CN112696177B - 基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的使用方法 - Google Patents
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Abstract
基于压风系统的煤层瓦斯压换装置及方法，将高压气动泵和注水泵处于煤层的掘进工作面前的空间内；掘进工作面钻有注气孔，注气孔的周围钻有抽放孔；注气孔的内部填充有注气封堵器，抽放孔的内部填充有抽放封堵器；压风管路通过第一通气管连接高压气动泵，高压气动泵通过第二通气管向注气封堵器的储气腔里进行充气；注水泵通过注水管向注气封堵器和抽放封堵器的进水口充入高压水；瓦斯抽采主路连接有瓦斯抽采支路，瓦斯抽采支路伸入抽放孔并连接抽放封堵器，瓦斯抽采支路对煤层中置换的瓦斯进行抽取。本发明改变传统利用二氧化碳气体注入煤层的方式，利用压风管路里的混合气体作为注气源；降低了开采成本，提高了开采产能，适于大范围工业化应用。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的使用方法。
背景技术
注气压换是一种新兴的增产技术，其原理是向煤层注入CO2和N2，进而与CH4竞争吸附降低CH4有效分压，促进瓦斯解吸，并且注入的气体所产生的拉应力也可导致裂纹产生张性破坏，形成新的裂隙，增大了煤层透气性，从而提高煤层气采收率。
现有技术中，通常是通过向煤层中注入高压(5.5～8MPa)CO2进行压换煤层气，但由于CO2成本高、产能小，注入煤层后降低了煤体渗透性，且存在CO2突出隐患，仅适用于地面开发不可采煤层的煤层气。
目前常见的采用水泥砂浆和化学合成材料进行封孔均为不可逆，封孔材料会与孔内壁发生物理/化学变化，使得被凝固的仪器设备无法取出或者设备被损坏而无法重复使用，造成材料的浪费。
我国矿井普遍配备有压风系统，压风系统管路内的压缩空气(气压≤0.5MPa)易获取且供气量可保证，管路内的空气中同时含有丰富的N2(78％左右N2)。因此，用矿井压风系统的空气驱动瓦斯具有更广泛的适用性。但我国高瓦斯煤层瓦斯压力普遍大于1MPa，需更高压力的空气才能压换高瓦斯煤矿煤层瓦斯，此时压风系统内的压缩空气气压无法满足压换要求。
综上所述，亟需一种用于煤层瓦斯开采的新的运输技术方案。
发明内容
为此，本发明提供一种基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的使用方法，解决传统二氧化碳气体压换煤层瓦斯成本高、产能小的问题，同时解决传统封孔不可逆问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于压风系统的煤层瓦斯压换装置，包括压风管路、高压气动泵、注水泵和瓦斯抽采主路；所述高压气动泵和注水泵处于煤层的掘进工作面前的空间内；
所述掘进工作面钻有注气孔，所述注气孔的周围钻有抽放孔；所述注气孔的内部填充有注气封堵器，所述抽放孔的内部填充有抽放封堵器；
所述压风管路通过第一通气管连接所述高压气动泵，所述高压气动泵通过第二通气管向所述注气封堵器的储气腔里进行充气；所述注水泵通过注水管向所述注气封堵器和抽放封堵器的进水口充入高压水；
所述瓦斯抽采主路连接有瓦斯抽采支路，所述瓦斯抽采支路伸入所述抽放孔并连接所述抽放封堵器，瓦斯抽采支路对煤层中置换的瓦斯进行抽取。
作为基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的优选方案，所述注气封堵器和抽放封堵器外侧包裹有胶囊，胶囊设有进水口；注气封堵器和抽放封堵器的内部均设有容置空间，所述容置空间采用储气管，储气管内部设有储气腔。
