CN111075501A - 低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置及方法，其中装置包括高压注氮机构以及瓦斯抽放机构，高压注氮机构能够为条带消突提供预定注氮压力参数的氮气。首先利用公式计算得出优化的注氮压力参数；其次，在按照预定注氮压力参数实施底抽巷高压注氮后，注入的氮气能够提高煤层中的混合气体压力，从加强“动力”角度驱赶裂隙瓦斯，加快瓦斯流动速度；最后，注入的氮气还能利用其较高的压力和吸附的瓦斯产生置换的作用，加快瓦斯的解吸，从而迅速的降低煤层瓦斯含量。此外，在底抽巷实施高压注氮快速条带消突，能够利用底抽巷与煤层间的岩层对高压注氮施工的安全起到保护作用。

Description

低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置及方法

技术领域

本发明涉及一种低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置及方法。

背景技术

煤与瓦斯突出灾害是煤巷掘进过程中的重大危险源。如图4和图5所示，为了消除待掘进煤巷1周围的煤与瓦斯突出危险性，通过在煤层底板掘进岩石巷道内施工穿层抽放钻孔2抽放煤层瓦斯，是一种常用的煤矿瓦斯灾害治理方法，被称为“底抽巷条带消突技术”。

传统的底抽巷瓦斯抽采方式是利用煤层自然压力使瓦斯流动，而对于低渗煤层来说，由于流动“阻力”较大，其抽采效果较差，使得低渗煤层的瓦斯抽放效率很低，在很多时候即使实施了底抽巷条带消突技术，条带内的煤与瓦斯突出危险性彻底消除所需的时间也会很长，严重影响了煤矿的采掘协调与正常生产。可见传统的底抽巷瓦斯抽采方式需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，以强化煤层瓦斯的抽放效率，同时快速消除煤与瓦斯突出危险性。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，包括：

高压注氮机构以及瓦斯抽放机构；其中：

高压注氮机构包括制氮机、氮气增压系统、储氮装置、减压阀、分流调压装置以及支管；

制氮机的输出端通过管路与氮气增压系统的输入端连接，氮气增压系统的输出端通过管路与储氮装置的输入端连接；在氮气增压系统与储氮装置的连接管路上设有球阀；

储氮装置的输出端与减压阀的一端通过管路连接，减压阀的另一端通过管路与分流调压装置的输入端连接；分流调压装置上设有多个支管接口；

支管有多个，且各个支管分别对应连接到一个支管接口上；

瓦斯抽放机构包括钻孔瓦斯汇流管以及瓦斯抽放管路；

在煤层底板掘进岩石巷道内施工穿层钻孔，其中，部分钻孔为用于向条带煤层注入高压氮气的高压注氮钻孔，部分钻孔为用于抽放条带煤层瓦斯的抽放钻孔；

每个支管分别对应连接至一个高压注氮钻孔上；各个抽放钻孔分别连接到钻孔瓦斯汇流管上，钻孔瓦斯汇流管与瓦斯抽放管路连接。

优选地，制氮机配置有可移动式底座。

优选地，制氮机制出的氮气的压力范围为0.5MPa-1Mpa。

优选地，储氮装置上设有自动泄压阀。

优选地，高压注氮机构位于煤层底板掘进岩石巷道内，该巷道与煤层通过岩层隔开。

本发明的目的之二在于提出一种低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突方法，该方法采用上述低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，其具体技术方案如下：

低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突方法，包括如下步骤：

s1.根据在不同注氮压力条件下的瓦斯产量、氮气突破时间以及产气瓦斯浓度参数，确定一组能够达到较好条带消突效果的注氮压力参数作为优化的注氮压力参数；

s2.高压注氮机构按照优化的注氮压力参数向各个高压注氮钻孔注氮，具体过程如下：

I.制氮机制出0.5MPa-1Mpa范围的氮气；

II.氮气通过管路到达氮气增压系统，氮气增压系统将氮气转换为高压氮气；

III.高压氮气通过管路到达储氮装置进行存储；

IV.高压氮气从储氮装置的输出端输出，并由减压阀控制高压氮气的输出压力；

V.减压后的高压氮气经分流调压装置后分别注入到不同的高压注氮钻孔内，注入的高压氮气用于提高煤层中混合气体压力，加快瓦斯流动速度；

煤层瓦斯在高压氮气的作用下依次经过钻孔瓦斯汇流管、瓦斯抽放管路排出。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明提出了一种低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置及方法，其中，上述装置包括高压注氮机构以及瓦斯抽放机构，高压注氮机构能够为条带消突工作提供预定注氮压力参数的氮气，瓦斯抽放机构用于将煤层瓦斯排出。本发明方法的大致步骤为：首先利用公式计算得出优化的注氮压力参数；其次，在按照预定注氮压力参数实施底抽巷高压注氮后，注入的氮气能够提高煤层中的混合气体压力，从加强“动力”角度驱赶裂隙瓦斯，加快瓦斯流动速度；最后，注入的氮气还能利用其较高的压力和吸附的瓦斯产生置换的作用，加快瓦斯的解吸，从而迅速的降低煤层瓦斯含量。此外，在底抽巷实施高压注氮快速条带消突，能够利用底抽巷与煤层间的岩层对高压注氮施工的安全起到保护作用。

