CN112593906B - 一种促进瓦斯抽采的煤体加热装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种促进瓦斯抽采的煤体加热装置及方法，包括在煤层中交替布置加热孔和抽采孔，在加热孔中布置单元连接的护孔花管，在护孔花管内布置单元连接的加热花管，在加热花管内填装加热药包，加热药包之间留有过水空隙。护孔花管的孔底端头为锥形，其余单元护孔花管螺纹连接。孔底单元加热花管端部细管与孔底护孔花管螺纹连接，并连通返水管。加热药包内封装加热药剂，加热药包遇水一定时间后发生剧烈放热反应，释放大量热量和高温热气，快速均匀加热煤体，促使煤体瓦斯由吸附态向游离态转化，并加速向抽采孔运移流动，从而实现强化瓦斯抽采效果的目的。本装置及方法井下运输方便，可重复使用，操作灵活，可明显缩短瓦斯抽采时间。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种促进瓦斯抽采的煤体加热装置及方法。
背景技术
我国高瓦斯和突出矿井分布广泛，瓦斯是威胁矿井安全生产的主要灾害之一，而瓦斯抽采是减少瓦斯灾害的一种最常用、最有效的途径。目前，加热煤体促进瓦斯抽采的方法主要有注高温高压气体加热煤体、微波加热煤体等。现有的注高温高压气体加热煤体的方法多为单层管封孔，而且不利于拆卸和回收，影响后续采煤作业，加热煤体温度一般不能高于100℃。由于煤体对微波存在一定阻碍能力，导致微波加热有效范围小或煤体各部分加热温度差异较大，抽采瓦斯效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种促进瓦斯抽采的煤体加热装置及方法，能够对煤体实现高效、可控、可循环的长时间均匀加热，能有效减少加热周期，显著提高瓦斯抽采流量和浓度，提高瓦斯抽采效率，保障高瓦斯低透气性煤层的安全高效生产。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种促进瓦斯抽采的煤体加热装置，其特征在于，包括设置在加热孔内的护孔花管，所述加热孔开设在由岩层限制的煤层中，所述护孔花管内设置加热花管，所述加热花管内填装加热药包，所述护孔花管和加热花管均为单元连接结构，所述加热花管的一端伸出加热孔通过第一阀门连接注水管，所述加热花管的另一端连接返水管，所述返水管上设置第二阀门，所述注水管、加热花管和返水管形成水流通路，所述加热孔的孔口设置有隔热密封层。
优选的，所述护孔花管由多个单元护孔花管首尾连接而成，位于孔底的孔底单元护孔花管端头为锥形，其余单元护孔花管螺纹连接并整体连通，所述护孔花管用于支护加热孔，同时为加热花管提供轨道、为高温热气加热煤体提供通道，所述单元护孔花管上设置细长条状透气孔。
优选的，所述加热花管由多个单元加热花管首尾螺纹连接而成，位于孔底的孔底单元加热花管为“细-粗”型，位于孔中位置的孔中单元加热花管为“粗-细-粗”型，孔口单元加热花管为“粗-细”型，所述孔底单元加热花管螺纹连接在所述孔底单元护孔花管的端头内，所述孔中单元加热花管和孔口单元加热花管与所述护孔花管的内腔之间保持间隙，所述加热花管上设置微型圆孔。
优选的，所述加热药包为多个且充填于加热花管内，相邻加热药包之间留有过水空隙。
优选的，所述隔热密封层分两部分，一部分为填充在加热孔的孔口与护孔花管之间的隔热密封材料，另一部分为填充在孔口单元加热花管与单元护孔花管之间的隔热密封材料。