作为基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的优选方案，所述第一通气管连接有泄压阀，所述泄压阀用于高压气动泵的泄压；
所述高压气动泵连接有增压阀和压力表；所述增压阀用于调节高压气动泵的工作压力；所述压力表用于监测高压气动泵的工作压力。
作为基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的优选方案，所述瓦斯抽采支路连接有闸阀，所述闸阀用于控制所述瓦斯抽采支路与瓦斯抽采主路的通断。
作为基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的优选方案，所述注水泵采用手动注水泵，所述手动注水泵配置有控制水阀；
所述第一通气管和第二通气管均采用高压胶管。
本发明还提供一种基于压风系统的煤层瓦斯压换方法，包括以下步骤：
(1)在掘进工作面迎头位置开凿注气孔和若干抽放孔，若干抽放孔分布在注气孔周围的预设范围内；
(2)将注气封堵器送入注气孔底部，通过注水泵向注气封堵器的进水口压入高压水，使注气封堵器的胶囊膨胀接触并挤压注气孔的孔壁进行封孔；将抽放封堵器送入抽放孔底部，通过注水泵向抽放封堵器的进水口压入高压水，使抽放封堵器的胶囊膨胀接触并挤压抽放孔的孔壁进行封孔；
(3)封孔后，将压风管路通过第一通气管连接高压气动泵，将高压气动泵通过第二通气管连接注气封堵器的储气腔，开启压风管路，通过高压气动泵将压风管路内的气体充入注气封堵器的储气腔里；
(4)通过增加高压气动泵的输送压力，使进入到注气封堵器气腔里气体释放并注入煤层；维持高压气动泵的压力至预设时间，使加压后的气体在煤层中充分扩散；
(5)开启瓦斯抽采支路的闸阀，将抽放孔内压出的瓦斯气体通过瓦斯抽采主路输出；
(6)抽采完成后，将注气封堵器和抽放封堵器胶囊内的水放出，使注气封堵器和抽放封堵器恢复原状并取出备用。
作为基于压风系统的煤层瓦斯压换方法的优选方案，所述注气孔的钻孔孔径大于注气封堵器胶囊膨胀前的直径，所述抽放孔的钻孔孔径大于抽放封堵器胶囊膨胀前的直径。
作为基于压风系统的煤层瓦斯压换方法的优选方案，所述抽放孔与注气孔之间的间距小于注气孔的孔深，抽放孔分布在注气孔的上下两侧，抽放孔之间的间距小于注气孔的孔深。
作为基于压风系统的煤层瓦斯压换方法的优选方案，所述注气封堵器和抽放封堵器的注水压力为2～3MPa。
作为基于压风系统的煤层瓦斯压换方法的优选方案，所述高压气动泵输送的气体压力大于1.6Mpa。
本发明技术方案将高压气动泵和注水泵处于煤层的掘进工作面前的空间内；掘进工作面钻有注气孔，注气孔的周围钻有抽放孔；注气孔的内部填充有注气封堵器，抽放孔的内部填充有抽放封堵器；压风管路通过第一通气管连接高压气动泵，高压气动泵通过第二通气管向注气封堵器的储气腔里进行充气；注水泵通过注水管向注气封堵器和抽放封堵器的进水口充入高压水；瓦斯抽采主路连接有瓦斯抽采支路，瓦斯抽采支路伸入抽放孔并连接抽放封堵器，瓦斯抽采支路对煤层中置换的瓦斯进行抽取。本发明改变传统利用二氧化碳气体注入煤层的方式，创新性的在井下利用压风管路里的混合气体作为注气源；通过对压风光路内的混合气体加压进行高瓦斯煤矿煤层瓦斯压环，降低了开采成本，提高了开采产能；本发明利用加压后的水使封堵器的胶囊膨胀，更好地封堵了钻孔；当封孔任务完成之后将水放出，封堵器可恢复原状取出，达到可以重复使用的效果；本发明安全高效，适用于大范围的工业化应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例中提供的基于压风系统的煤层瓦斯压换装置示意图；
