CN108756991A - 一种煤层注co2置换驱替瓦斯的***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***及方法，该***包括注气装置、置换驱替罐、真空装置和数据采集装置，置换驱替罐分别与注气装置、真空装置和数据采集***连接；注气装置包括CH4注气罐和CO2注气罐；置换驱替罐用作以CO2气体置换驱替CH4气体；数据采集装置包括彼此相连接的CO2传感器、CH4传感器、显示屏和控制终端，CO2传感器还与置换驱替罐连接，数据采集装置用作动态监测气体浓度并实时处理数据。方法包括气密性检查、将原煤粉碎后装罐、抽真空、CO2置换驱替瓦斯、采集数据等步骤。本发明的***结构简单，操作方便，监测自动化程度高。结合方法可大大提高瓦斯抽采效率。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***及方法。
背景技术
中国是一个“富煤、少油、贫气”的国家，在今后一段时间煤炭仍将占据能源结构的较大比例。煤矿瓦斯在煤层赋存中吸附态瓦斯占80％～90％，游离态仅占10％～20％。我国煤层瓦斯赋存具有“高储低渗”的特征，37％以上矿井为高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井，其中95％开采煤层又属于低透气性煤层。研究表明：我国煤层渗透率在0.002×10-15～16.17×10-15m2，比美国等低3～4个数量级，渗透率小于1×10-15m2的煤层占已探明煤炭资源总量的72％。据统计，2017年全国发生煤矿瓦斯事故25起，死亡103人，较2012年下降65％和70％，可见，煤矿瓦斯灾害仍然严峻。
基于煤吸附CO2能力大于CH4，采用CO2置换驱替CH4对促进煤体微小孔隙CH4解吸，提高松软低透煤层瓦斯抽采率和可靠性，降低瓦斯超限、瓦斯***、煤与瓦斯突出等瓦斯灾害隐患的危险性，促进煤层气资源合理利用、改变煤矿安全生产状况、保证矿井安全生产，实现CO2地质封存，减少碳排放具有重要的社会与环境效益。
已开展的实验大多不能实现CO2置换驱替CH4孔隙压力、温度变化、煤体变形量等参数动态监测以及CO2封存量动态定量计量，从而无法真实模拟井下置换驱替效应定量化分析，更好地指导煤层气(煤矿瓦斯)合理高效开采，提高效率。
发明内容
本发明的目的是针对我国矿井开采深度增加，煤层瓦斯压力与瓦斯含量增大，地应力增加，煤体渗透率降低，瓦斯抽采效率降低等问题，提供一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***及方法，从而更有效的提高了煤体渗透率、瓦斯抽采效率。
本发明的技术方案为：
一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，包括注气装置、置换驱替罐、真空装置和数据采集装置，所述置换驱替罐分别与所述注气装置、所述真空装置和所述数据采集***连接；所述注气装置包括CH4注气罐和CO2注气罐，分别用于向所述置换驱替罐中注入相应的气体；所述置换驱替罐用作以CO2气体置换驱替CH4气体；所述数据采集装置包括彼此相连接的CO2传感器、CH4传感器、显示屏和控制终端，所述CO2传感器还与所述置换驱替罐连接，所述数据采集装置用作动态监测气体浓度并实时处理数据。
进一步地，所述***还包括加热装置，所述加热装置位于所述注气装置与所述置换驱替罐的连接管路上。
进一步地，所述加热装置与所述置换驱替罐的连接管路上还设有CH4进气流量计和CO2进气流量计。
进一步地，所述***还包括干燥吸收装置，所述干燥吸收装置包括NaOH吸收罐和与所述NaOH吸收罐相连接的干燥罐，所述NaOH吸收罐与所述CH4传感器连接。
进一步地，所述NaOH吸收罐与所述CH4传感器连接的管路上还设有总质量流量计。
进一步地，所述干燥罐的出气口还设有CH4质量流量计。
进一步地，所述置换驱替罐上设有温度传感器，所述温度传感器用于监控所述置换驱替罐内CO2置换驱替CH4过程中煤体温度的动态变化。
进一步地，所述置换驱替罐内设有位移传感器，所述位移传感器用于监测CO2置换驱替CH4过程煤体轴向动态变形。
