CN111810224A - 瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，属于瓦斯开发利用技术领域。该方法包括步骤：布置两条底抽岩巷与两条煤巷，使用底抽巷穿层钻孔、煤巷顺层平行钻孔加水力造穴方式对瓦斯进行预抽，在内错风巷布置高抽巷对采空区瓦斯进行抽采。回风抽采主干管路处设置防爆电控阀，通过传感器模组对主抽采巷道瓦斯参数进行监控，泵组针对瓦斯抽采浓度变化而采取不同抽采参数，抽采泵组输出端连接瓦斯发电装置与配电装置，配电装置后端连接制冷器与并网线路。本发明利用制冷器制冷治理井底热害的同时，对瓦斯资源进行合理利用，产生富余电力，提升经济效益，达到深部瓦斯资源治理、开采、利用一体化的目的。

Description

瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法

技术领域

本发明属于瓦斯开发利用技术领域，具体涉及一种瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法。

背景技术

随着矿井开采深度与开采强度的不断增大，矿区自然条件、瓦斯地质条件和煤炭开采技术等条件已经发生了显著的变化。深部开采使影响瓦斯灾害发生的因素变得复杂，瓦斯灾害有向与其它灾害耦合发生的趋势。深部瓦斯压力与含量的升高无疑加剧了煤与瓦斯突出的可能性，甚至出现高地应力、高突出危险性、低透气性等开采条件相交织的情况。深部煤炭资源面临着岩层压力大、地温高、煤与瓦斯突出、煤层自燃加重等问题，安全开采及利用难度大。目前对瓦斯治理采取的单一抽放方式深受井下温度与瓦斯浓度影响，抽采环境恶劣，且抽放系统操作参数与多变的矿井瓦斯参数不匹配严重影响着瓦斯治理效果，使得瓦斯资源无法得到应用，这一问题在深部瓦斯治理过程中尤为突出。

发明内容

本发明针对深部煤炭资源特点，为解决深部瓦斯资源开发利用难题，提出一种瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，该方法能确保在进行深部矿井瓦斯治理的同时，对瓦斯资源进行合理利用，达到深部瓦斯资源治理、开采、利用一体化的目的。

瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，包括如下步骤：

S1：首先根据开采深度与施工状况，对不同位置关系巷道的稳定性、钻孔施工情况及防突与抽采效果进行研究分析，布置两条底抽岩巷与两条煤巷，每条底抽巷与相应煤巷之间平距保持为5m，与煤层下界垂距10m，采掘过程中使用底抽巷穿层钻孔、煤巷顺层平行钻孔加水力造穴方式对瓦斯进行预抽；

S2：在内错风巷平距约20m位置布置高抽巷，使用Φ500mm抽采管路对采动裂隙环形圈内和裂隙带进行采空区瓦斯抽采，高抽巷与风巷平距中对中20米、距离煤层顶板垂距18～22米布置；

S3：在回风抽采主干管路处设置防爆电控阀，电控阀出口处连接传感器模组，与地面控制系统形成闭环反馈回路，通过传感器模组对主抽采巷道瓦斯参数进行监控，传感器测量信号导入地面控制系统进行模量变换，形成控制信号后对电控阀进行进一步控制；

S4：电控阀出口串联抽采泵组，该泵组通过接收控制信号而运行不同的工作模式，可针对瓦斯抽采浓度变化而采取不同抽采参数，维持系统稳定性，提高抽采效率；

S5：抽采泵组输出端连接瓦斯发电装置，瓦斯发电装置接收控制信号自动匹配发电参数，维持发电稳定，发电装置输出端连接配电装置对电力进行分配，当发电量较低时，供制冷器使用，当发电量较大时，在维持制冷器运转的同时，将额外电力输配至电网侧并网使用；

S6：配电装置后端连接制冷器，制冷器入口依次连接进气电控阀与进气管道，电控阀接收控制信号用以调节参数，制冷器将空气冷却后输入巷道；

本发明与现有技术相比所具有的优势及产生的有益效果是：

本发明针对深部瓦斯抽采地温高、煤与瓦斯突出、煤层自燃等问题，采用穿层钻孔预抽底抽巷瓦斯、煤巷顺层钻孔与水力造穴复合抽采煤层瓦斯、高抽巷抽采采空区瓦斯的方法，通过电控阀与传感模组对抽采管路瓦斯含量进行控制，解决瓦斯参数与抽采参数不匹配的问题，通过发电装置对瓦斯加以利用，一部分输入电网并网，一部分用于进气制冷，不仅可以应对深部煤层高温恶劣环境，还能对瓦斯进行发电利用从而产生收益，集瓦斯治理、抽采及利用一体化，极大地提高了经济效益。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为巷道布置位置示意图；