附图说明

图1是本发明实施例1中低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中待掘进的煤巷、抽放条带和高压注氮钻孔的结构示意图；

图3是本发明实施例2中低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置的流程框图。

图4是待掘进煤巷与抽放钻孔条带的结构示意图；

图5是底抽巷与抽放系统的结构示意图；

1-待掘进煤巷，2-抽放钻孔，3-煤层，4-抽放管路，5-高压注氮钻孔，6-制氮机，7-氮气增压系统，8-球阀，9-储氮装置，10-减压阀，11-分流调压装置，12-瓦斯汇流管，13-支管。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

如图1所示，本发明实施例1述及了一种低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，该条带消突装置包括高压注氮机构以及瓦斯抽放机构。

高压注氮机构能够为条带消突提供预定注氮压力参数的氮气。该高压注氮机构包括制氮机6、氮气增压系统7、储氮装置9、减压阀10、分流调压装置11以及支管等。

其中，制氮机6的输出端通过管路与氮气增压系统7的输入端连接。制氮机6能够制出氮气的压力范围为0.5MPa-1Mpa。

此外，为了方便制氮机在底抽巷移动，制氮机6还配置有可移动式底座。该可移动式底座包括用于支撑制氮机6的底座本体以及连接于底座本体上的行走轮。

氮气增压系统7用于将制氮机6制得的氮气转换为高压氮气。

此处，氮气增压系统7由井下压风驱动，增压比为1:10，如压风压力为0.5-1MPa，那么经氮气增压系统7转换的氮气压力能够达到5-10MPa。

氮气增压系统7的输出端通过管路与储氮装置9的输入端连接。在氮气增压系统7与储氮装置9的连接管路上设有球阀8。储氮装置9起到存储和缓冲高压氮气的作用。

此外，在储氮装置9上还配置有自动泄压阀，当储氮装置9内的氮气压力超过储氮装置9的耐压能力时，自动泄压阀释放高于储氮装置9耐压能力的氮气，以保证安全。

储氮装置9的输出端与减压阀10的一端通过管路连接，减压阀10的作用在于控制由储氮装置9输出的氮气(即二级氮气)的输出压力。

减压阀10的另一端通过管路与分流调压装置11的输入端连接。

在分流调压装置11上设有多个支管接口(未示出)；支管13有多个，且各个支管13分别对应连接到一个支管接口上，通过分流调压装置11能够调节每个支管内的氮气压力。

瓦斯抽放机构用于将煤层瓦斯抽出，其包括钻孔瓦斯汇流管12以及瓦斯抽放管路4。

如图2所示，在煤层底板掘进岩石巷道内施工穿层钻孔，其中，部分钻孔为高压注氮钻孔5，用于向条带煤层注入高压氮气，部分钻孔为抽放钻孔2，用于抽放条带煤层瓦斯。

每个支管13分别对应连接至一个高压注氮钻孔5上，预定氮气压力参数的氮气经由高压注氮钻孔5注入到煤层中，利于提高煤层中的混合气体压力。

从加强“动力”的角度驱赶裂隙瓦斯，从而加快煤层瓦斯流动速度。

此外，注入的氮气还能利用其较高的压力和吸附的瓦斯产生置换的作用，加快瓦斯的解吸，迅速降低煤层瓦斯含量，达到快速条带消突的目的。

各个抽放钻孔2分别连接到钻孔瓦斯汇流管12上，钻孔瓦斯汇流管12与瓦斯抽放管路4连接，煤层瓦斯依次经过钻孔瓦斯汇流管12、瓦斯抽放管路4流出。

此外，为了能够在底抽巷实施高压注氮快速条带消突，还进行了如下设计：

高压注氮机构位于煤层底板掘进岩石巷道内，该巷道与煤层通过岩层隔开。利用底抽巷与煤层间的岩层对高压氮气施工的安全起到保护作用，使技术的推广应用前景得到保障。

实施例2

本实施例2述及了一种低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突方法，该方法基于上述实施例1述及的低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置。

如图3所示，低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突方法，包括如下步骤：

s1.根据理论模型计算得到在不同注氮压力条件下的瓦斯产量、氮气突破时间以及产气瓦斯浓度，选择能够达到较好条带消突效果的一组注氮压力参数作为优化的注氮压力参数。

此处的理论模型为王公达，REN Tingxiang，齐庆新等在“二氧化碳/氮气驱替煤层瓦斯过程的数学模型[J].岩石力学与工程学报,2016,35(S2):3930-3936.”提出的数学模型。

