CN104500010B - 一种湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置及方法，装置包括高低压注水装置、耐高压防爆加热装置、瓦斯抽采装置；高低压注水装置包括蓄水箱、水泵电机、流量计、高压水泵、高压水管；耐高压防爆加热装置包括防爆外壳、加热模块、控制线路板、陶瓷石棉充填物、快速接头；瓦斯抽采装置包括抽采主管、抽采软管、抽采支管。整个装置可以实现高低压注高温水、过热水驱替煤层瓦斯、增加煤体温度和湿度，提高瓦斯抽采效率，实现防治煤与瓦斯突出和防尘一体化，操作简单，特别是针对低透气性煤层或者煤层在抽采一段时间后瓦斯含量居高不下而又难以抽采的情况，可以实现快速降低抽采区域煤层瓦斯含量、短时间消突的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置及方法，尤其适用于低透气性煤层或者煤层在抽采一段时间后瓦斯含量居高不下的情况，可以快速实现降低抽采区域煤层瓦斯含量、短时间内达到消突目的。
背景技术
煤与瓦斯突出是煤矿的最严重的灾害之一，煤与瓦斯突出主要是由于地应力突然破碎煤体，瓦斯内能的突然释放的结果。煤体属多孔结构碎性物体，瓦斯分子以吸附状态和游离状态存在于煤的孔隙和裂隙之中，实践证明，随着煤体水份增多，煤的弹性下降，塑性增强，瓦斯放散初速度△P下降，当水份达到4%以上时，煤层就失去突出危险性。因此，对突出煤层进行注水是提高煤体抗破坏能力，降低瓦斯释放速度，消除煤与瓦斯突出的有效措施。水对煤层中瓦斯主要有五个方面的作用：1、驱替作用，煤对水、二氧化碳、瓦斯、氮气等物质都有一定的吸附作用，但吸附能力最强的是水，其次是二氧化碳，再次是瓦斯，所以水对瓦斯具有驱替作用，高温水加速了瓦斯解吸，使驱替效率更加提高。2、水对瓦斯的溶解作用，试验证明，水在高压条件下，能溶解部分瓦斯；3、降低了瓦斯释放速度，随着水温不断向周围煤层扩散，煤体温度下降，残余瓦斯压力降低，瓦斯释放速度降低等；4、增加了煤体塑性，提高了煤体抵抗突然破坏的能力；5、降低煤尘飞扬，湿润的煤体破碎后因水的粘结作用，不易飞扬在空气中，从而达到降尘的目的。
煤与瓦斯突出防治规定要求：“区域防突措施优先，局部防突措施补充”，区域措施无论用什么方法，都离不开对煤层进行打钻实施瓦斯抽采。突出煤层基本上都属难抽放煤层，抽采影响半径小，抽采效率低。当煤层瓦斯抽到一定程度后，既钻孔内没有瓦斯或瓦斯流量极小时，将部分抽采钻孔进行高压注高温水、过热水作业，由于温度的每升高1℃，煤层瓦斯吸附能力就降低8%，因此，当温度升高时，吸附在煤体孔隙壁上的瓦斯分子获得内能，快速解吸，变成游离瓦斯，在压差和渗流的作用下，加速注水孔附近抽采孔的瓦斯抽采。
发明内容
本发明的目的是在已有的煤层注水卸压增透措施的基础上，增加了一种耐高压防爆加热装置，实现了不同压力和不同温度注水驱替煤层瓦斯，形成了手动加压和自动控制水温为一体的湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置及方法，效果显著、实用性强。
为实现上述目的，本发明提供了一种湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置,其特征在于：它包括高低压注水装置、耐高压防爆加热装置、瓦斯抽采装置，所述高低压注水装置包括蓄水箱、通过高压水管与蓄水箱连接的高压水泵、驱动高压水泵的水泵电机，高压水泵上设有卸压阀，所述耐高压防爆加热装置包括设置在防爆外壳内的互相分隔开的陶瓷石棉充填物和控制线路板，加热模块设置在所述陶瓷石棉充填物内，所述加热模块通过快速接头与高压水泵出水端连接，加热模块的进水口处设有脉冲信号流量计，加热模块上设有温度计，该脉冲信号流量计和温度计与控制线路板连接，控制线路板通过主电源线与电源连接，并通过控制电缆控制加热模块的档位，瓦斯抽采装置包括抽采主管、连接在该抽采主管上的至少二根抽采软管和伸入瓦斯抽采钻孔内的抽采支管，所述加热模块的出水端和所述瓦斯抽采装置的抽采软管分别与该抽采支管连接。