图2为本发明实施例中提供的基于压风系统的煤层瓦斯压换装置采用的封堵器示意图；
图3为本发明实施例中提供的基于压风系统的煤层瓦斯压换方法流程示意图。
图中，1、压风管路；2、高压气动泵；3、注水泵；4、瓦斯抽采主路；5、掘进工作面；6、注气孔；7、抽放孔；8、注气封堵器；9、抽放封堵器；10、瓦斯抽采支路；11、第一通气管；12、泄压阀；13、第二通气管；14、增压阀；15、压力表；16、闸阀。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，提供一种基于压风系统的煤层瓦斯压换装置，包括压风管路1、高压气动泵2、注水泵3和瓦斯抽采主路4；所述高压气动泵2和注水泵3处于煤层的掘进工作面5前的空间内；
所述掘进工作面5钻有注气孔6，所述注气孔6的周围钻有抽放孔7；所述注气孔6的内部填充有注气封堵器8，所述抽放孔7的内部填充有抽放封堵器9；
所述压风管路1通过第一通气管11连接所述高压气动泵2，所述高压气动泵2通过第二通气管13向所述注气封堵器8的储气腔里进行充气；所述注水泵3通过注水管向所述注气封堵器8和抽放封堵器9的进水口充入高压水；
所述瓦斯抽采主路4连接有瓦斯抽采支路10，所述瓦斯抽采支路10伸入所述抽放孔7并连接所述抽放封堵器9，瓦斯抽采支路10对煤层中置换的瓦斯进行抽取。
辅助图2，本实施例中，所述注气封堵器8和抽放封堵器9外侧包裹有胶囊，胶囊设有进水口；注气封堵器8和抽放封堵器9的内部均设有容置空间，所述容置空间采用储气管，储气管内部设有储气腔。注气孔6的钻孔孔径大于注气封堵器8胶囊膨胀前的直径，抽放孔7的钻孔孔径大于抽放封堵器9胶囊膨胀前的直径。通过注水泵3分别向注气封堵器8和抽放封堵器9的胶囊内注入高压水，注气封堵器8的胶囊膨胀接触并挤压注气孔6的孔壁进行封孔，抽放封堵器9的胶囊膨胀接触并挤压抽放孔7的孔壁进行封孔，从而起到封堵作用。
具体的，胶囊可以采用软硅胶材质，冲水后可以膨胀，同时储气管也采用耐高压材料制作，比如PU材质，储气管内部为储存高压混合气体的储气腔。
具体的，所述第一通气管11和第二通气管13均采用高压胶管。高压胶管可以采用钢丝缠绕胶管，由内胶层、中胶层、四层或多层交替缠绕的钢丝增强层和外胶层组成，内胶层具有使输送介质承受压力，保护钢丝不受侵蚀的作用，外胶层保护钢丝不受损伤，钢丝层起到骨架材料起增强作用。
本实施例中，所述第一通气管11连接有泄压阀12，所述泄压阀12用于高压气动泵2的泄压；所述高压气动泵2连接有增压阀14和压力表15；所述增压阀14用于调节高压气动泵2的工作压力；所述压力表15用于监测高压气动泵2的工作压力。泄压阀12和增压阀14的设置，满足压风管路1内气体的泄压及增压，通过压力表15的表盘可以随时掌控进行压换的气体压力。
具体的，所述瓦斯抽采支路10连接有闸阀16，所述闸阀16用于控制所述瓦斯抽采支路10与瓦斯抽采主路4的通断。开启瓦斯抽采支路10上的闸阀16进行瓦斯抽采，抽采注气时压换的瓦斯，在往注气孔6注气的过程中，瓦斯抽采支路10上的闸阀16一直呈开启的状态，持续不断的进行瓦斯抽采。通过注气孔6与抽放孔7交替协同作用，更好地实现了瓦斯的高效抽采。
本实施例中，所述注水泵3采用手动注水泵，所述手动注水泵配置有控制水阀。手动注水泵与注气封堵器8和抽放封堵器9的进水口相连通，通过手动注水泵压入高压水，使封堵器的胶囊膨胀，胶囊与钻孔壁充分接触，挤压钻孔壁，达到封孔效果。当打开手动注水泵上的控制水阀时，胶囊内水可以放出，封堵器可以恢复原状并取出再利用。
参见图3，本发明还提供一种基于压风系统的煤层瓦斯压换方法，包括以下步骤：
S1、在掘进工作面5迎头位置开凿注气孔6和若干抽放孔7，若干抽放孔7分布在注气孔6周围的预设范围内；
