CN109236369A - 一种煤矿瓦斯实时收集转化方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿瓦斯实时收集转化方法与装置，利用廉价稀土金属铈和三氯乙醇合成固态的协同催化体系，在LED光源照射下，当煤层开采而发生解吸、扩散出来的瓦斯气体(甲烷)遇到协同催化体系时将转化为高附加值的液态产品，实现煤矿瓦斯的实时收集转化；该方法能够有效治理与利用煤矿瓦斯，实现瓦斯气体(甲烷)在矿井常温条件下的实时收集转化，转化后的液态产品，便于运输、存储与利用，其配套装置具有防爆、结构简单、体积小、轻便灵活、可移动的特点，可直接悬挂于采煤工作面上隅角和煤巷掘进工作面的位置，同时也可以直接悬挂于工作面综采支架上及工作面两侧巷道内或瓦斯抽放孔的端头附近，实现矿井不同位置煤矿瓦斯的实时收集与转化。

Description

一种煤矿瓦斯实时收集转化方法与装置

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯防治领域，具体涉及一种煤矿瓦斯实时收集转化方法与装置。

背景技术

随着我国经济的快速发展，煤炭的消耗量持续增加。由于我国煤层赋存条件的复杂性，使得煤炭开采中的事故不断发生，尤以瓦斯引起的煤矿事故最为严重。瓦斯是一种有毒的混合气体，其主要成份是甲烷，它形成于成煤过程中并大量以吸附状态存储于煤层内，能随着煤层的开采而发生解吸、扩散，并充斥在采掘空间内部。当采掘空间内部的瓦斯浓度过高时，会导致矿井人员缺氧、呼吸困难、窒息等；且当瓦斯与空气混合后的百分比达到3.5％到16％时，遇明火就会发生瓦斯爆炸，造成矿井人员伤亡、设备损坏，给国家和人民的生命财产造成巨大的损失。因此，有效治理矿井瓦斯，既能改善矿井工作环境，又能避免瓦斯事故的发生，其具有重大的社会意义和经济价值。

通常采煤工作面上隅角区域和煤巷掘进工作面区域是瓦斯易聚集区域，该区域瓦斯浓度相对较高，是煤矿瓦斯防治的重点区域。对于采煤工作面上隅角的瓦斯，通常采用加大通风、安装瓦斯稀释器、埋管预抽等方法来稀释该区域的瓦斯浓度，使之保持在安全的浓度范围内，并配合瓦斯检测仪进行瓦斯浓度的监测预警。理论上这些方法是可行的，但实际生产中发现诸多问题，由于瓦斯易于在工作面上隅角的涡流区域内聚集且循环运动，当聚集的瓦斯超过一定的浓度时，一旦出现意外的火花、火源或监测瓦斯浓度的设备损坏、失灵等，都极有可能引起瓦斯事故。而对于煤巷掘进工作面的瓦斯，多采用通过风筒不间断的向掘进工作面送风的方式来稀释掘进工作面区域的瓦斯浓度，使之保持在安全的浓度范围内。但当掘进工作面瓦斯的涌出量较大时，这些瓦斯并不能得到有效的、及时的稀释处理，积累到一定的浓度后，仍有可能引起瓦斯事故。

采煤工作面上隅角区域和煤巷掘进工作面区域的瓦斯主要来自煤层的采掘。因此，对于低瓦斯煤层内的瓦斯，大多数煤矿采用加大通风的方式，把煤层开采解吸扩散出来的瓦斯直接排放到空气中。而瓦斯是一种较强烈的温室气体，同时也是一种洁净能源和优质化工原料，直接排放到空气中，既污染了环境，又浪费了资源。但对于高瓦斯煤层和低透气煤层，仅采用加大通风的方式，仍无法有效治理瓦斯，瓦斯事故时有发生。

为减少和解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，瓦斯抽采技术孕育而生，它是通过在高瓦斯煤层或低透气煤层的地表、顶板巷道、底板巷道或工作面两侧巷道向煤层内部打设多个抽采钻孔，构成地面瓦斯抽采钻孔、穿层瓦斯抽采钻孔或顺层瓦斯抽采钻孔，在工作面开采前、开采过程中或开采后，利用机械设备和专用管道在抽采钻孔内形成负压区，将煤层中吸附或者解吸扩散出来的瓦斯通过抽采钻孔抽出之后输送到地面存储与利用的瓦斯治理方法。另外，对于采空区内残存和解吸扩散出来的瓦斯，多采用由地面向采空区上部裂隙带内施工地面钻井进行采空区内部瓦斯的抽采。

