CN117432461A

CN117432461A - 一种钻孔瓦斯脉冲式抽采装置及抽采方法

Info

Publication number: CN117432461A
Application number: CN202311726015.1A
Authority: CN
Inventors: 张兴华; 谢爱豪; 张柏林
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2023-12-15
Filing date: 2023-12-15
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2043-12-15
Also published as: CN117432461B

Abstract

本发明涉及瓦斯抽采技术领域，具体是一种钻孔瓦斯脉冲式抽采装置及抽采方法。包括：机械脉冲装置，用于提供脉冲式高压气体；气体传输管道，所述气体传输管道一端设置在瓦斯钻孔外，并与机械脉冲装置连接，另一端设置在瓦斯钻孔内；抽采瓦斯管道，所述抽采瓦斯管道一端设置在瓦斯钻孔外，另一端设置在瓦斯钻孔内，抽采瓦斯管道设置在瓦斯钻孔内的一端设置有瓦斯抽采进气口和转弯气体进口；气体转弯管道，所述气体转弯管道设置在瓦斯钻孔内，连接气体传输管道和抽采瓦斯管道的转弯气体进口之间。本发明利用文丘里效应抽采瓦斯相较于传统的瓦斯抽采方式具有更高的效率。

Description

一种钻孔瓦斯脉冲式抽采装置及抽采方法

技术领域

本发明涉及瓦斯抽采技术领域，具体是一种钻孔瓦斯脉冲式抽采装置及抽采方法。

背景技术

煤层瓦斯抽采技术是指在地面或井下建立瓦斯泵站，经井下抽采瓦斯管道系统与抽采钻孔连接，泵运转时造成负压，将瓦斯抽出，送入瓦斯罐，或直接供给用户的一项瓦斯治理技术。

传统的瓦斯泵站是由多个设备组成,设置在地面或井下，通常瓦斯泵站十分庞大，因此一旦建成，如果想要移动将会十分困难，需要进行繁琐的拆卸与组装。瓦斯抽采管路通常都有上万米的长度，管路连接会非常之多，而每两个管道连接处都有可能导致漏气，影响瓦斯抽采效率，当发生漏气时检修人员排查问题管路的过程十分繁琐且效率较低。同时管路的维护也比较麻烦，要经常对管道进行除渣，并且要对管道内部刷防腐漆。由于抽采管路都是金属，长时间的在井下工作易生锈而由于抽采管路系统十分庞大，管道生锈后全部更换代价极大。虽然瓦斯抽采量正在逐年上升，但是煤矿瓦斯抽采效率仍然十分低下，我国只有近5%的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层是高透气煤层，超过95%的矿井所开采的煤层为低透气煤层，由于透气性较低，只能勉强抽采，甚至难以抽采，伸入抽采钻孔的管道相互之间采取并联的方式，虽然可以提高抽采效率但缺点也十分明显，当其中一个管路发生漏气与外界联通，将会极大的影响与之并联管路的抽采效率。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种钻孔瓦斯脉冲式抽采装置及抽采方法。

本发明采取以下技术方案：一种钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，包括：

机械脉冲装置，用于提供脉冲式高压气体；

气体传输管道，所述气体传输管道一端设置在瓦斯钻孔外，并与机械脉冲装置连接，另一端设置在瓦斯钻孔内；

抽采瓦斯管道，所述抽采瓦斯管道一端设置在瓦斯钻孔外，另一端设置在瓦斯钻孔内，抽采瓦斯管道设置在瓦斯钻孔内的一端设置有瓦斯抽采进气口和转弯气体进口；

气体转弯管道，所述气体转弯管道设置在瓦斯钻孔内，连接在气体传输管道和抽采瓦斯管道的转弯气体进口之间。

机械脉冲装置包括：

箱体，箱体一侧设置脉冲进气口，另一侧设置脉冲出气口；

集风装置，所述集风装置一端为集风进气口，集风进气口面对脉冲进气口；另一端为集风出气口，集风出气口面对脉冲出气口；

挡风板，挡风板中部铰接固定在集风装置上方，挡风板绕铰接端旋转，挡风板前端设置挡风凹槽，挡风板后端上方设置回位弹簧；

挡风板旋转时包括第一位置和第二位置，挡风板旋转到第一位置时，前端的挡风凹槽挡在脉冲进气口和集风进气口之间；挡风板旋转到第二位置时，挡风板后端挡在集风出气口和脉冲出气口之间。

