CN108756836B - 一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统，包括液氮注入系统、氮气‑甲烷抽采系统、氮气甲烷分离系统、氮气净化系统和氮气液化循环系统。本该煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统最实现了对煤层进行液氮注入致裂及氮气甲烷抽采、分离、氮气液化注入的过程，有效减少注氮设备体积，提供注氮增透技术下的瓦斯抽采方法，提高抽采浓度率，且有效减少液氮损失，减少注氮增透技术措施的成本，节约资源，减少从地面向井下运输液氮的次数，节约物力人力。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯抽采技术领域，具体为一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统。
背景技术
我国是一个煤炭资源大国，也是煤炭消费大国，随着开采活动的进行，煤炭资源的深部开采已经成为新常态，而深部埋藏煤层瓦斯赋存丰富，同时瓦斯灾害也更加严重。为有效防止瓦斯灾害，提高瓦斯利用率，先抽后采越来越多作为有效的防突措施在煤矿应用。
先抽后采的防突措施中，煤层增透措施是提高抽采效率的关键技术。液氮压裂增透技术在近几年开始得到国内外页岩气以及煤炭开采领域的重视。氮气在液态时具有极低的温度(-196℃)，对环境无污染，容易制备且成本低廉。将液氮注入煤体的过程中，液氮气化体积急剧膨胀(1m3的液氮气化后在21℃体积达696m3)，产生巨大膨胀力使煤层裂隙发育，形成液氮对煤的气化高压致裂带。当大量氮气进入煤体微观结构内，由于与原煤体吸附的甲烷形成极高的浓度差，对甲烷形成驱赶置换作用，从而增加瓦斯抽采效率。目前国内已出现一些用于煤矿井下的液氮注入设备及系统，但液氮增透煤层后液氮-瓦斯混合气体的抽采系统很少出现；现有的井下液氮注入系统大多针对煤体的液氮注入增透技术进行设计，没有对注入液氮后形成的瓦斯-氮气混合气体的抽采环节进行设计。原有技术由于对煤体进行注氮，势必会造成抽采环节中瓦斯浓度急剧下降，氮气含量偏高，抽采出的瓦斯-氮气混合气体失去原有的利用价值。同时原有系统在注氮操作中由于氮气的损失量大，需要不断补充大量液氮，造成设备液氮储罐体积过大占用巷道空间和原材料运输不便等问题，针对上述问题，因此提出一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统，具有减小了设备体积，提高了瓦斯的利用率，减少可液氮损失，节约了资源和成本的优点，解决了现有技术中体积庞大，成本高，液氮损失高，瓦斯抽采浓度低，浪费了资源等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统，包括液氮注入系统、氮气-甲烷抽采系统、氮气甲烷分离系统、氮气净化系统和氮气液化循环系统，所述液氮注入系统由液氮储罐、空气压缩机、中程注氮增压制冷缓冲箱、注氮泵车和注氮管路组成，氮气-甲烷抽采系统由抽采管路和抽采泵车组成，氮气甲烷分离系统由氮气甲烷分离器、氮气分离真空泵和甲烷分离真空泵组成，氮气净化系统由氮气净化器构成，氮气液化循环系统由一级压缩泵、一级制冷泵、二级压缩泵、二级制冷泵、膨胀器和超低温导热肋板组成；所述液氮储罐、中程注氮增压制冷缓冲箱和注氮管路依次密封连接，中程注氮增压制冷缓冲箱与空气压缩机的输出端密封连接，注氮管路与注氮泵车的输出端密封连接；所述注氮管路和抽采管路的前端均有煤层，注氮管路前端煤层内开有注氮孔，注氮孔的输入端设有注氮孔封孔器，注氮管路的前端与注氮孔封孔器紧固密封连接；所述氮气净化器的输出端依次接一级压缩泵、一级制冷泵、二级压缩泵、二级制冷泵和膨胀器与超低温导热肋板连接，超低温导热肋板与液氮储罐的输入端密封连接；所述氮气净化器的输入端接氮气-甲烷分离器的输出端，氮气甲烷分离器的右腔体输出端接氮气分离真空泵，氮气甲烷分离器的左腔体输出端接甲烷分离真空泵，甲烷分离真空泵的输出端接有甲烷收集箱体；所述抽采管路输出端接氮气甲烷分离器，抽采管路前端的煤层内开有抽采孔，抽采孔的出口端设有抽采钻孔封孔器，抽采管路的前端与抽采钻孔封孔器紧固密封连接，抽采管路与抽采泵车密封连接。
优选的，所述氮气甲烷分离器内安装有甲烷优先渗透膜。
优选的，所述液氮储罐与超低温导热肋板的连接端、液氮储罐与中程注氮增压制冷缓冲箱的连接端、中程注氮增压制冷缓冲箱与注氮管路的连接端、氮气净化器与氮气甲烷分离器的连接端、氮气甲烷分离器与甲烷收集箱体的连接端以及氮气甲烷分离器与抽采管路的连接端均接有耐低温阀门。
