CN107782004B - 一种地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法，首先在热源岩层中施工钻孔并埋设集热热管，通过工质的蒸发和冷凝，集热热管将热量迅速转移到集热水箱中。集热水箱和热源水箱通过换热器进行热量交换，热源水箱中的水被加热。加热热管布置在瓦斯抽采钻孔中，由热源水箱通过加热热管对抽采煤层加热，随着加热热管内的工质在蒸发段和冷凝段不断发生相变，热量持续的传递到抽采煤层中。本方法传热效率高，不需要提供额外的直接热源或化学物质反应热源，抽采瓦斯的能耗及成本低，特别适用于煤矿井下低透气、高吸附煤层的瓦斯抽采。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高瓦斯抽采率的方法，尤其是一种适用于煤矿井下低透气、高吸附煤层的地热能量提取提高煤矿井下瓦斯抽采效率的方法，属于煤炭安全开采技术领域。
背景技术
瓦斯是煤矿生产中的主要危害因素。瓦斯含量的增加会降低空气中的氧含量，进而人员因缺氧发生窒息事故；当瓦斯浓度达到5-16％且氧浓度超过12％时遇高温热源会发生瓦斯爆炸；具备一定条件的区域在开采中会发生煤与瓦斯突出事故。
现有的提高瓦斯抽采效率的方法都是通过人工干扰在煤层内形成裂隙和瓦斯运移通道，从而促进裂隙和通道附近的瓦斯解吸，然而人工形成的裂隙和通道有限，通常在实施这些技术方法后，煤层中还有大量的残余瓦斯不能被抽放出来，这些残余的瓦斯大部分会在煤炭开采过程中被释放出来，随通风风流直接排放到大气中。
从现有的研究理论上来讲，提高煤体的温度可以大大降低煤层的瓦斯含量，也就可以大幅提高瓦斯抽采率。目前采用的煤层加热提高瓦斯抽采率的方法都需要提供额外的直接热源或化学物质反应热源，通过这些热源来加热煤层或加热二氧化碳、氮气或高温烟道气等其他介质，然而煤的导热能力较差，要实现煤层的加热，需要大量的额外外部热量，造成抽采瓦斯的能耗及成本较高。
值的注意的是，煤矿井下广泛存在着地热资源。地热一般由岩石放热、矿石氧化放热、地热水等因素产生，而总体而言，岩石放热是井下地热的主要热源。有效合理的利用地热，就能够消除井下热害的同时更有效地利用能源。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种充分利用煤矿井下蕴含的地热资源，提高瓦斯抽采效率，能够在实现向煤层传递热量、促进吸附在煤体孔隙内部的瓦斯的解吸能力、保证瓦斯的抽放效果的前提下实现降低能耗和成本的地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法。
技术方案：本发明的地热能量提取提高瓦斯抽采效率的方法，包括以下步骤：
a)在矿井热源区间隔施工多个钻孔,并在每个钻孔中埋设集热热管，集热热管外露段一端布置在集热水箱内，外露孔口至集热水箱入口段的集热热管段上设有热管保温层，布置在集热水箱内的集热热管段上均设有翅片，集热热管头部设有端盖，端盖通过螺纹连接固定在集热水箱内的铜制热管舶上，通过铜制热管舶将多个集热热管串联固定，并进行封孔，以防止钻孔内热量散失；
b)向集热水箱内注水，使水位没过集热热管的翅片；
c)将连接在集热水箱下部的集热水箱热水管和连接在集热水箱上部的集热水箱冷水管分别与换热器的出入口连接在一起，通过水泵一使热水通过集热水箱热水管注入换热器内，经换热器换热后的冷水经过水泵二通过集热水箱冷水管返回集热水箱；
d)在需要加热的煤层巷道内布置热源水箱，将连接在热源水箱上部的热源水箱热水管和连接在热源水箱下部的热源水箱冷水管分别与换热器的出入口连接在一起，热源水箱内的冷水经水泵三通过热源水箱冷水管流入换热器内，经换热器热交换后的热水在水泵四的驱动下通过热源水箱热水管返回热源水箱内；
e)在瓦斯抽采钻孔中间隔安装多个加热热管，多个加热热管的前端设在瓦斯抽放钻孔中，后端设在热源水箱内，加热热管的结构与集热热管布置在集热水箱内的结构相同，方向相反；
f)以热源水箱作为热源，通过加热热管对瓦斯抽采煤层进行持续加热，进入加热热管内部的液体工质在浸入热源水箱内的加热热管段部分受热蒸发并带走热量，进入加热热管内部的液体工质进入瓦斯抽采煤层内的加热热管段部分进行冷凝放热，将加热热管随瓦斯抽采管道一同进行封孔，联接瓦斯抽采管网进行瓦斯抽采。
所述集热热管和加热热管外露孔口段的长度至少为2米，以保证集热热管和加热热管外露段上设置的翅片全部安装在集热水箱和热源水箱内。
所述的集热热管和加热热管为完全密封的碳素无缝钢管，液体工质充装在密封的碳素无缝钢管内。
所述的集热水箱和热源水箱均为含有保温芯层的水箱，穿过水箱箱体的集热热管和加热热管的入孔处均采用环形橡胶垫片进行防漏。