回位弹簧中心位置设置弹簧限位柱。

挡风板后端上侧设置反弹凹槽。

集风装置为集风进气口截面面积大于集风出气口的变径结构。

气体转弯管道包括：

气体传输通道，用于与气体传输管道连通；

气体转弯通道，所述气体转弯通道进口与气体传输通道连通，出口与抽采瓦斯管道的转弯气体进口连通，气体转弯通道是内壁光滑且出入口呈180°的半圆管道；

与气体转弯通道出口相连的抽采瓦斯管道的转弯气体进口有一段与转弯后气体平行的内壁，且气体转弯通道与转弯气体进口的直径相等。

气体传输管道的内径与气体传输通道的内径相同。

气体传输管道以及抽采瓦斯管道设置在进出气体管道内。

一种抽采方法，采用所述的钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，包括以下步骤：

S100：抽采装置安装在瓦斯钻孔中，利用机械脉冲装置为气体传输管道提供高压脉冲式气体；

S200：高压脉冲式气体以此从气体传输管道和气体转弯管道进入抽采瓦斯管道后，在抽采瓦斯管道内形成一段负压区，由于抽采瓦斯管道内的气体压强小，瓦斯钻孔外部煤层中的瓦斯气体被吸入抽采瓦斯管道与管内高压气体混合，随后混合气体一起排出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的抽采装置结构简单，安装方便，不同于传统的抽出式瓦斯抽采方式，使用本发明后将不需要再设置瓦斯抽采泵站，而是利用井下通风系统提供动力，实现压入式瓦斯抽采。由于采用压入式通风的抽采方式，各个抽采管路并联时，即使一个管路漏气也不影响其他管路的抽采效率。本发明利用文丘里效应抽采瓦斯相较于传统的瓦斯抽采方式具有更高的效率。当某个管路损坏或达到使用年限需要更换时，可以便捷的进行更换。工作时只需关注压风与抽采装置之间的管路即可，不需要大规模的监控，维护与检修也比较简单方便。

本发明设计了一个机械式脉冲装置，利用脉冲气流的瓦斯抽采方式极大程度的节省了能源，并且相较于施加恒载的抽采方式，施加可变荷载使用脉冲气流抽采瓦斯极大的提高了瓦斯抽采的效率。

本发明将抽采装置与脉冲装置结合，有效的节省了用于瓦斯抽采的资金投入，提高了瓦斯抽采的效率，并且很大程度上节省了能源，简化了瓦斯抽采系统。使其变得操作简单，维护方便。

非脉冲的气体抽采瓦斯，抽采时施加恒定荷载，能够以稳定的负压对瓦斯进行抽采，是瓦斯抽采的惯用手段。而脉冲式高压气体可以充分利用气体的惯性使其能量转化达到最大，同时由于气体惯性，脉冲式的高速高压气体相对于非脉冲式的气体能够产生更大的风速，这也就说明脉冲式的高压气体可以产生更大的负压，能够一定程度上提高瓦斯抽采的效率。脉冲式瓦斯抽采消耗较少的高压气体产生更大的抽吸力，节约了能源，提高了能量转化率。

附图说明

图1是本发明脉冲装置结构示意图

图2是本发明脉冲装置左视图；

图3是本发明脉冲装置右视图；

图4是本发明脉冲装置挡风板立体图；

图5是本发明脉冲装置集风装置立体图；

图6是本发明抽采装置立体图；

图7是本发明抽采装置结构示意图；

图8是本发明抽采装置左视图；

图9是本发明抽采装置右视图；

图10是本发明的总体平面图；

注：图中箭头方向均指气流方向；

图标：1-箱体，2-挡风凹槽，3-脉冲进气口，4-集风进气口，5-集风装置，6-集风出气口，7-反弹凹槽，8-脉冲出气口，9-回位弹簧，10-弹簧限位柱，11-挡风板，12-挡风板转轴，13-挡风板限位圆柱，14-挡风板固定装置凹槽，15-进出气体管道，16-抽采瓦斯管道，17-气体传输管道，18-气体转弯管道，19-气体传输通道，20-气体转弯通道，21-转弯气体进口，22-瓦斯抽采进气口，23-负压区，24-高压气体流向I，25-高压气体流向II，26-高压气体流向III。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

一种钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，包括：

机械脉冲装置，用于提供脉冲式高压气体；

气体传输管道17，所述气体传输管道17一端设置在瓦斯钻孔外，并与机械脉冲装置连接，另一端设置在瓦斯钻孔内；

抽采瓦斯管道16，所述抽采瓦斯管道16一端设置在瓦斯钻孔外，另一端设置在瓦斯钻孔内，抽采瓦斯管道16设置在瓦斯钻孔内的一端设置有瓦斯抽采进气口22和转弯气体进口21；

