CN107970745A

CN107970745A - 一种防止瓦斯突出的甲烷溶解剂

Info

Publication number: CN107970745A
Application number: CN201711248095.9A
Authority: CN
Inventors: 张英华; 刘佳; 高玉坤; 黄志安; 王辉; 唐韬; 白智明
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-05-01
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: CN107970745B

Abstract

本发明公开了一种防止瓦斯突出的甲烷溶解剂，为防治煤矿瓦斯突出提供了一种新方法。其材料配比(体积比)为：4,5‑二甲基壬烷30％～35％，2,7,10‑三甲基十二烷10％～25％，2,5‑二甲基十一烷25％～30％，十四烷20％～25％。本发明溶解剂具有良好的溶解甲烷效果，其对甲烷溶解率达到25％以上，且配方简单，技术工艺及操作方便，独立组分及其溶液腐蚀作用小，是一种低成本高性能的新型防止瓦斯突出的甲烷溶解剂，能有效防治煤矿井下瓦斯突出，为实现安全生产起到良好作用。

Description

一种防止瓦斯突出的甲烷溶解剂

技术领域：

本发明涉及一种防止煤矿井下瓦斯突出的新型甲烷溶解剂，其对甲烷具有较高的溶解度，可有效降低井下煤层中瓦斯浓度。

背景技术：

煤与瓦斯突出一直是我国煤矿的重大灾害之一。据统计，在我国煤矿重大灾害事故中，70％以上是瓦斯事故，死亡人数占煤矿事故总死亡人数的40％左右。瓦斯突出造成的损失巨大，煤体消突技术亟待研究。目前国内外关于瓦斯消突技术手段思路较为单一，未能真正实现低能高效安全环保的现实需求。各项现有的消突技术均是采用物理方法，通过对煤体进行成孔、预裂和造缝，增加煤体透气性，从而完成对煤体瓦斯的消突技术作业。而这类方法，无疑会增加实施消突作业过程中的技术成本；加之井下工作环境复杂，受到各方采动作业压力和现场施工环境的影响，各项消突技术作业很可能无法满足实际快速开采的要求。

本发明旨在应用化学溶剂治理煤层瓦斯突出，研制出一种防止瓦斯突出的甲烷溶解剂，具有可靠性好、成本低、效率高等特点。

发明内容：

本发明的目的在于利用烷烃类有机溶剂对甲烷气体的溶解性，研制出一种防止瓦斯突出的甲烷溶解剂，能够有效溶解甲烷，减少煤层瓦斯含量、降低采掘工作面瓦斯涌出量、防止井下瓦斯浓度超限。

本发明所述防止瓦斯突出的甲烷溶解剂其组成为：

进一步地，溶解剂中的各组分在实施前，可按组分独立储存，也可按配比制备成混合液储存；原料组分经预处理后，按比例混合搅拌即成为甲烷溶解剂；使用时将混合液注入煤层中预先打好的钻孔，使其与煤体充分接触并吸收甲烷。

本发明构成该溶解剂的各组分皆为长链烷烃，极性较弱，而甲烷分子为正四面体结构，空间结构高度对称，为非极性分子；根据相似相溶原理，甲烷能够较好的溶解于与其极性相似的本甲烷溶解剂。

防止瓦斯突出的甲烷溶解剂与煤层压力的关系符合Henry定律Pg＝H·x(Pg—煤层压力，H—亨利系数，x为溶解度)，使用时可根据煤层的压力调整溶剂的配比。

利用甲烷溶解剂消除煤体瓦斯突出与现有的传统消突方式的不同之处在于：将抽放瓦斯的思路转变为溶解瓦斯，达到减少煤层瓦斯含量、降低采掘工作面瓦斯涌出量、防止瓦斯浓度超限的目的；同时转变原有的抽放、排放瓦斯泄压防突为消化吸收瓦斯、解除瓦斯突出的动力源，达到防止瓦斯突出的目的。该方法实施时在一定程度上类似于煤层注水，需要将溶解液从预先打好的孔中注入。但煤层注水主要目的是浸润煤体，降低煤尘产生量，解决粉尘危害问题；而本甲烷溶解液的注入不仅能起到煤层注水浸润煤体，降低煤尘产生量，改善井下工作条件的作用，更重要的是，注入过程中大部分瓦斯被吸收，压力降低使得注液阻力减少，注液浸润半径增大，并能在采掘工作面周围形成一个保护圈，防止注液体以外煤体中的瓦斯进入工作面，对工作面起到保护作用。