优选的，所述空气压缩机、中程注氮增压制冷缓冲箱、氮气分离真空泵和甲烷分离真空泵上均安装有压力表。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本该煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统最实现了对煤层进行液氮注入致裂及氮气甲烷抽采、分离、氮气液化注入的过程，有效减少注氮设备体积，提供注氮增透技术下的瓦斯抽采方法，提高瓦斯抽采浓度，且有效减少液氮损失，减少注氮增透技术措施的成本，节约资源，减少从地面向井下运输液氮的次数，节约物力人力。
附图说明
图1为本发明的系统图。
图中：1液氮储罐、2空气压缩机、3中程注氮增压制冷缓冲箱、4注氮泵车、7注氮管路、8煤层、6注氮孔、5注氮孔封孔器、9抽采孔、10抽采钻孔封孔器、11抽采管路、12抽采泵车、13氮气甲烷分离器、14氮气分离真空泵、15甲烷分离真空泵、16氮气净化器、17一级压缩泵、18一级制冷泵、19二级压缩泵、20二级制冷泵、21膨胀器、22超低温导热肋板、23甲烷收集箱体、24甲烷优先渗透膜、25耐低温阀门、26压力表。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统，包括液氮注入系统、氮气-甲烷抽采系统、氮气甲烷分离系统、氮气净化系统和氮气液化循环系统，液氮注入系统由液氮储罐1、空气压缩机2、中程注氮增压制冷缓冲箱3、注氮泵车4和注氮管路7组成，氮气-甲烷抽采系统由抽采管路11和抽采泵车17组成，氮气甲烷分离系统由氮气甲烷分离器13、氮气分离真空泵14和甲烷分离真空泵15组成，氮气甲烷分离器13内安装有甲烷优先渗透膜24，氮气净化系统由氮气净化器16构成，氮气液化循环系统由一级压缩泵12、一级制冷泵18、二级压缩泵19、二级制冷泵20、膨胀器21和超低温导热肋板22组成；液氮储罐1、中程注氮增压制冷缓冲箱3和注氮管路7依次密封连接，中程注氮增压制冷缓冲箱3与空气压缩机2的输出端密封连接，注氮管路7与注氮泵车4的输出端密封连接；注氮管路7和抽采管路11的前端均有煤层8，注氮管路7前端煤层内开有注氮孔6，注氮孔6的输入端设有注氮孔封孔器5，注氮管路7的前端与注氮孔封孔器5紧固密封连接；氮气净化器16的输入端依次接一级压缩泵12、一级制冷泵18、二级压缩泵19、二级制冷泵20和膨胀器21与超低温导热肋板22连接，超低温导热肋板22与液氮储罐1的输入端密封连接；氮气净化器16的输入端接氮气-甲烷分离器13的输出端，氮气甲烷分离器13的右腔体输出端接氮气分离真空泵14，氮气-甲烷分离器13的左腔体输出端接甲烷分离真空泵15，甲烷分离真空泵15的输出端接有甲烷收集箱体23；抽采管路6输出端接氮气甲烷分离器8，抽采管路11前端的煤层8内开有抽采孔9，抽采孔9的出口端设有抽采钻孔封孔器10，抽采管路11的前端与抽采钻孔封孔器10紧固密封连接，抽采管路11与抽采泵车17密封连接；氮气甲烷分离器13的接甲烷分离真空泵15，甲烷分离真空泵15的输出端接有甲烷收集箱体23，液氮储罐1与超低温导热肋板22的连接端、液氮储罐1与中程注氮增压制冷缓冲箱3的连接端、中程注氮增压制冷缓冲箱3与注氮管路7的连接端、氮气净化器16与氮气甲烷分离器13的连接端、氮气甲烷分离器13与甲烷收集箱体23的连接端以及氮气甲烷分离器13与抽采管路11的连接端均接有耐低温阀门25；空气压缩机2、中程注氮增压制冷缓冲箱3、氮气分离真空泵14和甲烷分离真空泵15上均安装有压力表26。
该煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统在工作时，液氮由液氮储罐1送出，在到达注氮泵车4前经过中程注氮增压制冷缓冲箱3对液氮运输途中由于吸热和压力损失的部分进行降温和压力补充，使得液氮在进入注氮泵车4前保持高压低温状态。后注氮泵车4对煤层8钻注氮孔6并对液氮进行加压，通过注氮管路7对煤层8进行注氮操作，并对孔口用注氮孔封孔器5进行封孔操作。抽采环节通过抽采泵车17对煤层8钻抽采孔9，及时在孔口布置抽采钻孔封孔器10，抽采出的氮气-甲烷混合气体通过抽采管路11运输至氮气甲烷分离器13内，氮气甲烷分离器13内布置甲烷优先渗透膜24，将氮气甲烷分离器13腔体分割为两个部分，由氮气分离真空泵14将氮气甲烷分离器13右腔体制造负压环境，由甲烷分离真空泵15将氮气甲烷分离器13左腔体制造负压环境，通过控制耐低温阀门25开合度、氮气分离真空泵14及甲烷分离真空泵15的功率调节，使氮气甲烷分离器13的左腔体负压大于右腔体，使甲烷可充分透过甲烷优先渗透膜24；经过氮气甲烷分离器13后的气体为氮气气体掺杂极少量的甲烷气体，这些气体通过主要由甲烷吸附剂组成的氮气净化器16的过滤后形成不含甲烷气体的氮气气体。氮气气体后进入一级压缩泵12和一级制冷器13进行第一次加压冷却，后进入二级压缩泵14和二级制冷泵20进行第二次加压冷却。在两次加压冷却操作过后氮气温度大幅下降，压力大幅增高，随后一部分高压低温氮气通过膨胀器21迅速膨胀吸热，对超低温导热肋板22进行降温使其达到-196℃以下，另一部分氮气进入超低温导热肋板22进行第三步的降温冷却变为液氮送回液氮储罐1中，经过膨胀的氮气送回一级压缩泵12处继续进行上述循环。