气体转弯管道18，所述气体转弯管道18设置在瓦斯钻孔内，连接在气体传输管道17和抽采瓦斯管道16的转弯气体进口21之间。

气体传输管道17、抽采瓦斯管道16以及气体转弯管道18伸入瓦斯钻孔中，用于瓦斯抽采。

气体传输管道17以及抽采瓦斯管道16设置在进出气体管道15内。

如图1所示，机械脉冲装置包括：

箱体1，箱体1一侧设置脉冲进气口3，另一侧设置脉冲出气口8；

集风装置5，所述集风装置5一端为集风进气口4，集风进气口4面对脉冲进气口3；另一端为集风出气口6，集风出气口6面对脉冲出气口8；

挡风板11，挡风板11中部铰接固定在集风装置5上方，挡风板11可以绕铰接端旋转，挡风板11前端设置挡风凹槽2，挡风板11后端上方设置回位弹簧9；

挡风板11旋转时包括第一位置和第二位置，挡风板11旋转到第一位置时，前端的挡风凹槽2挡在脉冲进气口3和集风进气口4之间；挡风板11旋转到第二位置时，挡风板11后端挡在集风出气口6和脉冲出气口8之间。

回位弹簧9中心位置设置弹簧限位柱10。

挡风板11后端上侧设置反弹凹槽7。

集风装置5为集风进气口4截面面积大于集风出气口6的变径结构。

具体地，箱体1是一个长方体且内部镂空的结构，箱体1的顶板由四个螺钉固定在箱体侧壁上，脉冲装置的顶板可拆卸，顶板上设有四个螺钉，用于固定和拆卸顶板，便于拆卸和安装脉冲装置的内部结构。箱体1顶板内侧设置了一个挡风板固定装置凹槽14用来固定下方的挡风板11，箱体1顶板另一个凹槽用来连接弹簧限位柱10和回位弹簧9。箱体1右侧的脉冲出气口8用来输出脉冲式高压气体，箱体1左侧是脉冲进气口3用来输入压风管道中高压气体。挡风板11的挡风凹槽2是半圆型凹槽，在进气时高压气体打在挡风凹槽2中可以为挡风板11施加一定的向下的压力，帮助挡风板11抬起，同时在挡风板11抬起时可以挡住进气口3。随后向右是集风装置5（如图1所示），集风装置5左侧是集风进气口4右侧是集风出气口5，集风装置5与箱体1的底板紧密贴合，集风装置5右侧的集风出气口5与上方挡风板11底部留有少量空隙，防止挡风板11运动时与之撞击。集风装置5可以防止高压气流向四周扩散，使气流可以打在挡风板11上抬起挡风板11。再右侧是脉冲出气口8，用来输出高压气体。箱体1上方左侧设置了一个限制挡风板11位置的挡风板限位圆柱13，挡风板限位圆柱13上端与挡风板固定装置凹槽14连接固定，挡风板限位圆柱13下端通过挡风板转轴12与挡风板11铰接连接，使挡风板11固定在该位置防止其左右摆动，但不限制其上下摆动。回位弹簧9和弹簧限位柱10的上端焊接在一起然后共同焊接在顶板的凹槽内。回位弹簧9的长度大于弹簧限位柱10的长度，保证限位柱10限制回位弹簧9左右摇摆的同时又不影响回位弹簧9底端与挡风板11上方反弹凹槽7接触收缩，对挡风板11施加向下的弹力。回位弹簧9底端直径比反弹凹槽7的直径小，回位弹簧9接触挡风板11时使其底端卡在反弹凹槽7内，防止回位弹簧9压缩时滑动影响挡风板11回弹。

图2为脉冲装置左视图，脉冲进气口3连接压风管道提供高压气体。图3为脉冲装置右视图，脉冲出气口8与气体传输管道17通过管道连接，提供脉冲式的高压气体。

图4是本发明脉冲装置挡风板11，挡风板11上侧的挡风板转轴12用于固定挡风板11垂直高度，并且使挡风板11可以转动，挡风板11右侧为容纳回位弹簧9底部的反弹凹槽7。挡风板11左端是挡风凹槽2用于挡住进气口，并在气流的作用下为挡风板11提供向下的推力。