优选的，所述加热药包中所装的加热药剂遇水后发生剧烈放热反应，在加热花管中释放大量高温热气，加热煤体的温度高达80～200℃，一次装药加热时间可维持1～3小时，加热半径为1.0～1.5m。所述加热药剂由混合均匀的氧化钙、铝、碳酸钠、碳酸氢钠及其他防氧化添加剂组成，确保氧化钙和铝占总量的80～95％，各组分粒径为0.1～2mm，并在充分混合后封装进无纺袋。
一种利用所述的促进瓦斯抽采的煤体加热装置施工的促进瓦斯抽采的煤体加热方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
S1、在煤层中交替布置加热孔和抽采孔，加热孔与抽采孔的间距为实际测定的抽采半径；
S2、为防止塌孔等导致无法或难以安装加热装置的情况出现，在施工加热孔的同时在加热孔内旋接安装单元护孔花管，并布设返水管，在加热孔的孔口与护孔花管之间填充隔热密封材料；
S3、将抽采孔封孔，并与矿井外抽采系统汇接，从抽采孔进行煤层内瓦斯抽采；
S4、在各单元加热花管内填充加热药包，将各单元加热花管首尾螺纹连接后送入护孔花管，孔底单元加热花管与孔底单元护孔花管通过螺纹连接与返水管形成回路，在孔口单元加热花管与单元护孔花管之间填充隔热密封材料完成封孔；
S5、通过第一阀门向加热花管内快速带压注水，直到返水管出水即停止注水，关闭第一阀门和第二阀门，加热药包遇水一定时间后发生剧烈放热反应，使管内温度迅速升高，并产生大量高温热气，高温热气通过加热花管释放，经由护孔花管进入煤体，从而快速高效的加热煤体，促进煤层瓦斯从大量难以抽采的吸附态瓦斯转化为容易抽采的游离态瓦斯；
S6、加热药包持续加热煤体1～3小时后，取出隔热密封材料，将各单元加热花管分段取出，回收失效药包后，将已填装加热药包的备用加热花管送入护孔花管内，进行再次煤体加热操作；
S7、各加热孔完成加热作业且确认安全后，把加热孔作为抽采孔，进行封孔并连接入矿井抽采管路，共同抽采煤层瓦斯。
优选的，所述加热孔和抽采孔交错布置在岩层限制的煤层中。
优选的，单元护孔花管加工透气孔时需保证内壁光滑，以及管内连接处光滑过度，确保加热花管在护管内滑动的流畅，不会因为加工时产生的金属碎屑划坏加热花管上的排气微孔或阻碍加热花管的滑动。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明装置结构设计科学合理，单元化螺纹连接设计在矿井内运输方便，安装布置操作简单，便于更换，加热药包反应可控、产热快、温度高、可回收，可以实现长时间高温加热，显著提高瓦斯抽采效率。
2、本发明各单元护孔花管间均通过螺纹连接，保证单元护孔花管连接的稳定性。孔中单元加热花管一端的内螺纹由一段细金属管连接，细金属管作为各单元加热花管的分隔节点，既保证各单元加热花管的独立性，使各单元加热花管独立反应加热煤体，不会出现反应药包堆积在管内某段从而导致加热不均；又保证了加热花管的整体性，细金属管联系了各单元加热花管，使各单元加热花管成为一个互相联系的整体，能确保同一时间段里各个单元加热花管中均发生反应，同时均匀加热煤体。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明中装置在加热孔内布置的结构示意图。
图2是本发明中加热孔和抽采孔的布置示意图。
图3是本发明中返水管处的局部放大图。
图4是本发明中加热孔孔口处的局部放大图。
附图标记说明：
1—加热孔； 2—抽采孔； 3—煤层；
4—岩层； 5—第一阀门； 6—第二阀门；
7—孔口单元加热花管； 8—返水管； 9—隔热密封层；
10—单元护孔花管； 11—-孔中单元加热花管； 12—孔底单元加热花管；