进一步地，所述***还包括地应力采集装置，所述地应力采集装置包括压力传感器，所述压力传感器设置于所述置换驱替罐内部。
一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的方法，是采用上述***，所述方法包括以下步骤：
(1)对整个***进行气密性检验；
(2)将原煤粉碎成粒径为60～80目的煤样，之后装入置换驱替罐体内；
(3)利用力学加载装置对煤样施加轴压；
(4)利用真空装置对置换驱替罐抽真空以保证其内的压力低于4Pa且维持12h后停止抽真空；
(5)将CH4注气罐中的CH4气体注入置换驱替罐中并模拟煤层CH4压力，使CH4在煤样孔裂隙中充分渗透、扩散、吸附，吸附过程中间断性补压，当达到目标压力且维持6h不变，CH4吸附达到平衡；
(6)CH4吸附达到平衡后，将CO2注气罐中的CO2气体注入置换驱替罐中驱替CH4，实验过程中置换驱替后的CO2与CH4混合气体浓度经CO2传感器与CH4传感器监测后传输到终端实时采集并处理；
(7)关闭注气装置，重复步骤(3)～(6)进行其他条件下实验。
本发明的有益效果为：本发明的煤层注CO2置换驱替瓦斯的***结构简单，操作方便，监测自动化程度高。本发明的方法通过利用CO2促进微小孔隙中瓦斯解吸，可大大提高瓦斯抽采效率，同时可定量计算CO2置换驱替CH4量、煤体轴向变形量与CO2地质封存量。此外，经本发明置换驱替后的瓦斯可以作为清洁能源进一步加以利用，收效值高。
附图说明
图1是本发明的煤层注CO2置换驱替瓦斯的***的结构示意图。
图2是本发明采用的力学加载***的结构示意图。
图3不同CO2注气压力时CH4累计排放量变化规律图。
图4是不同注气压力下CO2气体浓度变化规律图。
图5是不同注气压力下CH4气体浓度变化规律图。
其中，图1与图2中附图标记为：1-CH4高压钢瓶、2-CO2高压钢瓶、3-恒温水浴箱、4-减压罐、5-第一温度传感器、6-第一减压阀、7-第一阀门、8-CH4进气流量计、9-第二阀门、10-CO2进气流量计、11-真空泵、12-第三阀门、13-负压表、14-第四阀门、15-地应力采集装置、16-第二温度传感器、17-第三温度传感器、18-第五阀门、19-第一压力表、20-应力传感器、21-LVDT位移传感器、22-LVDT位移传感器采集***、23-置换驱替罐、24-第二减压阀、25-第六阀门、26-第二压力传感器、27-第一干燥罐、28-第七阀门、29-第三压力传感器、30-CO2传感器、31-CH4传感器、32-总质量流量计、33-计算机、34-NaOH吸收罐、35-第二干燥罐、36-CH4质量流量计、37-压煤装置、38-液压千斤顶、39-自动液压泵。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，定义在构件之前的修饰语‘第一’、‘第二’、‘第三’仅用于对构件进行区分，而不能理解为表示某种意义上的前后顺序关系。此外，除非另有明确的规定和限定，术语‘相连’、‘连接’应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明具体实施例提供一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其结构如图1所示，包括CH4高压钢瓶1、CO2高压钢瓶2、恒温水浴箱3、置换驱替罐23、真空泵11、地应力采集装置15、应力传感器20、LVDT位移传感器21、LVDT位移传感器采集***22、数据采集装置和干燥吸收装置。CH4高压钢瓶1和CO2高压钢瓶2分别与恒温水浴箱3连接。恒温水浴箱3连接减压罐4，减压罐4上设有第一温度传感器5，第一温度传感器5用于监测CH4或者CO2气体的注入温度，减压罐4的气体出口处设有第一减压阀6，并且减压罐4出口处的连接管道分成两支，一支为CH4进气管道，另一支为CO2进气管道，CH4进气管道从置换驱替罐23顶部引入CH4气体，CO2进气管道从置换驱替罐23底部引入CO2气体，两支管道上分别设有阀门7、12和9、18以及进气流量计8和10。