图5是集风装置5上侧与左右两侧密闭，两侧底端与外壳底部焊接，形成一个密闭的通道，使气体可以以固定的方向前进。

脉冲装置的工作原理是脉冲进气口3连接压风管路，压风中的高压气流首先流入集风进气口4，经过集风装置的通道由集风出气口6流出然后打在挡风板11底部（挡风板11初始状态如图1所示），挡风板11右侧由于风力作用向上抬起，抬起到一定程度后，挡风板11上端反弹凹槽7与回位弹簧9卡死，随后持续压缩回位弹簧9，直到脉冲进气口3被挡风板11挡风凹槽2堵住后，此时一部分高压气流已经从脉冲出气口8流出，挡风板11底部失去力的作用，收缩的回位弹簧9由于惯性继续收缩一点距离达到极限后开始对挡风板11施加一个向下的压力，挡风板11在弹力的作用下瞬间回到初始位置，如此往复可以实现脉冲式压风。

如图6、7所示，气体转弯管道18包括：

气体传输通道19，用于与气体传输管道17连通；

气体转弯通道20，所述气体转弯通道20进口与气体传输通道19连通，出口与抽采瓦斯管道16的转弯气体进口21连通，气体转弯通道20是内壁光滑且出入口呈180°的半圆管道；

与气体转弯通道20出口相连的抽采瓦斯管道16的转弯气体进口21有一段与转弯后气体平行的内壁，且气体转弯通道20与转弯气体进口21的直径相等。

气体传输管道17的内径与气体传输通道19的内径相同。

气体传输管道17以及抽采瓦斯管道16设置在进出气体管道15内，所述进出气体管道15的外径与瓦斯钻孔的直径相同。

如图7所示，气体传输管道17的进气口连接脉冲出气口8，为装置提供脉冲式高压气体。高压气体经过气体传输管道17进入气体传输通道19，这两个管道的直径相等，并且都是笔直管道，便于气体传输。紧接着气体会进入气体转弯通道20，气体转弯通道20是内壁光滑且出入口呈180°的一个半圆管道，光滑的半圆管道可以防止气体有过大的能量损耗，以保证气流的速度。高压气体完成180°转弯后会流入抽采瓦斯管道16，其中与气体转弯通道20出口相连的抽采瓦斯管道16的转弯气体进口21有一段与转弯后气体平行的内壁，且气体转弯通道20与转弯气体进口21的直径相等，保证转弯后的气体可以有向抽采瓦斯管道16出气口前进的初速度。高压气流从气体转弯通道20流出后会在抽采瓦斯管道16内形成一片负压区23，由于气压作用，外界的瓦斯气体会通过瓦斯抽采进气口22被吸入抽采瓦斯管道16内的负压区23，随后瓦斯气体会被管内高速气流带着从抽采瓦斯管道16的出气口排出，随后进入后续的瓦斯抽采专用通道。

抽采装置的工作原理是高压气体从气体传输管道17的进气口进入装置，随后进入气体转弯管道18，转弯后的高压气体由转弯气体进口21排出进入抽采瓦斯管道16并在转弯气体进口21处形成一段负压区23，由于抽采瓦斯管道16内的气体压强小，装置外部煤层中的瓦斯气体从瓦斯抽采进气口22被吸入装置与管内高压气体混合，随后混合气体一起排出。

一种抽采方法，采用钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，包括以下步骤：

S100：抽采装置安装在瓦斯钻孔中，利用机械脉冲装置为气体传输管道17提供高压脉冲式气体；

S200：高压脉冲式气体以此从气体传输管道17和气体转弯管道18进入抽采瓦斯管道16后，在抽采瓦斯管道16内形成一段负压区23，由于抽采瓦斯管道16内的气体压强小，瓦斯钻孔外部煤层中的瓦斯气体被吸入抽采瓦斯管道16与管内高压气体混合，随后混合气体一起排出。

为说明本发明的可行性，采用计算证明会在管内存在负压，计算仅用于说明本发明的可行性，实际应用中还需具体分析。

若井下空气压缩机输出气体压强为0.8MPa，假设在某一段抽采管路，由于各种压力损失，抽采装置内压强降至0.3MPa（实际应用中阻力应结合实际情况具体计算）则转弯气体进口21处压强约为P₁=30000Pa，根据伯努利原理，气体流速越大压强越小，P₁为负压即P₁=-0.3MPa，根据伯努利方程可求负压区的负压。

其中，P₁为转弯气体进口21处压强；

V₁为转弯气体进口21处气体流速；

P₂为初始状态抽采瓦斯管道16内的压强；

V₂为抽采瓦斯管道16内的气体流速；

ρ表示空气密度，标准大气压下一般为1.29Kg/m³；

g取9.8N/Kg;