13—孔底单元护孔花管。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明提供了一种促进瓦斯抽采的煤体加热装置，包括设置在加热孔1内的护孔花管，所述加热孔1开设在由岩层4限制的煤层3中，所述护孔花管内设置加热花管，所述加热花管内填装加热药包，所述护孔花管和加热花管均为单元连接结构，所述加热花管的一端伸出加热孔1通过第一阀门5连接注水管，所述加热花管的另一端连通返水管8，所述返水管8的尾端伸出加热孔1并设置第二阀门6，所述注水管、加热花管和返水管8之间形成水流通路，所述加热孔1的孔口设置有隔热密封层9。
本实施例中，所述护孔花管由多个单元护孔花管10首尾螺纹连通构成，位于孔底的孔底单元护孔花管13端头为锥形，其余单元护孔花管10螺纹连接并整体连通，所述护孔花管用于支护加热孔1防止塌孔，同时为加热花管提供轨道、为高温热气加热煤体提供通道，所述单元护孔花管10上设置细长条状透气孔。孔底单元护孔花管13外径98mm、壁厚8mm，端头底部厚200mm、长2m，孔底单元护孔花管13底部加工直径为5mm的返水孔和一段宽30mm与孔底单元加热花管12匹配的左旋内螺纹，返水孔一端连通孔底单元加热花管12，一端连接返水管8；孔底单元护孔花管13上加工有30个宽6mm，长240mm的细长条状透气孔；孔底单元护孔花管13孔口加工有一段宽100mm的螺纹；单元护孔花管10外径98mm、壁厚8mm、长2m，单元护孔花管10上加工30个宽6mm、长240mm的细长条状透气孔，两端各加工宽100mm的内螺纹和外螺纹。
本实施例中，所述加热花管由多个单元加热花管首尾螺纹连接而成，位于孔底的孔底单元加热花管12为“细-粗”型，位于孔中位置的孔中单元加热花管11为“粗-细-粗”型，孔口单元加热花管7为“粗-细”型，所述孔底单元加热花管12螺纹连接在所述孔底单元护孔花管13的端头内，所述孔中单元加热花管11、孔口单元加热花管7与所述护孔花管的内腔之间保持间隙，所述加热花管上设置微型圆孔。孔底单元加热花管12粗管部分外径70mm、壁厚4mm、长2m，细管部分外径28mm、壁厚4mm、长50mm，细管部分左旋外螺纹宽30mm，粗管部分口部螺纹宽100mm；孔中单元加热花管11粗管部分外径70mm、壁厚4mm，装填加热药包一端长1.6m、另一端长0.2m，孔中单元加热花管11细管部分外径28mm、壁厚4mm，长0.2m，两端加工宽100mm的螺纹，靠近细管的一端加工内螺纹，另一端加工与之匹配的外螺纹；孔底单元加热花管12和孔中单元加热花管11管壁上均加工微小排气孔。孔口单元加热花管7粗管部分外径70mm、壁厚4mm、长0.2m，细管部分外径28mm、壁厚4mm、长2.4m，粗管管口加工宽100mm与单元加热花管螺纹相匹配的内螺纹。单元加热花管共36根，共长72.6m；单元护孔花管共36根，共长72m。
本实施例中，单元护孔花管10加工透气孔时需保证内壁光滑，以及管内连接处光滑过度，确保加热花管在护孔花管内滑动的流畅，不会因为加工时产生的金属碎屑划坏加热花管上的排气微孔或阻碍加热花管的滑动。
本实施例中，所述加热药包为多个且充填于加热花管内，相邻加热药包之间留有过水空隙。
本实施例中，所述隔热密封层9分两部分，一部分为填充在加热孔1的孔口与护孔花管之间的隔热密封材料，另一部分为填充在孔口单元加热花管7与单元护孔花管10之间的隔热密封材料。
本实施例中，所述加热药包中所装的加热药剂遇水后发生剧烈放热反应，在加热花管中释放大量高温热气，加热煤体的温度高达80～200℃，一次装药加热时间可维持1～3小时，加热半径为1.0～1.5m。所述加热药剂由混合均匀的氧化钙、铝、碳酸钠、碳酸氢钠及其他防氧化添加剂组成，确保氧化钙和铝占总量的80～95％，各组分粒径为0.1～2mm，并在充分混合后封装进无纺袋。