置换驱替罐23顶部设有第一压力表19，左侧设有第二温度传感器16和第三温度传感器17，用于监控置换驱替罐23内CO2置换驱替CH4过程中煤体温度的动态变化，右侧设有第二压力传感器26和第三压力传感器29，用于监测置换驱替罐23内CO2置换驱替CH4过程中煤体孔隙压力的动态变化。置换驱替罐23的气体出口处还设置有第一干燥罐27，用于吸收置换驱替罐中水气，以提高传感器与流量计的测量精度。置换驱替罐23分别与真空泵11和数据采集***连接。置换驱替罐23内还设有LVDT位移传感器21，LVDT位移传感器21连接外部LVDT位移传感器采集***22，位移传感器21用于监测CO2置换驱替CH4过程煤体轴向动态变形。
地应力采集装置15的应力传感器20设置在置换驱替罐23内部，与应力传感器20连接的数据采集器设置在置换驱替罐23外部。
数据采集装置包括彼此相连接的CO2传感器30、CH4传感器31、计算机33，CO2传感器30与置换驱替罐23连接，数据采集装置用作动态监测气体浓度并实时处理数据。计算机33还可以用手提电脑、手机、PAD等设备替换。
干燥吸收装置包括第一干燥罐27、NaOH吸收罐34和与NaOH吸收罐34相连接的第二干燥罐35，NaOH吸收罐34与CH4传感器31通过总质量流量计32相连接。第二干燥罐35的出气口还设有CH4质量流量计36。第一干燥罐27用于吸收置驱罐中CO2置换驱替CH4过程中携带的部分煤体水气，可提高CO2传感器30、CH4传感器31、总质量流量计32的测量精度。第二干燥罐35用于吸收NaOH反应罐反应后水气，可提高CH4质量流量计36的测量精度。
本发明实施例所采用的力学加载装置的结构如图2所示，包括压煤装置37、液压千斤顶38和自动液压泵39。力学加载装置的壳体为长方体结构，结构规格为长800mm，宽800mm，高1200mm。液压千斤顶型号为RR-300300，吨位为300t，油缸外径为309mm，内径为240mm，行程300mm，液压千斤顶高度为430mm。其作用为将粉碎的煤体进行压实。
实施例1
采用上述煤层注CO2置换驱替瓦斯的***和力学加载装置进行煤层注CO2置换驱替瓦斯的方法，包括如下步骤：
(1)对整个***进行气密性检验：充入He气6h，观察压力表变化，若无变化，则气密性完好，否则，检查漏气位置，直至气密性完好为止；
(2)利用粉碎机将原煤粉碎，粉碎规格为60～80目，将粉碎后煤样装入置换驱替罐内，利用力学加载装置对煤样施加压力以模拟埋深煤层地压力；
(3)抽真空：利用真空泵对置换驱替罐抽真空以保证其内的压力低于4Pa且维持12h后停止抽真空；
(4)将CH4注气罐中的CH4气体注入置换驱替罐中并模拟煤层CH4压力，为了模拟煤层CH4压力，第一减压阀输出压力设定为目标压力0.45MPa，CH4进气流量计可以确定减压罐中气体注入置换驱替罐体积量，当置驱罐内压力达到0.45MPa时，停止注入CH4气体，关闭进气阀后保持2h，让CH4在煤样孔裂隙中充分渗透、扩散、吸附，采用间歇补气方式，直至置驱罐体内CH4压力维持6h不变，认为CH4吸附平衡，注CH4气体结束。
(5)CH4吸附达到平衡后，将CO2注气罐中的CO2气体注入置换驱替罐中驱替CH4，并打开恒温水浴箱，根据实验需要来设定温度，以保证钢瓶中CO2气体在流动过程中的状态不发生变化，避免在流动过程中管路表面结冰，调节第一减压阀控制CO2注入压力，CO2进气流量计可以计量注入置驱罐CO2体积量。由于煤体吸附CO2的能力大约为CH4的2～3倍，在置换驱替罐中注入CO2后，CO2将会把CH4置换驱替；置换驱替后的CH4与CO2混合气体通过管路流入CH4与CO2传感器再进入计算机进行数据采集。经置换驱替罐中出来的CH4与CO2进入总质量流量计后即可读出二者总的流量，从总流量计出来的CH4与CO2，其中CO2与NaOH反应则生成Na2CO3和H2O，水通过第二干燥罐后被吸附。而CH4进入CH4质量流量计后则可读出置换驱替后的流量。利用总质量流量计的读数减去CH4质量流量计的读数则可知道CO2的读数。再利用CO2进气流量计的总和减去CO2出口流量计总和则可知道煤样封存CO2量。CO2注气结束时间为CH4传感器31采集到CH4体积分数降低到5％左右，注气结束后继续自然排放置换驱替罐内的气体。
(6)注气结束后，关闭CO2进气口阀门，停止注气，对煤样进行抽真空，重复步骤(3)～(5)进行其他条件下实验。
