CN113062706A - 煤层瓦斯抽采系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层瓦斯抽采系统与方法，旨在将水从抽采瓦斯中分离出，实现瓦斯的提纯。该煤层瓦斯抽采系统，包括抽采管，所述抽采管上设有水气分离罐和抽采泵，所述抽采管抽采的瓦斯在所述水气分离罐内重力分离出液体后，从所述水气分离罐上部的排气口排出，所述水气分离罐的底端设有泄水口，所述泄水口的下方设有泄水阀芯，所述泄水阀芯通过弹性元件以一定的弹力封堵在所述泄水口上。
Description
技术领域
本发明属于瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种煤层瓦斯抽采系统与方法。
背景技术
断层构造破坏带煤体具有集中应力、封闭高能瓦斯且低透气性构造煤发育的特征。断层等构造改变了煤层应力和瓦斯环境与煤的物理结构，使得煤体呈现高比表面积、孔隙发育、高瓦斯赋存/释放能力和低力学强度等特征，同时使煤层处于高应力和高瓦斯条件，极易引发煤与瓦斯突出事故，严重制约煤矿的安全开采。
为消除瓦斯事故威胁与瓦斯抽放过程中瓦斯对于空气的污染，当前普遍采用瓦斯抽采的方法以达到消除煤层突出的同时增加瓦斯抽采用于为国民经济发展提供燃料。然而，由于煤层的透水透气性差，不仅增加了瓦斯抽采的难度，同时也不可避免的将大量的自由水抽出，造成抽采泵腐蚀，也使得大量的自由水抽入储存仓里，瓦斯储存非常困难。另外，瓦斯中水蒸汽、N2、CO2、H2S等杂质气体的参与也使得抽采的瓦斯纯度受到影响，制约了瓦斯的重新利用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种煤层瓦斯抽采系统与方法，旨在将水从抽采瓦斯中分离出，实现瓦斯的提纯。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
煤层瓦斯抽采系统，包括抽采管，所述抽采管上设有水气分离罐和抽采泵，所述抽采管抽采的瓦斯在所述水气分离罐内重力分离出液体后，从所述水气分离罐上部的排气口排出，所述水气分离罐的底端设有泄水口，所述泄水口的下方设有泄水阀芯，所述泄水阀芯通过弹性元件以一定的弹力封堵在所述泄水口上。
具体的，还包括内罐，所述内罐内形成有密闭的离心分离室，所述内罐上设有与所述离心分离室连通的第一出口、第二出口和瓦斯进口，所述瓦斯进口与所述抽采管连接；
所述离心分离室内设有旋转件，所述瓦斯在所述旋转件作用下在所述离心分离室中旋转，由此借助于离心力将质量不同的杂质气体与瓦斯分离开，并通过第一出口从所述离心分离室排放经清洁的瓦斯，以及通过第二出口从所述离心分离室排放所述杂质气体。
具体的，还包括套置在所述内罐外的外罐，所述外罐与所述内罐之间形成有密闭的杂质气体收集腔，所述第二出口与所述杂质气体收集腔连通，所述杂质气体收集腔通过收集管与杂质气体收集罐连通，所述收集管上设有收集泵。
具体的，所述离心分离室自下至上分为进气区、离心分离区和净化室区，所述第二出口均布布设在所述离心分离区的侧壁上，所述第一出口设置在所述净化室区的顶部上，所述瓦斯进口设置在所述进气区上。
具体的，所述离心分离区内设有多个沿所述内罐径向间隔布置的气体探头，所述气体探头和旋转件均与控制器连接。
具体的，所述净化室区的内底面为倾斜面，所述净化室区上位于所述倾斜面的最低位置处设有排水口，排水口通过管道与水气分离罐连接。
具体的，还包括煤层振动增透系统，所述煤层振动增透系统包括：
相变管，套置在所述抽采管的抽采端外，所述相变管与所述抽采端的管壁之间形成有储液腔，所述储液腔内填充有液态CO2；
加热元件，设置在所述储液腔中，用于对所述液态CO2加热；
泄能口，设置在所述相变管上；
电源，为所述加热元件供电。