优选地，所述的高压水管上设有物理流量计。
优选地，所述的加热模块包括铸造模块金属壳、设置在铸造模块金属壳内的至少一个S型水管、用于加热铸造模块金属壳和水管的加热丝和氧化镁。
优选地，所述的防爆外壳与加热模块的进水管、控制电缆、主电源线的连接处分别设有硅胶密封圈和螺丝密封。
本发明还提供了一种湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的方法，采用所述的湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置，包括如下步骤：
a、在岩层上施工至少3个钻孔或者利用已有的3个瓦斯抽采钻孔，穿过煤层，连接高压水管、抽采软管和抽采支管，并封堵好瓦斯抽采钻孔，准备瓦斯抽采；
b、蓄水箱的水通过高压管路与高压水泵相连，经过高压水泵加压，卸压阀可以手动调节注水压力，高压水再通过高压管路进入到耐高压防爆加热装置中，通过加热模块进行加热，控制线路板可以调节加热水温，若无水进入加热模块时，可以实现自动停止加热；
c、经过加热模块的高温水、过热水通过高压水管与抽采支管相连进入1个瓦斯抽采钻孔内，高温水、过热水通过热传递使煤体温度升高，加快煤体内瓦斯的解吸和运移，使处于吸附状态的瓦斯快速转化为游离瓦斯，由于注热水的钻孔温度升高，压力相对较高，通过压力差使瓦斯压力由高向低流，加之煤体对水的吸附能力大于煤体对瓦斯的吸附能力，所以在注入水的过程中，水会进入瓦斯的吸附空间内，从而取代瓦斯的位置，达到驱替瓦斯的目的，进而可以提高抽采钻孔瓦斯的抽采量及降低抽采区域瓦斯含量，加快消突。
优选地，在一次施工完毕后或者停止注入高温水、过热水时，移去高低压注水装置和耐高压防爆加热装置，把注水加热钻孔用抽采软管将抽采主管和抽采支管连接起来，对其它抽采钻孔进行加热时，重复以上步骤即可。
本发明的优点及有益效果：
由于采用了上述技术方案，本发明能实现不同压力和不同温度注水驱替煤层瓦斯，整个装置可以达到实时实现高低压注高温水、过热水（温度超过100℃，在高压下位液态水，进入低压环境中变为水蒸气）驱替煤层瓦斯、增加煤体温度和湿度，提高瓦斯抽采效率，实现防治煤与瓦斯突出和防尘一体化，操作简单，特别是针对低透气性煤层或者煤层在抽采一段时间后瓦斯含量居高不下而又难以抽采的情况，可以实现快速降低抽采区域煤层瓦斯含量、短时间消突的目的，同时可以大幅降低煤尘，保障工人生产安全。湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置加压和自动控制水温为一体，并且可以防止加热模块干烧；热水进入煤体后，不仅仅可以驱替煤层瓦斯，卸压增透煤体，而且可以使煤体升温，加快瓦斯的解吸和运移速度，改变了传统的注水湿润煤体的效果，形成了注水驱替—升温煤体—加快解吸和渗流为一体的煤矿防突技术措施。本装置及方法能有效的降低抽采钻孔区域内瓦斯含量、快速达到消突的目的，对于煤矿安全生产是一项技术革新，为今后煤矿瓦斯治理技术又增添了一项新的举措。
附图说明
图1是本发明使用的结构示意图。
图2是耐高压防爆加热装置的结构示意图。
图3是加热模块内部结构示意图。
