CN112096337A - 一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统及方法，涉及煤炭气化开采技术领域，解决了注气管和护管之间可燃气体泄露的问题。该系统包括环形气囊、压力传感器、液压支撑部件、控制器、空气压缩机、真空泵、耐温水泥层和高强耐温层；多个环形气囊沿着注气管间隔配置，压力传感器监测环形气囊内的气压，液压支撑部件支撑固定注气管；辅助出线口配置在护管和注气管之间，控制器接收压力传感器的信号并控制空气压缩机和真空泵工作。利用该系统安装于注气钻孔通道内，通过控制器实时控制环形气囊的气压，保证注气管和护管之间的密封状态；该方法保证了底板岩石巷道内的操作安全，并且降低了煤炭气化损失率，延长了系统的使用寿命。

Description

一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统及方法

技术领域

本发明涉及煤炭气化开采技术领域，尤其是一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统及方法。

背景技术

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，简称UCG)就是将处于地下的煤炭直接进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程。煤炭地下气化一般是通过注入气化剂促使煤炭发生热解、还原和氧化等气化反应，产生氢气、一氧化碳、甲烷等可燃气体，煤炭地下气化具有高效、安全、环保、经济效益高等优点。另外煤炭地下气化技术还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、三下压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层。

早期的煤炭地下气化实验多采用的是固定点注气对煤层进行气化，这种注气方式会造成气化区域发生冒顶、漏气和地下水流入等问题。经过一段时间发展后目前常用的注气方式为后退式供风方式对煤层进行注气，生产时，供风管送气化剂直至气化火区。由于气化面断面小，气化剂流速小，火区会基本沿中心向四周扩展，火势够大时会加速向氧气浓度较高的地区蔓延-逆风燃烧；在供风巷内供送蒸汽，能够抑制供风巷内的逆风燃烧。根据温控监测和在线组分监测，调节蒸汽供送量和富氧空气供送量(风速)，能够使火区缓慢前进或后退。此状态下，火区的长度由氧气供送量决定，火区的位置由蒸汽供送量调整。当燃烧一段时间，需要供风管后退时，供风巷内减少供送蒸汽，使逆风燃烧增强，并将供风管的后退供风装置打开，形成新的供风点，引导火区后退。因此，根据煤炭地下气化工艺的注气方式的特点，提出一种实现煤炭地下气化注气管路移动的密封方法，来解决可燃性气体泄漏的问题，这对提高气化剂供给系统的安全性能是至关重要的。

在现有的煤层气化生产过程中，气化剂与燃烧工作面接触的程度将直接影响到煤气的质量和产量，为了保证气化效率及煤气的质量，应该最大限度的保证气化剂与气化煤层的充分接触。“后退供风”生产工艺中，一般通过保证氧气在第一时间与燃烧面接触，从而提高气化强度，保证煤气质量。但是随着气化剂的不断供入，此时气化工作面处于一种压力增大的状态，由于压力的作用，产生的煤气会从护管和注气管之间的空隙中泄露出来蔓延至巷道内，不仅会造成煤气资源的浪费，而且也存在一定的爆炸性危害井下工作人员的安全。

现有技术中，煤炭地下气化属于原位实体煤层气化过程，气化煤层不能移动，燃烧反应界面随注气而移动。

专利文献1(CN206158720U)公开了一种分离控制注气点装置，主要由绞车系统、密封系统、动力系统、控制系统组成，气化剂通过具有一定挠性与强度的连续管送入气化工作面，连续管首端放置在气化炉内，首端连接喷嘴或喷火器；连续管尾端穿过密封系统从气化炉工作孔内引出，并连接至绞车系统，连续管尾端同气化剂输送管道连接。连续管缠绕在绞车系统上，当需要注气点后退操作时，绞车动力机构带动连续管移动，从而使注气点连续或周期性后退。其密封系统是由防喷盒，由自封胶芯、铜套、胶木压板组成，工作原理是在起下连续管时，自封胶芯与连续管在外部压力的作用下相互紧密接触形成密封，隔离矿井内部与大气之间的压力，实现密封的效果。自封胶芯的控制系统是位于注入头下方和复合闸板井控装置上方的远控液压装置，通过液压系统推动防喷盒的液缸压缩弹性元件(自封芯)，与连续油管外壁形成紧密的接触，从而实现密封。