所述的集热水箱、热源水箱、集热水箱热水管、集热水箱冷水管、热源水箱热水管和热源水箱冷水管内的传热介质均为水。
所述的集热水箱热水管、集热水箱冷水管、热源水箱热水管和热源水箱冷水管外部均具有隔热保温层。
所述的加热热管根据瓦斯抽采钻孔位置的不同选用不同类型的热管，当瓦斯抽采钻孔为上行孔时采用热虹吸管，当钻孔为下行孔时采用含有吸液芯的热管。
所述的液体工质采用氟利昂、丙酮、甲醇、或乙醇低沸点的工质。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明直接从岩层中提取热量，不需要额外外界热源，因此抽采瓦斯的能耗及成本较低；同时，由于换热系统的存在，地热可以为煤层持续加热，当抽采位置发生变动时，只需要重新布置热管即可；煤体被加热后，瓦斯的解吸、运移会加剧，其内部残余的瓦斯会大量释放，抽采瓦斯的能耗及成本较低，特别适用于煤矿井下低透气、高吸附煤层的瓦斯抽采。与现有技术相比，利用介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程进行热量的转移，因此热量传导快速，加热效率高；热管外部壳体封闭，结构简单，环境适应性好，且成本相对低廉。在本技术领域内具用广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的实施流程示意图。
图中：1-集热热管；2-热管保温层；3-热管翅片；4-热管端盖；5-液体工质；6-集热水箱；7-含有保温芯层的水箱；8-铜质热管舶；9-换热器；10-热源水箱；11-加热热管；12-集热水箱热水管；13-集热水箱冷水管；14-热源水箱热水管；15-热源水箱冷水管；16-水泵；17-阀门；18-水管保温层；19-热源岩层；20-瓦斯抽采煤层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的地热能量提取提高瓦斯抽采效率的方法，具体步骤如下：
a)在矿井热源区19间隔施工多个钻孔,并在每个钻孔中埋设集热热管1，集热热管1外露段一端布置在集热水箱6内，外露孔口至集热水箱6入口段的集热热管段上设有热管保温层2，布置在集热水箱6内的集热热管1段上均设有翅片3，集热热管1头部设有端盖4，端盖4通过螺纹连接固定在集热水箱6内的铜制热管舶8上，通过铜制热管舶8将多个集热热管串联固定，并进行封孔，以防止钻孔内热量散失；
b)向集热水箱6内注水，使水位没过集热热管的翅片3；
c)将连接在集热水箱6下部的集热水箱热水管12和连接在集热水箱6上部的集热水箱冷水管13分别与换热器9的出入口连接在一起，通过水泵一使热水通过集热水箱热水管12注入换热器9内，经换热器9换热后的冷水经过水泵二通过集热水箱冷水管13返回集热水箱6；
d)在需要加热的煤层巷道内布置热源水箱10，将连接在热源水箱10上部的热源水箱热水管14和连接在热源水箱10下部的热源水箱冷水管15分别与换热器9的出入口连接在一起，热源水箱10内的冷水经水泵三通过热源水箱冷水管15流入换热器9内，经换热器9热交换后的热水在水泵四的驱动下通过热源水箱热水管14返回热源水箱10内；所述的集热水箱6和热源水箱10均为含有保温芯层的水箱7，穿过水箱箱体的集热热管1和加热热管11的入孔处均采用环形橡胶垫片进行防漏。所述的集热水箱6、热源水箱10、集热水箱热水管12、集热水箱冷水管13、热源水箱热水管14和热源水箱冷水管15内的传热介质均为水。所述的集热水箱热水管12、集热水箱冷水管13、热源水箱热水管14和热源水箱冷水管15外部均具有隔热保温层18。
e)在瓦斯抽采钻孔中间隔安装多个加热热管11，多个加热热管11的前端设在瓦斯抽放钻孔中，后端设在热源水箱10内，加热热管11的结构与集热热管1布置在集热水箱6内的结构相同，方向相反；所述集热热管1和加热热管11外露孔口段的长度至少为2米，以保证集热热管和加热热管外露段上设置的翅片3全部安装在集热水箱6和热源水箱10内。所述的集热热管1和加热热管11为完全密封的碳素无缝钢管，液体工质5充装在密封的碳素无缝钢管内。所述的加热热管11根据瓦斯抽采钻孔位置的不同选用不同类型的热管，当瓦斯抽采钻孔为上行孔时采用热虹吸管，当钻孔为下行孔时采用含有吸液芯的热管。所述的液体工质5采用氟利昂、丙酮、甲醇、或乙醇低沸点的工质。
f)以热源水箱10作为热源，通过加热热管11对瓦斯抽采煤层20进行持续加热，进入加热热管11内部的液体工质5在浸入热源水箱10内的加热热管段部分受热蒸发并带走热量，进入加热热管11内部的液体工质5进入瓦斯抽采煤层20内的加热热管段部分进行冷凝放热，将加热热管11随瓦斯抽采管道一同进行封孔，联接瓦斯抽采管网进行瓦斯抽采。
Claims (8)