实施例2
CH4自然排放实验。
为了对比CO2置驱CH4效果，在进行置驱实验前先进行CH4自然排放效果实验，向置换驱替罐内持续注入一段时间CH4，待罐体压力达到目标压力(实验设定目标压力0.45MPa)，停止注气，待CH4吸附一段时间再向罐体注入CH4气体，通过多次补压过程，使罐体压力基本维持在目标压力，注气过程中采用流量计计量CH4体积，当测试罐体孔隙压力检测点压力基本维持不变，认为吸附饱和，本次实验累计注入82.31L CH4。打开置换驱替罐出气口(出气口压力通过第二减压阀控制为0.05MPa)，使CH4自然排放。累计排放12h，当流量＜15mL·min-1时，不再计量，排放CH4 57.383L，经计算CH4的自然排放率为69.72％。随着注气时间推迟，距离注气口距离越近(20cm处)孔隙压力越大。
实施例3
CO2置换驱替CH4及CO2封存实验。
注CO2置换驱替CH4量与CO2地质封存量计算。进行CO2置换驱替CH4效果与CO2地质封存定量之前，定义：
选取原煤为实验煤样，进行了注气压力为0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa实验(实验煤样质量7910.8g)，下面通过实验分析注气压力不同时CO2/CH4置换体积比与置换效率，具体数据见表1
表1注气压力不同时CO2/CH4置换体积比与置换效率
由表1可知，随着CO2气体注气压力升高，单位质量煤封存CO2量越大。随着注气压力增大，CO2气体进入微小孔的气体量越多，置换出的CH4量越多，相应的CO2吸附量增加。置换体积比表示置换1体积CH4需要的CO2体积量，由此可见，置换体积比越大，置换效果越差，CO2注气压力为1.0MPa时置换体积比最小为3.18，置换效率最高，达到96.24％，注CO2气体与CH4自然排放率(68.94％)对比，可见CO2注入明显促进了煤体CH4解吸，提高了CH4抽采率，实现了增产CH4效果。
注CO2气体时，煤体首先吸附部分CO2气体，随着注气进程进行，CO2开始慢慢突破煤体，注CO2开始到出口检测到CO2有一个明显滞后时间，在此，定义为CO2突破时间：当出气管路中首次检测到CO2气体时(气体浓度大于1.5％)，认为CO2气体突破煤体。
下面通过实验分析CO2突破时间与注气压力关系，具体数据见表2
表2 CO2突破时间与注气压力关系
| 注气压力/MPa | CO2气体突破时间/s |
| 0.6 | 3120 |
| 0.8 | 1800 |
| 1.0 | 900 |
由表2可知，注气压力越大，CO2气体突破越快，从CO2突破时间可看出，CO2注气压力与突破时间负相关，随着CO2注气压力升高，煤体CO2置换驱替CH4时间效应显著，这主要是由于：①CO2气体注入罐体后首先在煤中发生渗流作用，如果忽略CH4和CO2的动力黏度差异，渗流时间与同等条件下的CO2实验滞后时间基本相同。②CO2注入煤体后原始煤体吸附气体量降低，CO2吸附于煤体补充损失气体量导致突破时间滞后。③煤吸附CO2能力大于CH4，CO2注入煤体后置换解吸作用促进了CH4解吸导致突破时间滞后导致。因此煤矿井下进行巷道掘进与采前预抽时，在不诱发煤体突出危险前提下尽可能提高注气压力，以提高掘进速度。不同CO2注气压力时CH4累计排放量变化规律如图3所示。
由图3可知，随着CO2注气压力增加CH4累计排放量增加，注气初期，CH4产出速率较大，逐渐降低，直至稳定。CO2注气压力越大，初期产气速率越大。根据表1可知，CO2注气压力为0.6MPa时，CH4累计排放63.2L，CO2注气压力为1.0MPa时，CH4累计排放86.2L。不同注气压力下CO2、CH4气体浓度变化规律如图4与图5所示。由图4与5可知，注气压力为0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa时，CO2气体浓度与CH4气体浓度随时间变化规律表现一致性，CO2表现为“S”型变化，CH4表现为反“S”型变化，注气压力越大，“S”型曲线越陡。