专利文献2(CN110219636A)公开了一种煤炭地下气化炉注排气钻孔通道隔热密闭封堵方法，采用对煤炭地下气化炉注排气通道钻孔进行扩孔的方法，构建了两段不同内径的密封充填钻孔通道，作为原位煤层反应炉与外部底板岩石巷的隔热密闭充填操作的通道。对构建的两段不同内径的密封充填钻孔通道，在其内部分别嵌套分隔套管，将充填空间分为两部分，一是分隔套管与通道内壁之间的空隙，采用耐高温高强度充填材料进行充填，并能够封堵钻孔通道壁面的裂隙，可有效隔绝气化炉内的高温高压气体泄漏；二是分隔套管内部空间，采用耐高温水泥进行充填，可对排气钻孔内的高温气体热量进行隔绝。该方法中注气管路不需要移动，因此不会产生密封的问题。

专利文献3(CN203948081U)公开的一种无井式煤炭地下气化点火与注气点后退装置，包括钻孔支撑管，气化剂注入管，燃烧剂注入管，密封装置和点火点移动装置。钻孔支撑管外壁在密闭装置的下部设有水蒸气注入管，气化剂注入管被钻孔支撑管套于管内，并且通过密闭装置实现与钻孔支撑管的连接固定以及密封，燃烧剂注入管被气化剂注入管套于管内，并且与气化剂注入管通过螺纹连接或者焊接。该专利虽然加装了密封系统，但在工作前，该密封装置翼状支撑件两个翼状支撑片保持斜向下，工作时，通过注气点移动装置将套管往拉上至翼状支撑件下部，再将套管往下压，使两个翼状支撑片撑开，工作完毕后，打开两个翼状撑片之间的开闭口，卸下翼状支撑件，操作较为繁琐。

为了实现煤炭地下气化注气管路移动的密封，解决煤炭地下气化产生的可燃性气体从注气管和护管之间泄漏的问题，现有技术中：(1)采用防喷盒进行密封，但是胶芯在液缸的推动下，因非挤压环磨损消耗产生的间隙，胶芯上部中心突起，导致接触不完全，从而影响封隔效果；注气管后退作业时，补芯会在引导衬套内壁产生摩擦，导致内壁受损孔径增大，使注气管在经过补芯时，在液压作用下会较大幅度的影响胶芯的动态工作效果，造成胶芯与管子之间密封不严，影响密封效果；(2)采用永久一次性密闭封堵，虽然不存在注气管路的移动和密封问题，但存在后期密封不严，当对煤层开始气化之后，高温高压的气体会不断冲击密闭填充的高温材料，使其产生新的裂纹、裂隙而造成漏气。为了解决上述问题，提高煤炭地下气化的产气率，减少煤气资源的浪费，保证煤炭地下气化的安全，需要对现有的注气管移动密封系统和方法做进一步的改进。

发明内容

为了解决煤炭地下气化时注气管和护管之间可燃气体泄露的问题，保证底板岩石巷道内的操作安全，并且降低煤炭气化损失率，延长系统的使用寿命，本发明提供了一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统及方法，具体技术方案如下。

一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，包括环形气囊、压力传感器、液压支撑部件、控制器、空气压缩机、真空泵、耐温水泥层和高强耐温层，在煤炭地下气化的注气钻孔内布置耐温水泥层和高强耐温层，注气钻孔的孔口位置设置有封堵砌块；所述环形气囊使用高温硅橡胶材料制作而成，环形气囊呈环状配置在护管和注气管之间，多个环形气囊沿注气管间隔配置；所述环形气囊的充气口穿过护管，压力传感器接入充气口并监测环形气囊内的气压；所述液压支撑部件的一端固定在护管上另一端压设在注气管上，辅助出线口配置在护管和注气管之间；所述控制器接收压力传感器的信号并控制液压支撑部件、空气压缩机和真空泵工作，空气压缩机和真空泵通过气体管路和环形气囊相连。

优选的是，注气钻孔布置在煤层底板的岩石巷道内，注气钻孔在所述环形气囊和液压支撑部件的安装段进行扩孔处理。

优选的是，高强耐温层紧贴注气钻孔的孔壁布置，耐温水泥层布置在高强耐温层的内侧，高强耐温层和耐温水泥层之间设置有支架。

还优选的是，控制器与压力传感器、控制液压支撑部件之间的数据线，以及所述气体管路配置在所述辅助出线口内，所述辅助出线口呈环形。

还优选的是，控制器与上位机相连，上位机向控制器发送操控命令，并显示实时的监测参数。

一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封方法，利用上述的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，步骤包括：