图中：高低压注水装置-1，耐高压防爆加热装置-2，瓦斯抽采装置-3，蓄水箱-4，高压水管-5，物理流量计-6，水泵电机-7，高压水泵-8，抽采主管-9、抽采软管-10、抽采支管-11，瓦斯-12，瓦斯抽采钻孔-13，加热模块-14，防爆外壳-15，陶瓷石棉充填物-16，控制线路板-17，脉冲信号流量计-18，快速接头-19，硅胶密封圈-20，螺丝-21，卸压阀-22，控制电缆-23，岩层-24，煤层-25，主源线-26，加热丝-27，氧化镁-28，铸造模块金属壳-29，水管-30。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的描述：
如附图1所示：本发明提供一种湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置及方法，装置包括高低压注水装置1、耐高压防爆加热装置2、瓦斯抽采装置3；高低压注水装置1可以实现高低压水自由切换，可以实现注水压力0~20MPa，包括蓄水箱4、高压水管5、物理流量计6、水泵电机7、高压水泵8；耐高压防爆加热装置2包括加热模块14、防爆外壳15、陶瓷石棉充填物16、控制线路板17、脉冲信号流量计18、快速接头19、硅胶密封圈20、螺丝21，陶瓷石棉充填物16可以防止加热过程中防爆外壳15升温，同时可以保证加热水的温度不散失。高压水通过快速接头19，经过脉冲信号流量计18进入加热模14块，通过控制线路板17控制高压水的温度，并防止加热模块14干烧，可以实现自动停止加热，控制线路板17通过控制电缆23控制加热模块的档位，实现不同加热功率，达到出口温度恒定；瓦斯抽采装置3包括包括抽采主管9、抽采软管10、抽采支管11，对煤体注水加热卸压产生的瓦斯通过瓦斯抽采钻孔13流入到抽采装置内。
a、在岩层上施工至少3个钻孔或者利用已有的3个瓦斯抽采钻孔，穿过煤层，连接抽采软管、高压水管和抽采支管，并封堵好瓦斯抽采钻孔，准备瓦斯抽采。
b、蓄水箱的水通过高压管路与高压水泵相连，经过高压水泵加压，卸压阀可以手动调节水的压力，卸压的水又可回流到到蓄水箱里，高压水通过高压管路进入到耐高压防爆加热装置中，通过加热模块进行加热，控制线路板可以调节加热水温，若无水进入加热模块时，可以实现自动停止加热。
c、经过加热模块的水通过高压水管与抽采支管相连进入钻孔内，加热水通过热传递使煤体温度升高，加快煤体内瓦斯的解吸和运移，使处于吸附状态的瓦斯快速转化为游离瓦斯，由于注热水的钻孔温度升高，造成周围瓦斯压力相对较高，通过压力差使瓦斯压力由高向低流入附近抽采钻孔内，加之煤体对水的吸附能力大于对瓦斯的吸附能力，所以在注入水的过程中，水会进入瓦斯的吸附空间内，从而取代瓦斯站的位置，达到驱替瓦斯的目的，进而可以提高抽采钻孔瓦斯的抽采量及降低抽采区域瓦斯含量，加快消突。
d、整个装置在一个钻孔施工完毕后或者停止注热水时，移去高低压注水装置和耐高压防爆加热装置，把注水加热钻孔用抽采软管与抽采主管和抽采支管连接起来。对其它抽采钻孔进行加热时，重复以上步骤即可，整个过程操作简单，提高瓦斯抽采效果明显。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (6)
1.一种湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置,其特征在于：它包括高低压注水装置（1）、耐高压防爆加热装置（2）、瓦斯抽采装置（3），
所述高低压注水装置（1）包括蓄水箱（4）、通过高压水管（5）与蓄水箱（4）连接的高压水泵（8）、驱动高压水泵（8）的水泵电机（7），高压水泵（8）上设有卸压阀（22），