图3为本发明管路输送及线路传输系统图；

图中，1-穿层钻孔、2-顺层钻孔、3-机巷抽放巷抽采管路、4-巷道掘进入口、5-制冷器输出管路、6-采空区、7-制冷器、8-电力输出线路、9-瓦斯发电装置、10-配电装置、11-空气输入管路、12-瓦斯抽采泵组、13-控制信号传输线路、14-地面控制系统、15-高抽巷抽采管路、16-风巷里段抽采管路、17-风巷抽放巷抽采管路、18-抽采主管路、19-机巷里段抽采管路、20-进气控制阀、21-电力输送线路、22-高抽巷、23-机巷、24-风巷、25-机巷抽放巷、26-风巷抽放巷，27-传感器模组，28-主管路抽采控制阀。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

参照图1可知，瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，包括如下步骤：

步骤一：根据开采深度与施工状况，对不同位置关系巷道的稳定性、钻孔施工情况及防突与抽采效果进行研究分析，选取合适底抽巷位置并开挖机巷23与风巷24，布置机巷抽放巷抽采管路3，于工作面机巷抽放巷25开口1m处开始进行穿层钻孔1预抽，穿层钻孔1孔间距4.8m，每组11个孔，瓦斯异常带取钻孔组间距2.4m，定期检测残余瓦斯浓度。其中，残余瓦斯浓度根据残余瓦斯压力计算，计算公式如下：

式中：X——煤层瓦斯含量，m³/t；

a——吸附常数，试验温度下的极限吸附量，m³/t；

b——吸附常数，MPa^-1；

P——煤层绝对瓦斯压力，MPa；

A_ad——煤的灰分，％；

M_ad——煤的水分，％；

K——煤的孔隙体积；

γ——煤的视密度，t/m³。

开挖煤层巷道，布置风巷里段抽采管路16、风巷抽放巷抽采管路17、抽采主管路18、机巷里段抽采管路19，利用机巷抽放巷25与风巷抽放巷26采用穿层钻孔1预抽煤巷条带煤层瓦斯，控制到煤巷掘进巷道两帮轮廓线外各15m，其中底抽巷与相应煤巷之间平距为5m，与煤层下界垂距10m。煤巷上下两帮进行顺层钻孔2与水力造穴瓦斯预抽，水力造穴钻孔布孔间距为4m，钻孔深度定为90米，水力造穴从孔深30米时开始施工，造穴间隔定为8米，每个孔穴大小1米左右。穿层和顺层预抽钻孔全部采用94mm直径钻头，成孔直径110mm。

步骤二：选取瓦斯裂隙发育且能长时间保持的区域，布置高抽巷22与高抽巷抽采管路15，高抽巷22与风巷24平距中对中20米、距离煤层顶板垂距18～22米布置，根据管内经济流速及混合抽放流量确定抽采管路内径，并利用地面泵站抽采，采用高抽巷22密闭抽采采空区6瓦斯的措施，定期检测上隅角瓦斯浓度；

抽放管路选型按以下公式计算：

d＝0.1457(Q_C/V)^0.5 (3-12)

式中：d——抽放管内径，m；

Q_C——混合抽放流量，m³/min；

V——为管内经济流速；

步骤三：在回风抽采主干管路处设置防爆电控阀，电控阀出口处连接传感器模组27，与地面控制系统14形成闭环反馈回路，通过传感器模组27对主抽采巷道瓦斯参数进行监控，传感器测量信号导入地面控制系统14进行模量变换，形成控制信号后通过控制信号传输线路13对电控阀进行进一步控制；

步骤四:在主管路抽采控制阀28出口处串联瓦斯抽采泵组12，该泵组通过接收控制信号而运行不同的工作模式，可有效针对瓦斯抽采浓度变化而采取不同抽采参数，维持系统稳定性，提高抽采效率。当瓦斯浓度低，涌出量大时，采用大流量、低负压参数模式抽放；对于瓦斯浓度高、储量大、瓦斯运移慢的层位，采用大流量、高负压参数模式抽放。泵站的装机能力和管网能力应当高于瓦斯抽采达标的要求，并配备备用抽采泵组，备用泵能力不得小于运行泵中最大一台单泵的能力，运行泵的装机能力不得小于瓦斯抽采达标时应抽采瓦斯量对应工况流量的2倍，具体计算方法如下；

步骤五：抽采泵组输出端连接瓦斯发电装置9，瓦斯发电装置9接收控制信号自动匹配发电参数，维持发电稳定，瓦斯发电装置9输出端通过电力输出线路8连接配电装置10对电力进行分配，当发电量较低时，仅供制冷器7使用，当发电量较大时，对电力频率进行调节以匹配电网频率，并将额外电力通过电力输送线路21输配至电网侧并网；