S2、将注气封堵器8送入注气孔6底部，通过注水泵3向注气封堵器8的进水口压入高压水，使注气封堵器8的胶囊膨胀接触并挤压注气孔6的孔壁进行封孔；将抽放封堵器9送入抽放孔7底部，通过注水泵3向抽放封堵器9的进水口压入高压水，使抽放封堵器9的胶囊膨胀接触并挤压抽放孔7的孔壁进行封孔；
S3、封孔后，将压风管路1通过第一通气管11连接高压气动泵2，将高压气动泵2通过第二通气管13连接注气封堵器8的储气腔，开启压风管路1，通过高压气动泵2将压风管路1内的气体充入注气封堵器8的储气腔里；
S4、通过增加高压气动泵2的输送压力，使进入到注气封堵器8气腔里气体释放并注入煤层；维持高压气动泵2的压力至预设时间，使加压后的气体在煤层中充分扩散；
S5、开启瓦斯抽采支路10的闸阀16，将抽放孔7内压出的瓦斯气体通过瓦斯抽采主路4输出；
S6、抽采完成后，将注气封堵器8和抽放封堵器9胶囊内的水放出，使注气封堵器8和抽放封堵器9恢复原状并取出备用。
具体的，所述注气孔6的钻孔孔径大于注气封堵器8胶囊膨胀前的直径，所述抽放孔7的钻孔孔径大于抽放封堵器9胶囊膨胀前的直径。从而可以方便的将注气封堵器8送入到注气孔6，及方便的将抽放封堵器9送入到抽放孔7，注气封堵器8胶囊膨胀后对注气孔6封堵，抽放封堵器9胶囊膨胀后对抽放孔7封堵。
本实施例中，所述抽放孔7与注气孔6之间的间距小于注气孔6的孔深，抽放孔7分布在注气孔6的上下两侧，抽放孔7之间的间距小于注气孔6的孔深。可以根据具体的实际情况进行注气孔6和抽放孔7的钻孔深度，瓦斯抽放孔7布置在注气孔6两侧，使压换出的瓦斯能够有效渗流到抽放孔7。
本实施例中，所述注气封堵器8和抽放封堵器9的注水压力为2～3Mpa，保证注气封堵器8和抽放封堵器9的胶囊充分进行封堵。同时，高压气动泵2输送的气体压力大于1.6Mpa，以有效进行煤层瓦斯压换。
本实施例中，压风管路1内压缩的混合气体进入煤层后会提高煤层的渗透性，拓宽煤层瓦斯的渗流通道，压换煤层瓦斯，提高煤层瓦斯抽采率。本发明能够实现利用压风管路1里的混合气体来代替CO2 气体进行压换煤层瓦斯，并将气体增压，达到更好的压换效果。本发明技术方案将高压气动泵2和注水泵3处于煤层的掘进工作面5前的空间内；掘进工作面5钻有注气孔6，注气孔6的周围钻有抽放孔7；注气孔6的内部填充有注气封堵器8，抽放孔7的内部填充有抽放封堵器9；压风管路1通过第一通气管11连接高压气动泵2，高压气动泵2通过第二通气管13向注气封堵器8的储气腔里进行充气；注水泵3通过注水管向注气封堵器8和抽放封堵器9的进水口充入高压水；瓦斯抽采主路4连接有瓦斯抽采支路10，瓦斯抽采支路10伸入抽放孔7并连接抽放封堵器9，瓦斯抽采支路10对煤层中置换的瓦斯进行抽取。本发明改变传统利用二氧化碳气体注入煤层的方式，创新性的在井下利用压风管路1里的混合气体作为注气源；通过对压风光路内的混合气体加压进行高瓦斯煤矿煤层瓦斯压环，降低了开采成本，提高了开采产能；本发明利用加压后的水使封堵器的胶囊膨胀，更好地封堵了钻孔；当封孔任务完成之后将水放出，封堵器可恢复原状取出，达到可以重复使用的效果；本发明安全高效，适用于大范围的工业化应用。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的使用方法，其特征在于，包括压风管路（1）、高压气动泵（2）、注水泵（3）和瓦斯抽采主路（4）；所述高压气动泵（2）和注水泵（3）处于煤层的掘进工作面（5）前的空间内；
所述掘进工作面（5）钻有注气孔（6），所述注气孔（6）的周围钻有抽放孔（7）；所述注气孔（6）的内部填充有注气封堵器（8），所述抽放孔（7）的内部填充有抽放封堵器（9）；