S1.在煤层底板的岩石巷道内设置注气钻孔，在环形气囊和液压支撑部件的安装段进行扩孔，并构建注气钻孔通道；

S2.安装护管，将环形气囊间隔安装在护管内，其中环形气囊的充气口和护管上的充气孔相配合；

S3.构筑耐温水泥层和高强耐温层，高强耐温层封堵注气钻孔的钻孔通道内壁的裂隙，耐温水泥层充填在辅助出线口外壁和高强耐温层之间，待耐温水泥层和高强耐温层固化后，在岩石巷道内的注气钻孔的孔口位置构筑封堵砌块；

S4.将连接环形气囊的气体管路，以及控制器与压力传感器、控制液压支撑部件之间的数据线，从辅助出线口引出；

S5.连接空气压缩机和真空泵，连接上位机和控制器，控制环形气囊密封注气管和护管之间的空间。

进一步优选的是，在进行煤炭地下气化作业时，首先利用抽风装置对气化炉进行抽气，气化炉内形成负压；然后将气化剂和点火装置输送至煤层位置进行点火，关闭抽风装置，此时上位机控制环形气囊充气，液压支撑部件压紧注气管。

进一步优选的是，在煤层气化过程中，气化剂与燃烧工作面接触的程度直接影响到煤气的质量和产量，因此注气管路要随着气化工作面的推进而后退，保证氧气在第一时间与燃烧面接触，当注气管路按照需要向后退时，先利用抽风装置对气化炉进行抽气，气化炉内形成负压；然后上位机控制环形气囊放气，液压支撑部件松开注气管，注气管回撤形成新的工作面。

本发明提供的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统及方法有益效果包括：煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统各个部件相互配合，实现了注气管和护管之间的密封，并且方便了注气管路的后退，防止气化炉内的高温高压可燃性气体泄露，尤其是环形气囊和液压支撑部件的设置，使系统的操作性高、密封性能好、耐高温效果更好；另外该密封的方法还保证了底板岩层巷道内施工人员的安全，减少了煤炭资源的浪费。

附图说明

图1是煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统示意图；

图2是图1中的A-A截面示意图；

图3是图1中的B-B截面示意图；

图4是环形气囊的控制原理示意图；

图中：1-环形气囊，2-压力传感器，3-液压支撑部件，4-控制器，5-空气压缩机，6-真空泵，7-耐温水泥层，8-高强耐温层，9-注气管，10-护管，11-岩石巷道，12-封堵砌块，13-辅助出线口，14-气体管路，15-上位机，16-充气口。

具体实施方式

结合图1至图4所示，对本发明提供的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统及方法的具体实施方式进行说明。

一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，解决了煤炭地下气化过程中由于注气管路的后退造成的气化炉内的高温、高压的可燃性气体沿注气管和护管之间的缝隙泄露的问题，其结构具体包括环形气囊1、压力传感器2、液压支撑部件3、控制器4、空气压缩机5、真空泵6、耐温水泥层7和高强耐温层8，该系统设计合理，可操作性高，密封性更好，耐高温。在煤炭地下气化的注气钻孔内布置耐温水泥层和高强耐温层，保证注气钻孔的密封性能，注气钻孔的孔口位置设置有封堵砌块，保证了孔口的密封性能。环形气囊1使用高温硅橡胶材料制作而成，具有耐高温的效果，至少可以在200℃以上的环境下正常工作，环形气囊1呈环状配置在护管10和注气管9之间，从而实现管道空隙之间的灵活密封，多个环形气囊1沿注气管长度方向9间隔配置，从而可以实现多道密封，并且有效的支撑注气管。环形气囊1的充气口穿过护管，从护管10上的预设开口处伸出，压力传感器2接入充气口16并监测环形气囊1内的气压，实时监测气压，从而监测环形气囊的密封效果，避免压力过大导致气囊损坏。液压支撑部件3的一端固定在护管上另一端压设在注气管上，液压支撑部件3和注气管9的接触端可以设置滚轮，从而方便注气管的移动。辅助出线口配置在护管和注气管之间，并且呈环形，方便气体管路和信号传输线路布设。控制器4接收压力传感器的信号并控制液压支撑部件3、空气压缩机5和真空泵6工作，空气压缩机5和真空泵6通过气体管路14和环形气囊1相连，控制器4根据实际需要实时控制环形气囊1的气压，以及液压支撑部件3的液压。