本发明溶解剂具有良好的溶解甲烷效果，其对甲烷溶解率达到25％以上，且配方简单，技术工艺及操作方便，独立组分及其溶液腐蚀作用小，是一种低成本高性能的新型防止瓦斯突出的甲烷溶解剂，能有效防治煤矿井下瓦斯突出，为实现安全生产起到良好作用。

附图说明

图1为甲烷溶解量随压力变化曲线，

图2为1#观测点(注水)观测数据图，

图3为2#观测点(注溶解剂1)观测数据图，

图4为3#观测点(注溶解剂2)观测数据图。

具体实施方式：

实施例1：防止瓦斯突出的甲烷溶解剂的最佳配比

防止瓦斯突出的甲烷溶解剂主要由4,5-二甲基壬烷，2,7,10-三甲基十二烷，2,5-二甲基十一烷，十四烷组成。选择影响甲烷在溶解剂中溶解度的主要因素为：A—4,5-二甲基壬烷占溶解剂的体积(％)，B—2,7,10-三甲基十二烷占溶解剂的体积(％)，C—2,5-二甲基十一烷占溶解剂的体积(％)，D—十四烷占溶解剂的体积(％)，其中2,7,10-三甲基十二烷的甲烷溶解度较低，以其作为约束变量，其余三种有机溶剂用量为独立变量，每个因素取五个水平，具体如表1所示。

表1甲烷在溶解剂中溶解度的影响因素及因素水平

根据表1甲烷在溶解剂中溶解度的影响因素及各因素水平，选择L9(5³)正交实验表安排实验，实验顺序安排和各实验的最终结果如下表2所示。

表2甲烷溶解剂配比安排及试验结果

甲烷溶解剂配比安排及试验结果见表2。采用数理统计中的正交设计方法安排试验，用极差和方差分析试验结果，如下表3和图1所示。

表3极差分析结果

注：K₁K₂K₃K₄K₅分别表示各因素水平的均值，表示极差R。

表4方差分析结果

综合分析表2-表4，可以看出：

1)比较极差值，A＞C＞D＞B，即甲烷溶解剂配比各因素对摩尔分数的影响主次顺序及强弱为：A—C—D—B，即：4,5-二甲基壬烷—2,5-二甲基十一烷—十四烷—2,7,10-三甲基十二烷。

2)4,5-二甲基壬烷对甲烷溶解剂的溶解效果的影响最大。4,5-二甲基壬烷的用量大，甲烷溶解量大，反之则甲烷溶解量大。4,5-二甲基壬烷的用量在31.5％～33.5％时对甲烷溶解量影响最大，当4,5-二甲基壬烷的用量大于33.5％时，其用量变化对甲烷溶解量的影响减弱。

3)2,5-二甲基十一烷用量大小对甲烷溶解剂的溶解效果的影响次之。随着2,5-二甲基十一烷用量增大，甲烷溶解量减少。2,5-二甲基十一烷在27.5％～28.5％时对甲烷溶解度影响最大，当2,5-二甲基十一烷大于28.5％时，其用量变化对甲烷溶解度的影响减弱。

4)十四烷在20.5％～24.5％时对甲烷在溶解剂中溶解度的影响不明显。

实施例2：

选取一定量的甲烷溶解剂溶解于四氢呋喃中(20mL)，与煤样均匀混合，四氢呋喃易于挥发，挥发后，甲烷溶解剂可均匀地吸附在煤样中。本次实验配置了含4组实验，采用高压容量法(MTT 752—1997)，恒温30℃条件下，开展了原煤、对照的煤样(简称含溶解剂煤)的等温吸附实验，等温吸附曲线(体积均为标准状态下气体体积，单位质量煤样是指单位可燃基含量，本文均用cm³/g表示)结果如图2所示。

实验对比材料和配比如表5：

表5对比试验材料和配比方式

由图1可知，在低压阶段(压力＜1.5MPa)，原煤吸附甲烷的量逐渐高于原煤，但是它们的等温吸附曲线相似。含一定量溶解剂的煤样实验结果表明，含溶解剂煤在低压吸附甲烷的能力均低于原煤，在压力较高时，含溶解剂煤吸附甲烷的量则高于原煤。且含溶解剂煤的吸附曲线相对于原煤的吸附曲线存在明显差异，吸附瓦斯量随着压力的增加不同于原煤的平缓增加，同一压力段下，吸附瓦斯量的增幅明显高于原煤。