1.一种地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）在矿井热源区（19）间隔施工多个钻孔,并在每个钻孔中埋设集热热管（1），集热热管（1）外露段一端布置在集热水箱（6）内，外露孔口至集热水箱（6）入口段的集热热管段上设有热管保温层（2），布置在集热水箱（6）内的集热热管（1）段上均设有翅片（3），集热热管（1）头部设有端盖（4），端盖（4）通过螺纹连接固定在集热水箱（6）内的铜制热管舶（8）上，通过铜制热管舶（8）将多个集热热管串联固定，并进行封孔，以防止钻孔内热量散失；
b）向集热水箱（6）内注水，使水位没过集热热管的翅片（3）；
c）将连接在集热水箱（6）下部的集热水箱热水管（12）和连接在集热水箱（6）上部的集热水箱冷水管（13）分别与换热器（9）的出入口连接在一起，通过水泵一使热水通过集热水箱热水管（12）注入换热器（9）内，经换热器（9）换热后的冷水经过水泵二通过集热水箱冷水管（13）返回集热水箱（6）；
d）在需要加热的煤层巷道内布置热源水箱（10），将连接在热源水箱（10）上部的热源水箱热水管（14）和连接在热源水箱（10）下部的热源水箱冷水管（15）分别与换热器（9）的出入口连接在一起，热源水箱（10）内的冷水经水泵三通过热源水箱冷水管（15）流入换热器（9）内，经换热器（9）热交换后的热水在水泵四的驱动下通过热源水箱热水管（14）返回热源水箱（10）内；
e）在瓦斯抽采钻孔中间隔安装多个加热热管（11），多个加热热管（11）的前端设在瓦斯抽放钻孔中，后端设在热源水箱（10）内，加热热管（11）的结构与集热热管（1）布置在集热水箱（6）内的结构相同，方向相反；
f）以热源水箱（10）作为热源，通过加热热管（11）对瓦斯抽采煤层（20）进行持续加热，进入加热热管（11）内部的液体工质（5）在浸入热源水箱（10）内的加热热管段部分受热蒸发并带走热量，进入加热热管（11）内部的液体工质（5）进入瓦斯抽采煤层（20）内的加热热管段部分进行冷凝放热，将加热热管（11）随瓦斯抽采管道一同进行封孔，联接瓦斯抽采管网进行瓦斯抽采。
2.根据权利要求1所述的地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法，其特征在于：所述集热热管（1）和加热热管（11）外露孔口段的长度至少为2米，以保证集热热管和加热热管外露段上设置的翅片（3）全部安装在集热水箱（6）和热源水箱（10）内。
3.根据权利要求1所述的地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法，其特征在于：所述的集热热管（1）和加热热管（11）为完全密封的碳素无缝钢管，液体工质（5）充装在密封的碳素无缝钢管内。
4.根据权利要求1所述的地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法，其特征在于：所述的集热水箱（6）和热源水箱（10）均为含有保温芯层的水箱（7），穿过水箱箱体的集热热管（1）和加热热管（11）的入孔处均采用环形橡胶垫片进行防漏。
5.根据权利要求1所述的地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法，其特征在于：所述的集热水箱（6）、热源水箱（10）、集热水箱热水管（12）、集热水箱冷水管（13）、热源水箱热水管（14）和热源水箱冷水管（15）内的传热介质均为水。
6.根据权利要求1所述的地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法，其特征在于：所述的集热水箱热水管（12）、集热水箱冷水管（13）、热源水箱热水管（14）和热源水箱冷水管（15）外部均具有隔热保温层（18）。
7.根据权利要求1所述的地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法，其特征在于：所述的加热热管（11）根据瓦斯抽采钻孔位置的不同选用不同类型的热管，当瓦斯抽采钻孔为上行孔时采用热虹吸管，当钻孔为下行孔时采用含有吸液芯的热管。
8.根据权利要求1所述的地热能量提取提高瓦斯抽采率的方法，其特征在于，所述的液体工质（5）采用氟利昂、丙酮、甲醇、或乙醇。
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- 2017-11-01 CN CN201711058422.4A patent/CN107782004B/zh active Active
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