具体的，所述抽采管的抽采端沿横截面圆周方向分隔为交替分布的第一电阻区、第一绝缘区、第二电阻区和第二绝缘区，所述抽采端的端部设有将所述第一电阻区和第二电阻区导通的导向环，所述第一电阻区、第二电阻区和导电环构成所述加热元件。
具体的，还包括瓦斯储存罐、瓦斯压缩泵和水蒸气冷凝器，所述第一出口通过瓦斯收集管依次与所述水蒸气冷凝器、瓦斯压缩泵和瓦斯储存罐连接。
具体的，所述泄水阀芯与所述泄水口锥面配合。
一种煤层瓦斯抽采方法，采用上述煤层瓦斯抽采系统进行抽采，包括：
将抽采管的抽采端插入钻孔并使用密封器将其密封，接着启动旋转件和抽采泵，对煤层进行瓦斯抽采，在抽采过程中瓦斯与水经过水气分离罐时，由于重力作用自由水将沉积在水气分离罐的底部，实现瓦斯的气液分离；
气液分离后的瓦斯将进入离心分离室，在旋转件提供的离心力作用下将质量不同的杂质气体与瓦斯分离开，并通过第一出口从离心分离室排放经清洁的瓦斯，以及通过第二出口从离心分离室排放杂质气体，实现瓦斯的提纯；
待管路中瓦斯抽采完成后，向相变管中注入液态CO2，启动电源，利用加热元件将液态CO2加热汽化，并经泄能口释放，对抽采钻孔表面施加爆破振动，使得瓦斯抽采钻孔周围产生裂隙与损伤，增加瓦斯的渗流通道进而增加瓦斯的抽采范围。
与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：含水的瓦斯被抽采至水气分离罐时，由于重力作用自由水将沉积在水气分离罐的底部，即可实现瓦斯的气液分离，而设置在水气分离罐底部泄水口上的泄水阀芯在不进行水的排放时始终处于带压状态，使得水气分离罐内无论放不放水都能够实现有水密封，瓦斯不会外泄，弹性元件初始工作的压力将决定水气分离罐内水柱高度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的煤层瓦斯抽采系统结构示意图；
图2是本发明实施例涉及的内罐和外罐结构示意图；
图3是本发明实施例涉及的煤层振动增透系统结构示意图；
其中：1、抽采管；2、水气分离罐；3、抽采泵；4、泄水口；5、泄水阀芯；6、弹性元件；7、内罐；8、离心分离室；801、进气区；802、离心分离区；803、净化室区；9、第一出口；10、第二出口；11、瓦斯进口；12、旋转件；13、气体探头；14、外罐；15、杂质气体收集腔；16、杂质气体收集罐；17、排水口；18、相变管；19、加热元件；20、泄能口；21、电源；22、瓦斯储存罐；23、瓦斯压缩泵；24、水蒸气冷凝器；25、密封器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参见图1和图2，一种煤层瓦斯抽采系统，包括抽采管1，抽采管1上设有水气分离罐2和抽采泵3，水气分离罐2的底端设有泄水口4，泄水口4的下方设有泄水阀芯5，泄水阀芯5通过弹性元件6以一定的弹力封堵在泄水口4上。
本实施例中，含水瓦斯被抽采至水气分离罐2时，由于重力作用自由水将沉积在水气分离罐2的底部，瓦斯将从水气分离罐2上部的排气口排出，实现瓦斯的气液分离，当水气分离罐2内水柱高度达到设定高度时，水压会推动封堵在泄水口4上的泄水阀芯5的头部，使其和泄水口4接触处被冲开实现泄水，当水气分离罐2内水柱高度降至设定高度以下时，弹性元件6将带动泄水阀芯5上移，重新将泄水口4封堵，由于设置在水气分离罐2底部泄水口4上的泄水阀芯5在不进行水的排放时始终处于带压状态，使得水气分离罐2内无论放不放水都能够实现有水密封，可以起到防止瓦斯外泄的目的，弹簧初始工作的压力将决定水气分离罐2内水柱高度。
具体的，水气分离罐2的底部设有支架，弹性元件6的底端与支架连接，顶端与泄水阀芯5连接，弹性元件6可以采用螺旋弹簧、橡胶弹簧等。