所述压风管路（1）通过第一通气管（11）连接所述高压气动泵（2），所述高压气动泵（2）通过第二通气管（13）向所述注气封堵器（8）的储气腔里进行充气；所述注水泵（3）通过注水管向所述注气封堵器（8）和抽放封堵器（9）的进水口充入高压水；
所述瓦斯抽采主路（4）连接有瓦斯抽采支路（10），所述瓦斯抽采支路（10）伸入所述抽放孔（7）并连接所述抽放封堵器（9），瓦斯抽采支路（10）对煤层中置换的瓦斯进行抽取；
所述注气封堵器（8）和抽放封堵器（9）外侧包裹有胶囊，胶囊设有进水口；注气封堵器（8）和抽放封堵器（9）的内部均设有容置空间，所述容置空间采用储气管，储气管内部设有储气腔；注气封堵器（8）工作时储气腔里充气，胶囊中充水；
胶囊采用软硅胶材质，储气管采用PU材质；
具体步骤为：
（1）在掘进工作面（5）迎头位置开凿注气孔（6）和若干抽放孔（7），若干抽放孔（7）分布在注气孔（6）周围的预设范围内；
（2）将注气封堵器（8）送入注气孔（6）底部，通过注水泵（3）向注气封堵器（8）的进水口压入高压水，使注气封堵器（8）的胶囊膨胀接触并挤压注气孔（6）的孔壁进行封孔；将抽放封堵器（9）送入抽放孔（7）底部，通过注水泵（3）向抽放封堵器（9）的进水口压入高压水，使抽放封堵器（9）的胶囊膨胀接触并挤压抽放孔（7）的孔壁进行封孔；
（3）封孔后，将压风管路（1）通过第一通气管（11）连接高压气动泵（2），将高压气动泵（2）通过第二通气管（13）连接注气封堵器（8）的储气腔，开启压风管路（1），通过高压气动泵（2）将压风管路（1）内的气体充入注气封堵器（8）的储气腔里；
（4）通过增加高压气动泵（2）的输送压力，使进入到注气封堵器（8）气腔里气体释放并注入煤层；维持高压气动泵（2）的压力至预设时间，使加压后的气体在煤层中充分扩散；
（5）开启瓦斯抽采支路（10）的闸阀（16），将抽放孔（7）内压出的瓦斯气体通过瓦斯抽采主路（4）输出；
所述第一通气管（11）连接有泄压阀（12），所述泄压阀（12）用于高压气动泵（2）的泄压；所述高压气动泵（2）连接有增压阀（14）和压力表（15）；所述增压阀（14）用于调节高压气动泵（2）的工作压力；所述压力表（15）用于监测高压气动泵（2）的工作压力；所述瓦斯抽采支路（10）连接有闸阀（16），所述闸阀（16）用于控制所述瓦斯抽采支路（10）与瓦斯抽采主路（4）的通断；所述注水泵（3）采用手动注水泵，所述手动注水泵配置有控制水阀；所述第一通气管（11）和第二通气管（13）均采用高压胶管。
2.根据权利要求1所述的基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的使用方法，其特征在于，所述注气孔（6）的钻孔孔径大于注气封堵器（8）胶囊膨胀前的直径，所述抽放孔（7）的钻孔孔径大于抽放封堵器（9）胶囊膨胀前的直径。
3.根据权利要求1所述的基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的使用方法，其特征在于，所述抽放孔（7）与注气孔（6）之间的间距小于注气孔（6）的孔深，抽放孔（7）分布在注气孔（6）的上下两侧，抽放孔（7）之间的间距小于注气孔（6）的孔深。
4.根据权利要求1所述的基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的使用方法，其特征在于，所述注气封堵器（8）和抽放封堵器（9）的注水压力为2~3MPa。
5.根据权利要求1所述的基于压风系统的煤层瓦斯压换装置的使用方法，其特征在于，所述高压气动泵（2）输送的气体压力大于1.6Mpa。
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