注气钻孔布置在煤层底板的岩石巷道11内，注气钻孔在环形气囊1和液压支撑部件3的安装段进行扩孔处理，从而构建耐高温的环形气囊、注排气管路及液压支撑部件和压力传感器引线的通道。

高强耐温层8紧贴注气钻孔的孔壁布置，耐温水泥层7布置在高强耐温层的内侧，高强耐温层8和耐温水泥层7之间设置有支架，支架可以起到支撑、连接、固定的作用，方便了高强耐温层和耐温水泥层的布置。其中耐温水泥层使用特种耐高温水泥制作，高强耐温层使用的是特种高强度耐高温材料。

控制器4与压力传感器2、液压支撑部件3之间的数据线，以及气体管路14配置在辅助出线口13内，辅助出线口13呈环形。控制器4与上位机15相连，上位机15向控制器发送操控命令，并显示监测参数。当充入一定的压缩空气后环形气囊1与护管10内壁及注气管外壁紧密的贴合在一起，继续往环形气囊1中充气时，环形气囊1体积变化很小，而且环形气囊1内的压力会急剧升高，此时可判断环形气囊1内的压力达到正常工作的压力值，压力传感器2会把压力信号传递给控制器4，控制器4会控制空气压缩机5关闭，这样不仅可以保证环形气囊1与护管10内壁及注气管外壁的紧密贴合，还可以避免因环形气囊内的压力过大使环形气囊损坏。液压支撑部件3端部安装有滚轮，放置在环形气囊1的四周可以起到支撑注气管9的作用，并在护管上开特定孔通过导线与控制器的输入端相连。空气压缩机5、真空泵6通过数据线与控制器4的输出端相连，通过压力传感器传递出的数据判断并控制环形气囊的抽气或放气。控制器(PLC可编程逻辑控制器)与上位机相连，通过PLC读取压力传感器的状态数据(一般为模拟量)并转换成数字信号反馈给上位机来实现实时交互。上位机15是指可以直接发出操控命令的计算机，屏幕上显示各种信号变化(液压，水位，温度等),上位机15发出的命令首先给控制器4，控制器4再根据此命令发出相应时序信号直接控制相应设备。

一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封方法，利用上述的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，步骤包括：

S1.在煤层底板的岩石巷道内设置注气钻孔，在环形气囊和液压支撑部件的安装段进行扩孔，并构建注气钻孔通道。

S2.安装护管，将环形气囊间隔安装在护管内，环形气囊间隔的间距根据注气钻孔的长度确定，其中环形气囊的充气口和护管上的充气孔相配合。

S3.构筑耐温水泥层和高强耐温层，高强耐温层封堵注气钻孔的钻孔通道内壁的裂隙，耐温水泥层充填在辅助出线口外壁和高强耐温层之间，待耐温水泥层和高强耐温层固化后，在岩石巷道内的注气钻孔的孔口位置构筑封堵砌块；

S4.将连接环形气囊的气体管路，以及控制器与压力传感器、控制液压支撑部件之间的数据线，从辅助出线口引出；

S5.连接空气压缩机和真空泵，连接上位机和控制器，控制环形气囊密封注气管和护管之间的空间。

通过上述方法完成了密封系统的安装，在进行煤炭地下气化作业时，首先利用抽风装置对气化炉进行抽气，气化炉内形成负压，抽气的通道内提前安装压力监测装置确定负压状态，当整个气化炉内为负压状态，其产生的有害气体并不能从护管与注气管之间的空隙中泄漏出来，从而可以保证巷道内的安全。然后将气化剂和点火装置输送至煤层位置进行点火，关闭抽风装置，此时上位机控制环形气囊充气，空气压缩机通过气体管路向环形气囊内充气直至达到预定的压力，控制器控制液压支撑部件压紧注气管直至液压压力达到预定的压力值，从而保证了注气管和护管之间的密封。注气管输送气化剂(富氧空气)到达火区的气化工作面，进行煤炭的地下气化。