本发明还提供了一种利用所述的促进瓦斯抽采的煤体加热装置施工的促进瓦斯抽采的煤体加热方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
S1、在被岩层4限制的煤层3中交替布置加热孔1和抽采孔2，加热孔1与抽采孔2的间距为实际测定的抽采半径；
S2、为防止塌孔等导致无法或难以安装加热装置的情况出现，在施工加热孔1的同时在加热孔1内旋接安装单元护孔花管10，并布设返水管8，在加热孔1的孔口与护孔花管之间填充隔热密封材料；
S3、将抽采孔2封孔，并与矿井外抽采系统汇接，从抽采孔2进行煤层内瓦斯抽采；
S4、在各单元加热花管内填充加热药包，将各单元加热花管首尾螺纹连接后送入护孔花管，孔底单元加热花管12与孔底单元护孔花管13通过螺纹连接与返水管8形成回路，在孔口单元加热花管7与单元护孔花管10之间填充隔热密封材料完成封孔；
S5、通过第一阀门5向加热花管内快速带压注水，直到返水管8出水即停止注水，关闭第一阀门5和第二阀门6，加热药包遇水一定时间后发生剧烈放热反应，使管内温度迅速升高，并产生大量高温热气，高温热气通过加热花管释放，经由护孔花管进入煤体，从而快速高效的加热煤体，促进煤层瓦斯从大量难以抽采的吸附态瓦斯转化为容易抽采的游离态瓦斯；
S6、加热药包持续加热煤体2小时后，取出隔热密封材料，将各单元加热花管分段取出，回收失效药包后，将已填装加热药包的备用加热花管送入护孔花管内，进行再次煤体加热操作；
S7、各加热孔1完成加热作业且确认安全后，把加热孔1作为抽采孔，进行封孔并连接入矿井抽采管路，共同抽采煤层瓦斯。
本实施例中，所述加热孔1和抽采孔2交错布置在岩层4限制的煤层3中，加热孔1和抽采孔2的孔径均为110mm，孔深均为72m。抽采孔2采用聚氨酯封孔材料进行封孔，封孔深度为6m，然后利用钢丝胶管将抽采管汇接入矿井瓦斯抽采管路系统，进行抽采瓦斯，抽采钻孔孔口负压不得低于13kPa。
通过上述煤体加热和瓦斯抽采方式使加热孔内温度可达200℃以上，相邻抽采孔2温度可达80～100℃，钻孔抽采瓦斯浓度由原来30％左右提高到70％～80％，工作预抽瓦斯时间缩短了一半以上，瓦斯抽采率在60～80％，瓦斯抽采效率得到显著提高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种促进瓦斯抽采的煤体加热装置，其特征在于，包括设置在加热孔（1）内的护孔花管，所述加热孔（1）开设在被岩层（4）限制的煤层（3）中，所述护孔花管内设置加热花管，所述加热花管内填装加热药包，所述护孔花管和加热花管均为单元连接结构，所述加热花管的一端伸出加热孔（1）通过第一阀门（5）连接注水管，所述加热花管的另一端连接返水管（8），所述返水管（8）上设置第二阀门（6），所述注水管、加热花管和返水管（8）之间形成水流通路，所述加热孔（1）的孔口设置有隔热密封层（9）；
所述护孔花管由多个单元护孔花管（10）首尾螺纹连通而成，位于孔底的孔底单元护孔花管（13）端头为锥形，所述护孔花管用于支护加热孔（1），同时为加热花管提供轨道、为高温热气加热煤体提供通道，所述单元护孔花管（10）上设置细长条状透气孔；
所述加热花管由多个单元加热花管首尾螺纹连通而成，位于孔底的孔底单元加热花管（12）为“细-粗”型，位于孔中位置的孔中单元加热花管（11）为“粗-细-粗”型，位于孔口位置的孔口单元加热花管（7）为“粗-细”型，所述孔底单元加热花管（12）螺纹连接在所述孔底单元护孔花管（13）的端头内，所述孔中单元加热花管（11）、孔口单元加热花管（7）与所述护孔花管的内腔之间保持间隙，所述单元加热花管上设置微型圆孔；