步骤六：配电装置10后端连接制冷器7，制冷器7入口依次连接进气控制阀20与空气输入管路11，电控阀接收控制信号用以调节参数，制冷器输出管路5采取塑套钢预制成型输冷管结构，将空气冷却后从巷道掘进入口4输入巷道。

所用管道内层为无缝钢管，中间层为聚氨酯保温层，外护层为高密度聚乙烯管，具备抗阻燃、抗静电、保温性能强等特点，确保安全输送和末端换冷效果。每个制冷器7冷冻水进口处设置截止阀、过滤器温度及压力表，由于井下风流环境较差，应常对制冷器7进行清洗，除去换热管束表面的粉尘和油污，保持设备的换热效率。为降低井下冷冻水管路及设备的压力，采用在井底安装高低压压力转换装置，地面冷冻水(一次水循环系统)输送到井下通过高低压压力转换装置与井下降温循环水(二次水循环系统)进行热量交换，将井下热量排至地面。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，其特征在于，包括步骤：

S1：根据开采深度与施工状况，布置两条岩巷与两条煤巷，采掘过程中使用底抽巷穿层钻孔、煤巷顺层平行钻孔方式对瓦斯进行预抽；

S2：在内错风巷平距20m位置布置高抽巷，使用抽采管路对采动裂隙环形圈内和裂隙带进行采空区瓦斯抽采；

S3：在回风抽采主干管路处设置电控阀，电控阀出口处连接传感器模组，与地面控制系统形成闭环反馈回路，通过传感器模组对主抽采巷道瓦斯参数进行监控，传感器测量信号导入地面控制系统进行模量变换，形成控制信号后对电控阀进行进一步控制；

S4：电控阀出口串联抽采泵组，该泵组通过接收控制信号而运行不同的工作模式，从而针对瓦斯抽采浓度变化而采取不同抽采参数；

S5：抽采泵组输出端连接瓦斯发电装置，瓦斯发电装置接收控制信号自动匹配发电参数，发电装置输出端连接配电装置对电力进行分配，当发电量较低时，仅供制冷器使用，当发电量较大时，将额外电力输配至电网侧并网使用；

S6：配电装置后端连接制冷器，制冷器入口依次连接进气电控阀与进气管道，电控阀接收控制信号用以调节参数，制冷器将空气冷却后输入巷道。

2.根据权利要求1所述的瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

对不同位置关系巷道的稳定性、钻孔施工情况及防突与抽采效果进行研究分析，选取合适底抽巷位置并进行底抽巷开挖，于工作面机巷抽放巷开口1m处开始进行穿层钻孔预抽，穿层钻孔孔间距4.8m，每组11个孔，瓦斯异常带取钻孔组间距2.4m，每隔9.6m进行穿层钻孔水力造穴，定期检测残余瓦斯浓度，残余瓦斯浓度根据所测残余瓦斯压力计算。

3.根据权利要求1所述的瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

根据相似材料模拟实验分析得到的煤层采动裂隙分布特征，确定高抽巷的层位布置，将高位巷布置采空区上覆岩层冒落带顶部和裂隙带中下部；高抽巷与风巷平距中对中20米、距离煤层顶板垂距18～22米布置，根据管内经济流速及混合抽放流量确定抽采管路内径，并利用地面泵站抽采，采用高抽巷密闭抽采采空区瓦斯的措施，定期检测上隅角瓦斯浓度。

4.根据权利要求1所述的瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

在回风抽采主干管路处设置防爆电控阀，电控阀出口处连接传感器模组，与地面控制系统形成闭环反馈回路，通过传感器模组对主抽采巷道瓦斯参数进行监控，传感器测量信号导入地面控制系统进行模量变换，形成控制信号后对电控阀进行进一步控制。

5.根据权利要求1所述的瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

在电控阀出口处串联抽采泵组，该泵组通过接收控制信号而运行不同的工作模式。当瓦斯浓度低，涌出量大时，采用大流量、低负压参数模式抽放；对于瓦斯浓度高、储量大、瓦斯运移慢的层位，采用大流量、高负压参数模式抽放。

6.根据权利要求1所述的瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

当发电量较大时，对电力频率进行调节以匹配电网频率，对谐波、电压偏差、电压不平衡、电压波动和闪变方面参数进行评估调整直至满足并网标准，最后将额外电力输配至电网侧并网。

7.根据权利要求1所述的瓦斯治理、抽采、利用一体化的深部煤炭资源开发方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：

配电装置后端连接制冷器，制冷器入口依次连接进气电控阀与进气管道，电控阀接收控制信号用以调节参数，制冷器管道采取塑套钢预制成型输冷管结构，将空气冷却后输入巷道。

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