在煤层气化过程中，气化剂与燃烧工作面接触的程度直接影响到煤气的质量和产量，因此注气管路要随着气化工作面的推进而后退，保证氧气在第一时间与燃烧面接触，当注气管路按照需要向后退时，先利用抽风装置对气化炉进行抽气，气化炉内形成负压；然后上位机控制环形气囊放气，液压支撑部件松开注气管，注气管回撤形成新的工作面。其中，利用抽风装置对气化炉进行抽气，气化炉内形成负压，气化炉内为负压状态，煤气化产生的H₂、CO、CH₄、CO₂等气体并不能从护管与注气管之间的空隙中泄漏出来，因而保障了工作人员的生命安全同时降低了煤炭气化损失率。然后上位机控制环形气囊放气，观测气体压力的监测值，液压支撑部件松开注气管确定液压值，注气管回撤至下一工作面的位置，形成新的工作面，然后在重复在进行煤炭地下气化作业时的步骤。

该方法保证了底板岩石操作巷人员安全性，提高了安全效益；并且还能够提高煤炭地下气化的产气率，减少煤气资源的浪费，提高气化剂供给系统的安全性能。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，其特征在于，包括环形气囊、压力传感器、液压支撑部件、控制器、空气压缩机、真空泵、耐温水泥层和高强耐温层，在煤炭地下气化的注气钻孔内布置耐温水泥层和高强耐温层，注气钻孔的孔口位置设置有封堵砌块；所述环形气囊使用高温硅橡胶材料制作而成，环形气囊呈环状配置在护管和注气管之间，多个环形气囊沿注气管间隔配置；所述环形气囊的充气口穿过护管，压力传感器接入充气口并监测环形气囊内的气压；所述液压支撑部件的一端固定在护管上另一端压设在注气管上，辅助出线口配置在护管和注气管之间；所述控制器接收压力传感器的信号并控制液压支撑部件、空气压缩机和真空泵工作，空气压缩机和真空泵通过气体管路和环形气囊相连。

2.根据权利要求1所述的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，其特征在于，所述注气钻孔布置在煤层底板的岩石巷道内，注气钻孔在所述环形气囊和液压支撑部件的安装段进行扩孔处理。

3.根据权利要求1所述的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，其特征在于，所述高强耐温层紧贴注气钻孔的孔壁布置，耐温水泥层布置在高强耐温层的内侧，高强耐温层和耐温水泥层之间设置有支架。

4.根据权利要求1所述的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，其特征在于，所述控制器与压力传感器、控制液压支撑部件之间的数据线，以及所述气体管路配置在所述辅助出线口内，所述辅助出线口呈环形。

5.根据权利要求1所述的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，其特征在于，所述控制器与上位机相连，上位机向控制器发送操控命令，并显示实时监测参数。

6.一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封方法，利用权利要求1至5任一项所述的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封系统，其特征在于，步骤包括：

S1.在煤层底板的岩石巷道内设置注气钻孔，在环形气囊和液压支撑部件的安装段进行扩孔，并构建注气钻孔通道；

S2.安装护管，将环形气囊间隔安装在护管内，其中环形气囊的充气口和护管上的充气孔相配合；

S3.构筑耐温水泥层和高强耐温层，高强耐温层封堵注气钻孔的钻孔通道内壁的裂隙，耐温水泥层充填在辅助出线口外壁和高强耐温层之间，待耐温水泥层和高强耐温层固化后，在岩石巷道内的注气钻孔的孔口位置构筑封堵砌块；

S4.将连接环形气囊的气体管路，以及控制器与压力传感器、控制液压支撑部件之间的数据线，从辅助出线口引出；

S5.连接空气压缩机和真空泵，连接上位机和控制器，控制环形气囊密封注气管和护管之间的空间。

7.根据权利要求6所述的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封方法，其特征在于，在进行煤炭地下气化作业时，首先利用抽风装置对气化炉进行抽气，气化炉内形成负压；然后将气化剂和点火装置输送至煤层位置进行点火，关闭抽风装置，此时上位机控制环形气囊充气，液压支撑部件压紧注气管。

8.根据权利要求7所述的一种煤炭地下气化用的注气管路移动密封方法，其特征在于，在煤层气化过程中，当注气管路后退时，先利用抽风装置对气化炉进行抽气，气化炉内形成负压；然后上位机控制环形气囊放气，液压支撑部件松开注气管，注气管回撤形成新的工作面。

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