参见图1和图2，在一些实施例中，该煤层瓦斯抽采系统还包括内罐7，内罐7内形成有密闭的离心分离室8，内罐7上设有与离心分离室8连通的第一出口9、第二出口10和瓦斯进口11，瓦斯进口11与抽采管1连接，离心分离室8内设有旋转件12，瓦斯在旋转件12作用下在离心分离室8中旋转，由此借助于离心力将质量不同的杂质气体与瓦斯分离开，并通过第一出口9从离心分离室8排放经清洁的瓦斯，以及通过第二出口10从离心分离室8排放杂质气体。
本实施例中，气液分离后的瓦斯将进入离心分离室8，在旋转件12提供的离心力作用下将质量不同的H2S、N2等杂质气体与瓦斯分离开，并通过第一出口9从离心分离室8排放经清洁的瓦斯，以及通过第二出口10从离心分离室8排放杂质气体，使得流出瓦斯的CH4纯度增加。
具体的，本实施例中，旋转件12采用涡流扇，当然对于本领域技术人员来说，也可以采用其他能够实现离心分离的旋转元器件，在此不再赘述。此外，通过控制旋转件12的转速，也即控制离心力的大小，可以对流出瓦斯的CH4纯度进行控制。其次，为防止自由水腐蚀抽采泵3，抽采泵3设置在水气分离罐2的下游，并位于水气分离罐2和内罐7之间。
参见图2，在实际设计中，离心分离室8自下至上分为进气区801、离心分离区802和净化室区803，第二出口10均布布设在离心分离区802的侧壁上，第一出口9设置在净化室区803的顶部上，瓦斯进口11设置在进气区801上。本实施例中，在离心分离室8侧壁上沿气体的旋转路径设置有多个第二出口10，在离心力与抽气泵作用下，将H2S、N2等杂质气体排出，使得流出瓦斯的CH4纯度增加。
参见图1和图2，可以理解的是，在离心分离区802内还可以增设多个沿内罐7径向间隔布置的气体探头13，各个气体探头13和旋转件12均与控制器连接，多个气体探头13可以集成在同一支撑杆上。本实施例中，通过径向布置的多个气体探头13可以对离心分离区802内各个位置的气体分布情况进行测量，并将测量的数据反馈至控制器，进而通过控制器控制旋转件12的转速，实现离心力的调控，使得瓦斯的提纯效果达到最优。
参见图1和图2，在另一些实施例中，该煤层瓦斯抽采系统还包括套置在内罐7外的外罐14，外罐14与内罐7之间形成有密闭的杂质气体收集腔15，第二出口10与杂质气体收集腔15连通，杂质气体收集腔15通过收集管与杂质气体收集罐16连通，收集管上设有收集泵。
本实施例中，从离心分离区802离心分离出的H2S、N2等有害杂质气体经第二出口10进入杂质气体收集腔15进行收集，并在收集泵的泵压作用下抽至杂质气体收集罐16储存，抽采过程中，H2S、N2等有害气体不会外泄，可以保证抽采的安全性。
参见图1和图2，需要解释的是，在实际设计中，为方便内罐7内水的排出，可以将净化室区803的内底面设计为倾斜面，另外在净化室区803上位于倾斜面的最低位置处设有排水口17，排水口17通过管道与水气分离罐2连接。这样设计的优点在于：由于与自由水脱离的瓦斯夹杂有水蒸气，在涡流扇作用下实现空气在涡流系统内的旋转，由于水分子的质量大于瓦斯，在离心力的作用下，水在涡流系统的外围旋转并在内罐7腔室表面聚集沿着分离水槽流至内罐7底部，由于底部为倾斜设置，在重力作用下水将流至分离水的排水口17，并通过管道流入水气分离罐2内。
参见图1和图3，在另一些实施例中，该煤层瓦斯抽采系统还包括煤层振动增透系统，煤层振动增透系统包括相变管18、加热元件19、泄能口20和电源21，相变管18套置在抽采管1的抽采端外，相变管18与抽采端的管壁之间形成有储液腔，储液腔内填充有液态CO2，加热元件19设置在储液腔中，用于对液态CO2加热，泄能口20设置在相变管18上，以实现在CO2爆破时对钻孔周围均匀振动增透，电源21则通过导线与加热元件19连接，为加热元件19供电。