瓦斯抽采可以有效减少或解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，但瓦斯抽采技术也面临着抽采钻孔施工难度和工程量大、成孔率低、钻孔坍塌和堵塞、钻孔封堵不佳和漏气的问题，使得瓦斯抽采率低、抽采浓度不达标(瓦斯浓度不得低于30％)。同时，抽采瓦斯需要投入大量的抽采设备，且设备维护费用较高。当这些设备在抽采、运输、存储瓦斯的过程中出现漏气、损坏时，一旦遇到火花、火源仍将引起瓦斯爆炸，其后果不堪设想。另外，在实际瓦斯抽采过程中发现，由于煤矿开采方法、通风方式、抽采技术的局限，瓦斯在矿井局部区域，尤其在采煤工作面上隅角和煤巷掘进工作面等区域仍出现大量聚集现象，甚至浓度超限时也无法得到及时有效处理，进而引起瓦斯事故。因此，提供一种简单有效且能用于矿井不同位置的煤矿瓦斯实时收集转化方法与装置，对于本领域技术人员而言是急需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种简单有效且能用于矿井不同位置的煤矿瓦斯实时收集转化方法与装置。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种煤矿瓦斯实时收集转化方法，在矿井常温条件下，利用光和协同催化体系，将煤矿瓦斯气体由气态转化为液态，并收集液态产品，实现矿井内煤矿瓦斯的实时收集转化，反应方程式如下：

其中，协同催化体系包括铈基催化剂和醇催化剂。

瓦斯气体为成煤过程中形成并大量以吸附状态存储于煤层内，能随着煤层的开采而发生解吸、扩散，并充斥在采掘空间内部的混合气体，其主要成份为甲烷。

作为本发明一种煤矿瓦斯实时收集转化方法的一种优选，所述铈基催化剂为稀土金属铈，所述醇催化剂为三氯乙醇。所述铈基催化剂是一种我国特有的、廉价的稀土金属铈，其具有独特的光物理特性和高效的催化作用；所述协同催化体系是一种在常温状态下比较稳定的合成固体产物，只在光源照射作用下才起到催化效应。

作为本发明一种煤矿瓦斯实时收集转化方法的另一种优选，所述铈基催化剂与醇催化剂的配比，其按重量份的组分组成为：铈基催化剂为1份，醇催化剂为3.5份。

作为本发明一种煤矿瓦斯实时收集转化方法的又一种优选，所述光源为LED光源，配有防爆充电装置。LED光源为常规井下照明光源，与井下矿灯类似，配有防爆充电装置，可多次充电使用；煤层开采而发生解吸、扩散出来的瓦斯气体(甲烷)在LED光源照射下，当遇到协同催化体系时将转化为高附加值的液态产品，实现煤矿瓦斯的实时收集转化，即

煤矿瓦斯实时收集转化方法的基本目标是利用光能在矿井常温条件下把瓦斯气体(甲烷)直接转化为高附加值的液态产品，转化的液态产品的成份因瓦斯气体(甲烷)浓度的不同而有所区别。

为实现上述方法，本发明还提供一种与之配套的装置，该装置从上到下依次包括光源系统、协同催化体系放置槽、液态产品收集存储腔，所述光源系统用于提供照射光源，所述协同催化体系放置槽用于存放协同催化体系，所述液态产品收集存储腔用于收集存储从所述协同催化体系放置槽内流出的液态产品。

(1)LED光源系统，其包括收集转化装置悬挂钩、光源灯罩、LED光源、LED光源供电盒、LED光源电缆、LED光源开关、催化装置悬挂钩；其中，收集转化装置悬挂钩固定设置于光源灯罩中心的上方，实现煤矿瓦斯实时收集转化装置的悬挂；LED光源位于光源灯罩中心的下方，通过LED光源电缆与LED光源供电盒连接，为其下方的协同催化体系提供照射光源；LED光源开关位于LED光源电缆上，控制LED光源的开与关；催化装置悬挂钩固定设置于光源灯罩边缘的下方。