综上所述：本煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统最实现了对煤层18进行液氮注入致裂及氮气甲烷抽采、分离、氮气液化循环的过程，有效减少注氮设备体积，提供注氮增透技术下的瓦斯抽采方法，提高瓦斯抽采浓度，且有效减少液氮损失，减少注氮增透技术措施的成本，节约资源，减少从地面向井下运输液氮的次数，节约物力人力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统，包括液氮注入系统、氮气-甲烷抽采系统、氮气甲烷分离系统、氮气净化系统和氮气液化循环系统，其特征在于：所述液氮注入系统由液氮储罐(1)、空气压缩机(2)、中程注氮增压制冷缓冲箱(3)、注氮泵车(4)和注氮管路(7)组成，氮气-甲烷抽采系统由抽采管路(11)和抽采泵车(12)组成，氮气甲烷分离系统由氮气甲烷分离器(13)、氮气分离真空泵(14)和甲烷分离真空泵(15)组成，氮气净化系统由氮气净化器(16)构成，氮气液化循环系统由一级压缩泵(17)、一级制冷泵(18)、二级压缩泵(19)、二级制冷泵(20)、膨胀器(21)和超低温导热肋板(22)组成；所述液氮储罐(1)、中程注氮增压制冷缓冲箱(3)和注氮管路(7)依次密封连接，中程注氮增压制冷缓冲箱(3)与空气压缩机(2)的输出端密封连接，注氮管路(7)与注氮泵车(4)的输出端密封连接；所述注氮管路(7)和抽采管路(11)的前端均有煤层(8)，注氮管路(7)前端煤层内开有注氮孔(6)，注氮孔(6)的输入端设有注氮孔封孔器(5)，注氮管路(7)的前端与注氮孔封孔器(5)紧固密封连接；所述氮气净化器(16)的输出端依次接一级压缩泵(17)、一级制冷泵(18)、二级压缩泵(19)、二级制冷泵(20)和膨胀器(21)与超低温导热肋板(22)连接，超低温导热肋板(22)与液氮储罐(1)的输入端密封连接；所述氮气净化器(16)的输入端接氮气-甲烷分离器(13)的输出端，氮气甲烷分离器(13)的右腔体输出端接氮气分离真空泵(14)，氮气甲烷分离器(13)的左腔体输出端接甲烷分离真空泵(15)，甲烷分离真空泵(15)的输出端接有甲烷收集箱体(23)；所述抽采管路(11)输出端接氮气甲烷分离器(13)，抽采管路(11)前端的煤层(8)内开有抽采孔(9)，抽采孔(9)的出口端设有抽采钻孔封孔器(10)，抽采管路(11)的前端与抽采钻孔封孔器(10)紧固密封连接，抽采管路(11)与抽采泵车(12)密封连接；所述氮气甲烷分离器(13)内安装有甲烷优先渗透膜(24)；氮气甲烷分离器(13)与甲烷收集箱体(23)的连接端以及氮气甲烷分离器((13))与抽采管路(11)的连接端均接有耐低温阀门((25))；由氮气分离真空泵(14)将氮气甲烷分离器(13)右腔体制造负压环境，由甲烷分离真空泵(15)将氮气甲烷分离器(13)左腔体制造负压环境，通过控制耐低温阀门(25)开合度、氮气分离真空泵(14)及甲烷分离真空泵(15)的功率调节，使氮气甲烷分离器(13)的左腔体负压大于右腔体，使甲烷可充分透过甲烷优先渗透膜(24)。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统，其特征在于：所述液氮储罐(1)与超低温导热肋板(22)的连接端、液氮储罐(1)与中程注氮增压制冷缓冲箱(3)的连接端、中程注氮增压制冷缓冲箱(3)与注氮管路(7)的连接端、氮气净化器(16)与氮气甲烷分离器(13)的连接端均接有耐低温阀门(25)。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下注液氮增透瓦斯抽采系统，其特征在于：所述空气压缩机(2)、中程注氮增压制冷缓冲箱(3)、氮气分离真空泵(14)和甲烷分离真空泵(15)上均安装有压力表(26)。
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Non-Patent Citations (1)
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| 矿井瓦斯抽采系统优化;李建志;;煤(第09期);全文 * |
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