本实施例中，待管路中瓦斯抽采完成后，向相变管18中注入液态CO2，启动电源21对瓦斯抽采管1进行加热，对抽采钻孔表面进行CO2爆破振动，使得瓦斯抽采钻孔周围产生裂隙与损伤，增加瓦斯的渗流通道进而增加瓦斯的抽采范围。
具体的，抽采管1的抽采端沿横截面圆周方向分隔为交替分布的第一电阻区、第一绝缘区、第二电阻区和第二绝缘区，抽采端的端部设有将第一电阻区和第二电阻区导通的导向环，第一电阻区、第二电阻区和导电环构成加热元件19，直接抽采管1还充当相变管18的加热元件19，既能够抽采瓦斯又能够实现对液态CO2的电加热，结构简单。
参见图1，具体的，该煤层瓦斯抽采系统还包括瓦斯储存罐22、瓦斯压缩泵23和水蒸气冷凝器24，第一出口9通过瓦斯收集管依次与水蒸气冷凝器24、瓦斯压缩泵23和瓦斯储存罐22连接，从内罐7的第一出口9流出的含有少量水蒸气的瓦斯经水蒸气冷凝器24除水后，被瓦斯压缩泵23压缩至瓦斯储存罐22储存，其中，水蒸气与提纯后CH4气体的分离是使气体沿着弯曲路径进行冷却，以使得水蒸气固化。
本实施例改进抽采管1通过控制CO2爆破实现瓦斯的二次增抽，并通过重力、涡流与沿程冷却作用实现瓦斯主要成分CH4与水和N2、CO2、H2S等杂质气体的机械式分离与干燥，进而实现瓦斯的增抽、干燥与提纯。
参见图1-图3，本申请实施例还提供一种煤层瓦斯抽采方法，采用上述实施例煤层瓦斯抽采系统进行抽采，包括如下步骤：
将抽采管1的抽采端插入钻孔并使用密封器25将其密封，接着启动旋转件12和抽采泵3，对煤层进行瓦斯抽采，在抽采过程中瓦斯与水经过水气分离罐2时，由于重力作用自由水将沉积在水气分离罐2的底部，实现瓦斯的气液分离；
气液分离后的瓦斯将进入离心分离室8，在旋转件12提供的离心力作用下将质量不同的杂质气体与瓦斯分离开，并通过第一出口9从离心分离室8排放经清洁的瓦斯，以及通过第二出口10从离心分离室8排放杂质气体，实现瓦斯的提纯；
待管路中瓦斯抽采完成后，向相变管18中注入液态CO2，启动电源21，利用加热元件19将液态CO2加热汽化，并经泄能口20释放，对抽采钻孔表面施加爆破振动，使得瓦斯抽采钻孔周围产生裂隙与损伤，增加瓦斯的渗流通道进而增加瓦斯的抽采范围。
由于本申请煤层瓦斯抽采方法，采用上述实施例煤层瓦斯抽采系统进行抽采，因此至少具备上述实施例煤层瓦斯抽采系统具有的有益效果，在此不再赘述。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.煤层瓦斯抽采系统，包括抽采管(1)，其特征在于：所述抽采管(1)上设有水气分离罐(2)和抽采泵(3)，所述抽采管(1)抽采的瓦斯在所述水气分离罐(2)内重力分离出液体后，从所述水气分离罐(2)上部的排气口排出，所述水气分离罐(2)的底端设有泄水口(4)，所述泄水口(4)的下方设有泄水阀芯(5)，所述泄水阀芯(5)的头部呈锥形，并通过弹性元件(6)以一定的弹力封堵在所述泄水口(4)上。
2.根据权利要求1所述的煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：还包括内罐(7)，所述内罐(7)内形成有密闭的离心分离室(8)，所述内罐(7)上设有与所述离心分离室(8)连通的第一出口(9)、第二出口(10)和瓦斯进口(11)，所述瓦斯进口(11)与所述抽采管(1)连接；
所述离心分离室(8)内设有旋转件(12)，所述瓦斯在所述旋转件(12)作用下在所述离心分离室(8)中旋转，由此借助于离心力将质量不同的杂质气体与瓦斯分离开，并通过第一出口(9)从所述离心分离室(8)排放经清洁的瓦斯，以及通过第二出口(10)从所述离心分离室(8)排放所述杂质气体。