(2)协同催化体系放置槽，其包括环形槽帮、圆形多孔槽底，所述环形槽帮包括位于上部的镂空部和位于下部的非镂空部，非镂空部与所述圆形多孔槽底固定连接；所述圆形多孔槽底为单向透液的多孔篦子，与所述环形槽帮相匹配，构成具有一定深度的协同催化体系放置槽，协同催化体系放置槽内转化的液态产品仅能通过圆形多孔槽底流到协同催化体系放置槽外。所述镂空部的顶部固定设置有拱形槽顶钩耳，催化装置悬挂钩通过拱形槽顶钩耳，将协同催化体系放置槽悬挂在LED光源系统的下方；协同催化体系位于协同催化体系放置槽内，煤层开采而发生解吸、扩散出来的瓦斯气体(甲烷)在LED光源照射下，当遇到协同催化体系时将转化为高附加值的液态产品，实现煤矿瓦斯的实时收集转化；所述非镂空部的下部边缘设置有外螺纹，用于连接液态产品收集存储腔。

(3)液态产品收集存储腔，其包括漏斗型腔体、出液口、放液阀、腔体容积标度；其中，所述出液口位于所述漏斗型腔体中心的下方，用于液态产品收集存储腔内转化的液态产品流出；所述放液阀位于所述出液口上，能控制液态产品收集存储腔内液态产品的流出；所述腔体容积标度位于液态产品收集存储腔内侧壁上，可以标定液态产品收集存储腔内转化的液态产品的体积；所述漏斗型腔体是透明的，通过所述腔体容积标度可以确定漏斗型腔体内转化的液态产品的体积；所述漏斗型腔体的顶部边缘设置有内螺纹，通过所述外螺纹与所述内螺纹的配合，能够将液态产品收集存储腔连接到协同催化体系放置槽的下面，收集存储从协同催化体系放置槽内流出的液态产品。

有益效果：本发明提供的一种煤矿瓦斯实时收集转化方法与装置，具有方法简单、可行，能够实现瓦斯气体(甲烷)在矿井常温条件下的实时收集转化，转化后的产品为高附加值的液态产品，便于运输、存储与利用；其配套的装置具有防爆、结构简单、体积小、轻便灵活、可移动的特点，可直接悬挂于采煤工作面上隅角和煤巷掘进工作面的位置，同时也可以直接悬挂于工作面综采支架上及工作面两侧巷道内或瓦斯抽放孔的端头附近，实现矿井不同位置的煤矿瓦斯实时收集与转化，有效治理与利用煤矿瓦斯。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明煤矿瓦斯实时收集转化装置示意图；

图2为本发明煤矿瓦斯实时收集转化装置中LED光源系统示意图：(a)剖面图，(b)俯视图；

图3为本发明煤矿瓦斯实时收集转化装置中协同催化体系放置槽示意图：(a)剖面图，(b)俯视图；

图4为本发明煤矿瓦斯实时收集转化装置中液态产品收集存储腔示意图：(a)剖面图，(b)俯视图；

主要元件符号说明如下：

LED光源系统1，收集转化装置悬挂钩1-1，光源灯罩1-2，LED光源1-3，LED光源供电盒1-4，LED光源电缆1-5，LED光源开关1-6，催化装置悬挂钩1-7，协同催化体系放置槽2，环形槽帮2-1，镂空部2-1a，非镂空部2-1b，圆形多孔槽底2-2，拱形槽顶钩耳2-3，外螺纹2-4，协同催化体系2-5，瓦斯气体(甲烷)2-6，液态产品收集存储腔3，漏斗型腔体3-1，液态产品3-2，出液口3-3，放液阀3-4，内螺纹3-5，腔体容积标度3-6。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