应用实例1：

就某煤矿工作面，设置了三个观测点，分别为注水观测点(1#)、溶解剂1观测点(2#)、溶解剂2观测点(3#)。每个观测点设置10个钻孔。

1#观测点现场具体实施方案如下：

(1)选取距顶板1.5m处的煤厚中部设置钻孔，孔间距为10m，孔径50mm，孔深10m。依次设置10个钻孔。

(2)使用外径为38mm的封孔器将钻孔封好。

(3)使用压力泵向注水钻孔注水，待钻孔附近煤壁有水珠渗出时可结束注液并静置24小时；

(4)将9个注水孔封死，留一个孔进行气体采样，每隔2小时测定气体涌出量及涌出气体中甲烷气体的含量，连续测定50次；

测定结果如下：

由图2可知，1#观测点的气体涌出总量以及涌出气体中甲烷含量随时间先增加后逐渐降低。气体涌出总量50次检测平均量为0.46m³/min，甲烷含量平均值为0.35m³/min，占涌出气体总量的76.1％。

2#观测点现场具体实施方案如下：

(2)使用外径为38mm的封孔器将钻孔封好。

(3)按照体积分数为35％的4,5-二甲基壬烷，15％的2,7,10-三甲基十二烷，25％2,5-二甲基十一烷，25％的十四烷配置成溶解剂1；

(4)使用压力泵向注溶解剂钻孔注入配置好的溶解剂1，待钻孔附近煤壁有溶液渗出时可结束注液并静置24小时；

(5)将9个注液孔封死，留一个注液孔进行气体采样，每隔2小时测定气体涌出量及涌出气体中甲烷气体的含量，连续测定50次；

测定结果如下：

由图3可知，2#观测点的气体涌出总量以及涌出气体中甲烷含量比较稳定，变化不大。气体涌出总量50次检测平均量为0.35m³/min，甲烷含量平均值为0.24m³/min,占涌出气体总量的68.5％。

3#观测点现场具体实施方案如下：

(2)使用外径为38mm的封孔器将钻孔封好。

(3)按照体积分数为35％的4,5-二甲基壬烷，15％的2,7,10-三甲基十二烷，30％2,5-二甲基十一烷，20％的十四烷配置成溶解剂2；

(4)使用压力泵向注溶解剂钻孔注入配置好的溶解剂2，待钻孔附近煤壁有溶液渗出时可结束注液并静置24小时；

测定结果如下：

由图4可知，3#观测点的气体涌出总量以及涌出气体中甲烷含量也比较稳定。气体涌出总量50次检测平均量为0.32m³/min，甲烷含量平均值为0.20m³/min,占涌出气体总量的62.5％。

2#,3#测点与1#测点对比可知，甲烷溶解剂的注入可有效溶解甲烷，降低甲烷含量，从而降低气体涌出总量。

Claims

1.一种防止瓦斯突出的甲烷溶解剂，其特征在于：甲烷溶解剂材料配比(v/v％)：

2.根据权利要求1所述的防止瓦斯突出的甲烷溶解剂，其特征在于：溶解剂中的各组分在实施前，按组分独立储存，或按配比制备成混合液储存；原料组分经预处理后，按比例混合搅拌即成为甲烷溶解剂；使用时将混合液注入煤层中预先打好的钻孔，使其与煤体充分接触并吸收甲烷。

3.根据权利要求1所述的防止瓦斯突出的甲烷溶解剂，其特征在于：构成该溶解剂的各组分皆为长链烷烃，极性较弱，而甲烷分子为正四面体结构，空间结构高度对称，为非极性分子；根据相似相溶原理，甲烷能够较好的溶解于与其极性相似的本甲烷溶解剂。

4.根据权利要求1所述的防止瓦斯突出的甲烷溶解剂，其特征在于：防止瓦斯突出的甲烷溶解剂与煤层压力的关系符合Henry定律Pg＝H·x(Pg—煤层压力，H—亨利系数，x为溶解度)，使用时可根据煤层的压力调整溶剂的配比。