所述孔底单元护孔花管（13）外径98mm、壁厚8mm，端头底部厚200mm、长2m，孔底单元护孔花管（13）底部加工直径为5mm的返水孔和一段宽30mm与孔底单元加热花管（12）匹配的左旋内螺纹，返水孔一端连通孔底单元加热花管（12），一端连接返水管（8）；孔底单元护孔花管（13）上加工有30个宽6mm，长240mm的细长条状透气孔；孔底单元护孔花管（13）孔口加工有一段宽100mm的螺纹；除孔底单元护孔花管（13）外的单元护孔花管（10）外径98mm、壁厚8mm、长2m，除孔底单元护孔花管（13）外的单元护孔花管（10）上加工30个宽6mm、长240mm的细长条状透气孔，两端各加工宽100mm的内螺纹和外螺纹；
孔底单元加热花管（12）粗管部分外径70mm、壁厚4mm、长2m，细管部分外径28mm、壁厚4mm、长50mm，细管部分左旋外螺纹宽30mm，粗管部分口部螺纹宽100mm；孔中单元加热花管（11）粗管部分外径70mm、壁厚4mm，装填加热药包一端长1.6m、另一端长0.2m，孔中单元加热花管（11）细管部分外径28mm、壁厚4mm，长0.2m，两端加工宽100mm的螺纹，靠近细管的一端加工内螺纹，另一端加工与之匹配的外螺纹；孔底单元加热花管（12）和孔中单元加热花管（11）管壁上均加工微小排气孔；孔口单元加热花管（7）粗管部分外径70mm、壁厚4mm、长0.2m，细管部分外径28mm、壁厚4mm、长2.4m，粗管管口加工宽100mm与单元加热花管螺纹相匹配的内螺纹。
2.根据权利要求1所述的一种促进瓦斯抽采的煤体加热装置，其特征在于，所述加热药包为多个且充填于单元加热花管内，相邻加热药包之间留有过水空隙。
3.根据权利要求1所述的一种促进瓦斯抽采的煤体加热装置，其特征在于，所述隔热密封层（9）分两部分，一部分为填充在加热孔（1）的孔口与护孔花管之间的隔热密封材料，另一部分为填充在孔口单元加热花管（7）与护孔花管之间的隔热密封材料。
4.一种如权利要求1-3中任一权利要求所述的促进瓦斯抽采的煤体加热装置用于促进瓦斯抽采的煤体加热方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
S1、在煤层中交替布置加热孔（1）和抽采孔（2），加热孔（1）与抽采孔（2）的间距为实际测定的抽采半径；
S2、在施工加热孔（1）的同时在加热孔（1）内旋接安装单元护孔花管（10），并布设返水管（8），在加热孔（1）的孔口与护孔花管之间填充隔热密封材料；
S3、将抽采孔（2）封孔，并与矿井外抽采系统汇接；
S4、在各单元加热花管内填充加热药包，将各单元加热花管首尾螺纹连接后送入护孔花管，孔底单元加热花管（12）与孔底单元护孔花管（13）通过螺纹连接与返水管（8）形成回路，在孔口单元加热花管（7）与单元护孔花管（10）之间填充隔热密封材料完成封孔；
S5、通过第一阀门（5）向加热花管内快速带压注水，直到返水管（8）出水即停止注水，通过加热药包遇水反应产生的高温热气加热煤体；
S6、加热药包持续加热煤体1~3小时后，取出隔热密封材料，将各单元加热花管分段取出，回收失效药包后，将已填装加热药包的备用加热花管送入护孔花管内，再次进行煤体加热操作；
S7、各加热孔（1）完成加热作业且确认安全后，把加热孔（1）作为抽采孔（2）进行封孔并连接入矿井抽采管路，共同抽采煤层瓦斯。
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