如图1-4所示，本发明提供一种煤矿瓦斯实时收集转化方法，包括以下步骤：

(1)协同催化体系2-5制备：协同催化体系2-5由铈基催化剂和醇催化剂构成，铈基催化剂为稀土金属铈，醇催化剂为三氯乙醇；所述铈基催化剂是一种我国特有的、廉价的稀土金属铈，其具有独特的光物理特性和高效的催化作用；所述协同催化体系2-5是一种在常温状态下比较稳定的合成固体产物，只在光源照射作用下才起到催化效应；所述铈基催化剂与醇催化剂的配比，其按重量份的组分组成为：铈基催化剂为1份，醇催化剂为3.5份；

(2)瓦斯气体(甲烷)2-6解吸扩散：瓦斯气体为成煤过程中形成并大量以吸附状态存储于煤层内，能随着煤层的开采而发生解吸、扩散，并充斥在采掘空间内部的混合气体，其主要成份为甲烷；

(3)LED光源1-3照射：LED光源为常规井下照明光源，与井下矿灯类似，配有防爆充电装置，可多次充电使用；煤层开采而发生解吸、扩散出来的瓦斯气体(甲烷)2-6在LED光源1-3照射下，当遇到协同催化体系2-5时将转化为高附加值的液态产品3-2，实现煤矿瓦斯的实时收集转化，即

为实现本发明提供的煤矿瓦斯实时收集转化方法，与该方法配套的装置其特征在于，包括LED光源系统1，协同催化体系放置槽2，液态产品收集存储腔3三部分：

(1)LED光源系统1，其包括收集转化装置悬挂钩1-1、光源灯罩1-2、LED光源1-3、LED光源供电盒1-4、LED光源电缆1-5、LED光源开关1-6、催化装置悬挂钩1-7；其中，收集转化装置悬挂钩1-1固定设置于光源灯罩1-2中心的上方，实现煤矿瓦斯实时收集转化装置的悬挂；LED光源1-3位于光源灯罩1-2中心的下方，通过LED光源电缆1-5与LED光源供电盒1-4连接，为其下方的协同催化体系2-5提供照射光源；LED光源开关1-6位于LED光源电缆1-5上，控制LED光源1-3的开与关；催化装置悬挂钩1-7为3个，以LED光源1-3为中心，彼此成120°的夹角固定设置于光源灯罩1-2边缘的下方；

(2)协同催化体系放置槽2，其包括环形槽帮2-1、圆形多孔槽底2-2、拱形槽顶钩耳2-3、协同催化体系2-5、瓦斯气体(甲烷)2-6；其中，环形槽帮2-1包括位于上部的镂空部2-1a和位于下部的非镂空部2-1b；圆形多孔槽底2-2为单向透液的多孔篦子，与环形槽帮2-1相匹配，构成具有一定深度的协同催化体系放置槽2，协同催化体系放置槽2内转化的液态产品3-2仅能通过圆形多孔槽底2-2流到协同催化体系放置槽2外；拱形槽顶钩耳2-3为3个，彼此成120°的夹角固定设置于环形槽帮2-1的上面，催化装置悬挂钩1-7通过拱形槽顶钩耳2-3，将协同催化体系放置槽2悬挂在LED光源系统1的下方；协同催化体系2-5位于协同催化体系放置槽2内，煤层开采而发生解吸、扩散出来的瓦斯气体(甲烷)2-6在LED光源1-3照射下，当遇到协同催化体系2-5时将转化为高附加值的液态产品3-2，实现煤矿瓦斯的实时收集转化；非镂空部2-1b的下边缘设置有外螺纹2-4，用于连接液态产品收集存储腔3；

(3)液态产品收集存储腔3，其包括漏斗型腔体3-1、出液口3-3、放液阀3-4、腔体容积标度3-6；其中，出液口3-3位于漏斗型腔体3-1中心的下方，用于液态产品收集存储腔3内液态产品3-2的流出；放液阀3-4位于出液口3-3上，能控制液态产品收集存储腔3内液态产品3-2的流出；漏斗型腔体3-1的顶部边缘设置有内螺纹3-5，与外螺纹2-4相匹配，能够将液态产品收集存储腔3连接到协同催化体系放置槽2的下面，收集存储从协同催化体系放置槽2内流出的液态产品3-2；腔体容积标度3-6位于液态产品收集存储腔3内侧壁上，可以标定液态产品收集存储腔3内转化的液态产品3-2的体积；漏斗型腔体3-1是透明的，通过腔体容积标度3-6可以确定漏斗型腔体3-1内转化的液态产品3-2的体积；漏斗型腔体3-1的顶部边缘设置有内螺纹3-5，通过外螺纹2-4与内螺纹3-5的配合，能够将液态产品收集存储腔3连接到协同催化体系放置槽2的下面，收集存储从协同催化体系放置槽2内流出的液态产品3-2。