所述耐高压防爆加热装置（2）包括设置在防爆外壳（15）内互相分隔开的陶瓷石棉充填物（16）和控制线路板（17），加热模块（14）设置在所述陶瓷石棉充填物（16）内，所述加热模块（14）通过快速接头（19）与高压水泵（8）出水端连接，加热模块（14）的进水口处设有脉冲信号流量计（18），加热模块（14）上设有温度计，该脉冲信号流量计（18）和温度计与控制线路板（17）连接，控制线路板（17）通过主电源线（26）与电源连接，并通过控制电缆（23）控制加热模块（14）的档位，
瓦斯抽采装置（3）包括抽采主管（9）、连接在该抽采主管（9）上的至少二根抽采软管（10）和伸入瓦斯抽采钻孔（13）内的抽采支管（11），所述加热模块（14）的出水端和所述瓦斯抽采装置（3）的抽采软管（10）分别与该抽采支管（11）连接。
2.根据权利要求1所述的湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置，其特征在于：所述的高压水管（5）上设有物理流量计（6）。
3.根据权利要求1所述的湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置，其特征在于：所述的加热模块（14）包括设置在陶瓷石棉充填物（16）内的铸造模块金属壳（29）、设置在铸造模块金属壳（29）内的至少一个S型水管（30）、用于加热铸造模块金属壳（29）和水管（30）的加热丝（27）和氧化镁（28）。
4.根据权利要求1所述的湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置，其特征在于：所述的防爆外壳（15）与加热模块（14）的进水管、控制电缆（23）、主电源线（26）的连接处分别设有硅胶密封圈（20）和螺丝（21）密封。
5.一种湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的方法，其特征在于：采用如上述权利要求1、2、3、4所述的湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的装置，包括如下步骤：
a、在岩层（24）上施工至少3个钻孔或者利用已有的3个瓦斯抽采钻孔（13），穿过煤层（25），将其中1个瓦斯抽采钻孔（13）的抽采支管（11）与加热模块（14）的出水端连接来作为注水加热钻孔，将另外2个瓦斯抽采钻孔（13）的抽采支管（11）与抽采软管（10）连接，并封堵好各瓦斯抽采钻孔（13），准备瓦斯抽采；
b、蓄水箱（4）的水通过高压管路与高压水泵（8）相连，经过高压水泵（8）加压，卸压阀（22）可以手动调节注水压力，高压水通过高压管路进入到耐高压防爆加热装置（2）中，通过加热模块（14）进行加热，控制线路板（17）可以调节加热水温，若无水进入加热模块（14）时，可以实现自动停止加热；
c、经过加热模块（14）的高温水、过热水通过高压水管与抽采支管（11）相连进入注水加热钻孔内，高温水、过热水通过热传递使煤体温度升高，加快煤体内瓦斯（12）的解吸和运移，使处于吸附状态的瓦斯快速转化为游离瓦斯，由于注水钻孔内温度升高，压力相对较高，通过压力差使瓦斯（12）高压区域向低压区域运移，加之煤体对水的吸附能力大于对瓦斯的吸附能力，所以在注入水的过程中，水会进入瓦斯的吸附空间内，从而取代瓦斯的位置，达到驱替瓦斯的目的，进而可以提高抽采钻孔瓦斯的抽采量及降低抽采区域瓦斯含量，加快降低煤层瓦斯突出危险性。
6.根据权利要求5所述的湿热注水驱替和抽采煤层瓦斯的方法，其特征在于：在一次施工完毕后或者停止注入高温水、过热水时，移去高低压注水装置（1）和耐高压防爆加热装置（2），把注水加热钻孔用抽采软管（10）将抽采主管（9）和抽采支管（11）连接起来，对其它抽采钻孔进行加热时，重复以上步骤即可。
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