由实验分析表明，采用本发明，在CO2注入的情况下明显促进了煤体微小孔隙中CH4解吸，同时也降低了煤矿生产过程中瓦斯浓度，安全方面进一步得到了提高，实现了CO2地质封存。在不诱发煤体突出危险前提下尽可能提高注气压力，以提高掘进速度及生产量，使置换驱替后的CH4进一步作为清洁能源进行利用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其特征在于，包括注气装置、置换驱替罐、真空装置和数据采集装置，所述置换驱替罐分别与所述注气装置、所述真空装置和所述数据采集***连接；所述注气装置包括CH4注气罐和CO2注气罐，分别用于向所述置换驱替罐中注入相应的气体；所述置换驱替罐用作以CO2气体置换驱替CH4气体；所述数据采集装置包括彼此相连接的CO2传感器、CH4传感器、显示屏和控制终端，所述CO2传感器还与所述置换驱替罐连接，所述数据采集装置用作动态监测气体浓度并实时处理数据。
2.根据权利要求1所述的一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其特征在于，所述***还包括加热装置，所述加热装置位于所述注气装置与所述置换驱替罐的连接管路上。
3.根据权利要求2所述的一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其特征在于，所述加热装置与所述置换驱替罐的连接管路上还设有CH4进气流量计和CO2进气流量计。
4.根据权利要求1所述的一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其特征在于，所述***还包括干燥吸收装置，所述干燥吸收装置包括NaOH吸收罐和与所述NaOH吸收罐相连接的干燥罐，所述NaOH吸收罐与所述CH4传感器连接。
5.根据权利要求4所述的一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其特征在于，所述NaOH吸收罐与所述CH4传感器连接的管路上还设有总质量流量计。
6.根据权利要求5所述的一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其特征在于，所述干燥罐的出气口还设有CH4质量流量计。
7.根据权利要求1所述的一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其特征在于，所述置换驱替罐上设有温度传感器，所述温度传感器用于监控所述置换驱替罐内CO2置换驱替CH4过程中煤体温度的动态变化。
8.根据权利要求1所述的一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其特征在于，所述置换驱替罐内设有位移传感器，所述位移传感器用于监测CO2置换驱替CH4过程煤体轴向动态变形。
9.根据权利要求1～8任意一项权利要求所述的一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的***，其特征在于，所述***还包括地应力采集装置，所述地应力采集装置包括压力传感器，所述压力传感器设置于所述置换驱替罐内部。
10.一种煤层注CO2置换驱替瓦斯的方法，是采用权利要求1所述***，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)对整个***进行气密性检验；
(2)将原煤粉碎成粒径为60～80目的煤样，之后装入置换驱替罐体内；
(3)利用力学加载装置对煤样施加轴压；
(4)利用真空装置对置换驱替罐抽真空以保证其内的压力低于4Pa且维持12h后停止抽真空；
(5)将CH4注气罐中的CH4气体注入置换驱替罐中并模拟煤层CH4压力，使CH4在煤样孔裂隙中充分渗透、扩散、吸附，吸附过程中间断性补压，当达到目标压力且维持6h不变，CH4吸附达到平衡；
(6)CH4吸附达到平衡后，将CO2注气罐中的CO2气体注入置换驱替罐中驱替CH4，实验过程中置换驱替后的CO2与CH4混合气体浓度经CO2传感器与CH4传感器监测后传输到终端实时采集并处理；
(7)关闭注气装置，重复步骤(3)～(6)进行其他条件下实验。
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