煤矿瓦斯实时收集转化方法的基本目标，其特征在于，利用光能在矿井常温条件下把瓦斯气体(甲烷)2-6直接转化为高附加值的液态产品3-2，转化的液态产品3-2的成份因瓦斯气体(甲烷)2-6浓度的不同而有所区别。

以上对本发明提供的一种煤矿瓦斯实时收集转化方法与装置进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤矿瓦斯实时收集转化方法，其特征在于：在矿井常温条件下，利用光和协同催化体系，将煤矿瓦斯气体由气态转化为液态，并收集液态产品，实现矿井内煤矿瓦斯的实时收集转化，反应方程式如下：

其中，协同催化体系包括铈基催化剂和醇催化剂。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯实时收集转化方法，其特征在于：所述铈基催化剂为稀土金属铈，所述醇催化剂为三氯乙醇。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯实时收集转化方法，其特征在于：所述铈基催化剂与醇催化剂的配比，其按重量份的组分组成为：铈基催化剂为1份，醇催化剂为3.5份。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯实时收集转化方法，其特征在于：所述光源为LED光源，配有防爆充电装置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的与煤矿瓦斯实时收集转化方法相配套的装置，其特征在于：从上到下依次包括光源系统、协同催化体系放置槽、液态产品收集存储腔，所述光源系统用于提供照射光源，所述协同催化体系放置槽用于存放协同催化体系，所述液态产品收集存储腔用于收集存储从协同催化体系放置槽内流出的液态产品。

6.根据权利要求5所述的与煤矿瓦斯实时收集转化方法相配套的装置，其特征在于：所述光源系统包括LED光源、LED光源供电盒、LED光源电缆、LED光源开关，所述LED光源通过LED光源电缆与LED光源供电盒连接，为其下方的协同催化体系提供照射光源；所述LED光源开关位于LED光源电缆上，控制LED光源的开与关。

7.根据权利要求6所述的与煤矿瓦斯实时收集转化方法相配套的装置，其特征在于：所述光源系统还包括光源灯罩，所述LED光源位于光源灯罩下方，将光线照射到协同催化体系上。

8.根据权利要求5-7所述的与煤矿瓦斯实时收集转化方法相配套的装置，其特征在于：所述协同催化体系放置槽包括环形槽帮、圆形多孔槽底，所述环形槽帮包括位于上部的镂空部和位于下部的非镂空部，非镂空部与所述圆形多孔槽底固定连接；圆形多孔槽底为单向透液的多孔篦子，与所述环形槽帮相匹配，构成具有一定深度的协同催化体系放置槽。

9.根据权利要求8所述的与煤矿瓦斯实时收集转化方法相配套的装置，其特征在于：所述液态产品收集存储腔包括漏斗型腔体、出液口、放液阀、腔体容积标度，所述漏斗型腔体是透明的，所述漏斗型腔体位于所述协同催化体系放置槽的正下方，所述出液口位于漏斗型腔体中心的下方，所述放液阀位于所述出液口上，所述腔体容积标度位于所述漏斗型腔体内侧壁上。

10.根据权利要求9所述的与煤矿瓦斯实时收集转化方法相配套的装置，其特征在于：所述非镂空部下部边缘设置有外螺纹，所述漏斗型腔体的顶部边缘设置有与所述外螺纹相匹配的内螺纹，通过外螺纹与内螺纹的配合，能够将所述液态产品收集存储腔连接到所述协同催化体系放置槽的下面；所述镂空部的顶部固定设置有拱形槽顶钩耳，所述光源灯罩边缘的下方固定设置有催化装置悬挂钩，通过催化装置悬挂钩与所述拱形槽顶钩耳的配合，能够将所述协同催化体系放置槽悬挂在所述光源系统的下方；所述光源灯罩的上方固定设置有收集转化装置悬挂钩。