Z₁为截面1中心点的高度；

Z₂为截面2中心点的高度。

此次计算将Z₁与Z₂看作在同一水平面上，假设初始状态抽采瓦斯管道16的压强为标准大气压，将其看作0Pa，则P₂=0，假设气体转弯通道20内径是抽采瓦斯管道16的一半，则有：

其中A₁为管道截面积；

根据上式再结合上述伯努利方程可得V₂。

根据气体动力学原理，可以得出压强与风速之间的关系公式：

可得抽采瓦斯管道16内负压区压强P=20000Pa，根据伯努利原理，气体流速越大压强越小，可知P为负压即P=-20KPa。

可以看出管内存在负压，可以将煤层瓦斯抽出，本发明具有可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，其特征在于，包括：

机械脉冲装置，用于提供脉冲式高压气体；

气体传输管道（17），所述气体传输管道（17）一端设置在瓦斯钻孔外，并与机械脉冲装置连接，另一端设置在瓦斯钻孔内；

抽采瓦斯管道（16），所述抽采瓦斯管道（16）一端设置在瓦斯钻孔外，另一端设置在瓦斯钻孔内，抽采瓦斯管道（16）设置在瓦斯钻孔内的一端设置有瓦斯抽采进气口（22）和转弯气体进口（21）；

气体转弯管道（18），所述气体转弯管道（18）设置在瓦斯钻孔内，连接在气体传输管道（17）和抽采瓦斯管道（16）的转弯气体进口（21）之间。

2.根据权利要求1所述的钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，其特征在于，所述机械脉冲装置包括：

箱体（1），箱体（1）一侧设置脉冲进气口（3），另一侧设置脉冲出气口（8）；

集风装置（5），所述集风装置（5）一端为集风进气口（4），集风进气口（4）面对脉冲进气口（3）；另一端为集风出气口（6），集风出气口（6）面对脉冲出气口（8）；

挡风板（11），挡风板（11）中部铰接固定在集风装置（5）上方，挡风板（11）绕铰接端旋转，挡风板（11）前端设置挡风凹槽（2），挡风板（11）后端上方设置回位弹簧（9）；

挡风板（11）旋转时包括第一位置和第二位置，挡风板（11）旋转到第一位置时，前端的挡风凹槽（2）挡在脉冲进气口（3）和集风进气口（4）之间；挡风板（11）旋转到第二位置时，挡风板（11）后端挡在集风出气口（6）和脉冲出气口（8）之间。

3.根据权利要求2所述的钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，其特征在于，所述回位弹簧（9）中心位置设置弹簧限位柱（10）。

4.根据权利要求2所述的钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，其特征在于，所述挡风板（11）后端上侧设置反弹凹槽（7）。

5.根据权利要求2所述的钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，其特征在于，所述集风装置（5）为集风进气口（4）截面面积大于集风出气口（6）的变径结构。

6.根据权利要求1所述的钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，其特征在于，所述气体转弯管道（18）包括：

气体传输通道（19），用于与气体传输管道（17）连通；

气体转弯通道（20），所述气体转弯通道（20）进口与气体传输通道（19）连通，出口与抽采瓦斯管道（16）的转弯气体进口（21）连通，气体转弯通道（20）是内壁光滑且出入口呈180°的半圆管道；

与气体转弯通道（20）出口相连的抽采瓦斯管道（16）的转弯气体进口（21）有一段与转弯后气体平行的内壁，且气体转弯通道（20）与转弯气体进口（21）的直径相等。

7.根据权利要求6所述的钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，其特征在于，所述气体传输管道（17）的内径与气体传输通道（19）的内径相同。

8.根据权利要求1所述的钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，其特征在于，所述气体传输管道（17）以及抽采瓦斯管道（16）设置在进出气体管道（15）内。

9.一种抽采方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的钻孔瓦斯脉冲式抽采装置，包括以下步骤：

S100：抽采装置安装在瓦斯钻孔中，利用机械脉冲装置为气体传输管道（17）提供高压脉冲式气体；

S200：高压脉冲式气体以此从气体传输管道（17）和气体转弯管道（18）进入抽采瓦斯管道（16）后，在抽采瓦斯管道（16）内形成一段负压区（23），由于抽采瓦斯管道（16）内的气体压强小，瓦斯钻孔外部煤层中的瓦斯气体被吸入抽采瓦斯管道（16）与管内高压气体混合，随后混合气体一起排出。