3.根据权利要求2所述的煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：还包括套置在所述内罐(7)外的外罐(14)，所述外罐(14)与所述内罐(7)之间形成有密闭的杂质气体收集腔(15)，所述第二出口(10)与所述杂质气体收集腔(15)连通，所述杂质气体收集腔(15)通过收集管与杂质气体收集罐(16)连通，所述收集管上设有收集泵。
4.根据权利要求3所述的煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：所述离心分离室(8)自下至上分为进气区(801)、离心分离区(802)和净化室区(803)，所述第二出口(10)均布布设在所述离心分离区(802)的侧壁上，所述第一出口(9)设置在所述净化室区(803)的顶部上，所述瓦斯进口(11)设置在所述进气区(801)上。
5.根据权利要求4所述的煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：所述离心分离区(802)内设有多个沿所述内罐(7)径向间隔布置的气体探头(13)，所述气体探头(13)和旋转件(12)均与控制器连接。
6.根据权利要求4所述的煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：所述净化室区(803)的内底面为倾斜面，所述净化室区(803)上位于所述倾斜面的最低位置处设有排水口(17)，所述排水口(17)通过管道与所述水气分离罐(2)连接。
7.根据权利要求2-6任一项所述的煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：还包括煤层振动增透系统，所述煤层振动增透系统包括：
相变管(18)，套置在所述抽采管(1)的抽采端外，所述相变管(18)与所述抽采端的管壁之间形成有储液腔，所述储液腔内填充有液态CO2；
加热元件(19)，设置在所述储液腔中，用于对所述液态CO2加热；
泄能口(20)，设置在所述相变管(18)上；
电源(21)，为所述加热元件(19)供电。
8.根据权利要求7所述的煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：所述抽采管(1)的抽采端沿横截面圆周方向分隔为交替分布的第一电阻区、第一绝缘区、第二电阻区和第二绝缘区，所述抽采端的端部设有将所述第一电阻区和第二电阻区导通的导向环，所述第一电阻区、第二电阻区和导电环构成所述加热元件(19)。
9.根据权利要求7所述的煤层瓦斯抽采系统，其特征在于：还包括瓦斯储存罐(22)、瓦斯压缩泵(23)和水蒸气冷凝器(24)，所述第一出口(9)通过瓦斯收集管依次与所述水蒸气冷凝器(24)、瓦斯压缩泵(23)和瓦斯储存罐(22)连接。
10.一种煤层瓦斯抽采方法，采用权利要求6-9任一项所述的煤层瓦斯抽采系统进行抽采，其特征在于，包括：
将抽采管(1)的抽采端插入钻孔并使用密封器将其密封，接着启动旋转件(12)和抽采泵(3)，对煤层进行瓦斯抽采，在抽采过程中瓦斯与水经过水气分离罐(2)时，由于重力作用自由水将沉积在水气分离罐(2)的底部，实现瓦斯的气液分离；
气液分离后的瓦斯将进入离心分离室(8)，在旋转件(12)提供的离心力作用下将质量不同的杂质气体与瓦斯分离开，并通过第一出口(9)从离心分离室(8)排放经清洁的瓦斯，以及通过第二出口(10)从离心分离室(8)排放杂质气体，实现瓦斯的提纯；
待管路中瓦斯抽采完成后，向相变管(18)中注入液态CO2，启动电源(21)，利用加热元件(19)将液态CO2加热汽化，并经泄能口(20)释放，对抽采钻孔表面施加爆破振动，使得瓦斯抽采钻孔周围产生裂隙与损伤，增加瓦斯的渗流通道进而增加瓦斯的抽采范围。
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