通过解算该耦合模型得到在不同注氮压力条件下的瓦斯产量、氮气突破时间以及产气瓦斯浓度参数，进而能够得到不同注氮压力条件下的条带消突效果。

至于条带消突的效果，国家煤矿安全规程有明确规定，即当煤层残余瓦斯含量压力小于0.74Mpa或残余瓦斯含量小于8m³/t的预抽区域为无突出危险区。

s2.高压注氮机构按照优化的注氮压力参数向各个高压注氮钻孔注氮，具体过程如下：

I.制氮机6制出0.5MPa-1Mpa范围的氮气。

II.氮气通过管路到达氮气增压系统7，在该系统氮气转换为高压氮气。

III.高压氮气通过管路到达储氮装置9进行存储。

IV.高压氮气从储氮装置9的输出端输出，并由减压阀10控制高压氮气的输出压力。

V.减压后的高压氮气经分流调压装置11后分别注入到不同的高压注氮钻孔5内，其中，注入到各个高压注氮钻孔5内的氮气，其压力参数为优化的注氮压力参数。

注入的高压氮气能够提高煤层中混合气体压力，加快瓦斯流动速度；煤层瓦斯在高压氮气的作用下依次经过钻孔瓦斯汇流管、瓦斯抽放管路排出。

此外，注入的氮气还能利用其较高的压力和吸附的瓦斯产生置换的作用，加快瓦斯的解吸，迅速降低煤层瓦斯含量，达到快速条带消突的目的。

利用钻孔瓦斯汇流管12能够测量从各个抽放钻孔2流出的瓦斯浓度与瓦斯流量，进而评价底抽巷高压注氮驱替条带消突效果。经过验证，本发明在煤层底板抽放巷道向抽放钻孔实施高压氮气注入，强化了煤层瓦斯的抽放效率，利于快速消除煤与瓦斯突出危险性。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (6)

1.低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，其特征在于，包括：

高压注氮机构以及瓦斯抽放机构；其中：

高压注氮机构包括制氮机、氮气增压系统、储氮装置、减压阀、分流调压装置以及支管；

制氮机的输出端通过管路与氮气增压系统的输入端连接，氮气增压系统的输出端通过管路与储氮装置的输入端连接；在氮气增压系统与储氮装置的连接管路上设有球阀；

所述储氮装置的输出端与减压阀的一端通过管路连接，减压阀的另一端通过管路与分流调压装置的输入端连接；所述分流调压装置上设有多个支管接口；

所述支管有多个，且各个所述支管分别对应连接到一个所述支管接口上；

瓦斯抽放机构包括钻孔瓦斯汇流管以及瓦斯抽放管路；

在煤层底板掘进岩石巷道内施工穿层钻孔，其中，部分钻孔为用于向条带煤层注入高压氮气的高压注氮钻孔，部分钻孔为用于抽放条带煤层瓦斯的抽放钻孔；

各个所述支管分别对应连接至一个高压注氮钻孔上；各个所述抽放钻孔分别连接到所述钻孔瓦斯汇流管上，所述钻孔瓦斯汇流管与所述瓦斯抽放管路连接。

2.根据权利要求1所述的低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，其特征在于，

所述制氮机配置有可移动式底座。

3.根据权利要求1所述的低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，其特征在于，

所述制氮机制出的氮气的压力范围为0.5MPa-1Mpa。

4.根据权利要求1所述的低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，其特征在于，

所述储氮装置上设有自动泄压阀。

5.根据权利要求1所述的低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，其特征在于，

所述高压注氮机构位于煤层底板掘进岩石巷道内，该巷道与煤层通过岩层隔开。

6.低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突方法，基于如权利要求1至5任一项所述的低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突装置，其特征在于，

所述低渗煤层底抽巷高压注氮驱替快速条带消突方法包括如下步骤：

s1.根据在不同注氮压力条件下的瓦斯产量、氮气突破时间以及产气瓦斯浓度参数，确定一组能够达到较好条带消突效果的注氮压力参数作为优化的注氮压力参数；

s2.高压注氮机构按照优化的注氮压力参数向各个高压注氮钻孔注氮，具体过程如下：

I.制氮机制出0.5MPa-1Mpa范围的氮气；

II.氮气通过管路到达氮气增压系统，氮气增压系统将氮气转换为高压氮气；

III.高压氮气通过管路到达储氮装置进行存储；

IV.高压氮气从储氮装置的输出端输出，并由减压阀控制高压氮气的输出压力；

V.减压后的高压氮气经分流调压装置后分别注入到不同的高压注氮钻孔内，注入的高压氮气用于提高煤层中混合气体压力，加快瓦斯流动速度；

煤层瓦斯在高压氮气的作用下依次经过钻孔瓦斯汇流管、瓦斯抽放管路排出。

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