P为过热水或蒸汽压力，H为煤层埋深，A为系数，L为钻孔的裸孔长度或筛管长度，D为钻孔的直径。
所述高压水泵2为矿用柱塞泵。
所述注热管路7为耐高压、高温的管路。
一种井下注热改造煤层物理特性的方法，其步骤如下：
①在煤巷中较为宽敞的部位，沿巷道壁(帮)依次布置：煤矿中性水净化-软化器1、高压水泵2、电加热器3，在煤巷(掘进在煤层中的巷道)的掘进面施工注热钻孔8，在注热钻孔8中设置封孔管4；
②采用管路5将煤矿中性水净化-软化器1与高压水泵2连接，采用高压管路6将高压水泵2与电加热器3连接，采用耐高压高温的注热管路7将电加热器3与封孔管4连接；
③启动高压水泵2，测试不同压力下的注水量，根据公式：Q＝P×[Exp(-H)×L]×log(L/D)/A，确定注水量与注水压力之间的关系；
④利用高压水泵2将水注满电加热器3、封孔管4，并维持1MPa低压状态；
⑤启动电加热器3，产生高温高压的过热水，过热水的压力在5～30MPa范围，温度在150～300℃，控制高压水泵，达到恒压工作；
⑥每隔8小时，从煤层9中取样，进行力学强度检测，达到要求时停止注热。
煤层加热系统能改变煤的物理力学特性，又不使煤发生热解变质，温度范围在150～300℃之间。
本发明能够解决煤矿的诸多问题，例如：煤层改性、强化煤层瓦斯抽采、防止煤层突出等，测定的物理参数根据要求有所变化，注热的温度和注热所需时间均会发生变化。因此，本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的范围，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，不脱离本发明结构的前提下，作岀的改进和变化也应视为本发明的保护围。

Claims (7)

1.一种井下注热改造煤层物理特性的装置，其特征在于：所述井下注热改造煤层物理特性的装置包括：煤矿中性水净化-软化器(1)、高压水泵(2)、电加热器(3)、封孔管(4)，所述煤矿中性水净化-软化器(1)通过管路(5)与所述高压水泵(2)连接，所述高压水泵(2)通过高压管路(6)与所述电加热器(3)连接，所述电加热器(3)通过注热管路(7)与所述封孔管(4)连接，所述封孔管(4)设置在煤层(9)的注热钻孔(8)中。
2.根据权利要求1所述的井下注热改造煤层物理特性的装置，其特征在于：所述电加热器(3)承受压力为50±5MPa，所述电加热器(3)输出的水蒸气或过热水温度为150～300℃。
3.根据权利要求1所述的井下注热改造煤层物理特性的装置，其特征在于：所述高压水泵(2)，电加热器(3)，注热管路(7)在300℃高温条件下的额定压力为30MPa。
4.根据权利要求1所述的井下注热改造煤层物理特性的装置，其特征在于：所述电加热器(3)通过注热管路(7)向所述封孔管(4)注水压力与注水量，依据煤层埋深确定，它们之间的数学关系式为：
Q＝P×[Exp(-H)×L]×log(L/D)/A，
其中：Q为单位时间的注水量，P为过热水或蒸汽压力，H为煤层埋深，A为系数，L为钻孔的裸孔长度或筛管长度，D为钻孔的直径。
5.根据权利要求1所述的井下注热改造煤层物理特性的装置，其特征在于：所述高压水泵(2)为矿用柱塞泵。
6.根据权利要求1所述的井下注热改造煤层物理特性的装置，其特征在于：所述注热管路(7)为耐高压、高温的管路。
7.采用权利要求1所述装置的一种井下注热改造煤层物理特性的方法，其特征在于：具体步骤如下：
①在煤巷中较为宽敞的部位，沿巷道壁依次布置：煤矿中性水净化-软化器(1)、高压水泵(2)、电加热器(3)，在煤层(9)中施工注热钻孔(8)，在注热钻孔(8)中设置封孔管(4)；
②采用管路(5)将煤矿中性水净化-软化器(1)与高压水泵(2)连接，采用高压管路(6)将高压水泵(2)与电加热器(3)连接，采用注热管路(7)将电加热器(3)与封孔管(4)连接；
③启动高压水泵(2)，根据公式Q＝P×[Exp(-H)×L]×log(L/D)/A，确定注水量与注水压力之间的关系；
④利用高压水泵(2)将水注满电加热器(3)、封孔管(4)，并维持1MPa低压状态；
⑤启动电加热器(3)，根据水温度逐步升高注水压力，直至水温达到150～300℃，压力达到15～50MPa，控制高压水泵，达到恒压工作；
⑥每隔8小时，从煤层(9)中取样，进行力学强度检测，达到要求时停止注热。
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