CN114687721B - 一种高瓦斯矿井煤层微波脱气方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高瓦斯矿井煤层微波脱气方法，旨在有效解决微波过渡注入造成的煤层顶板损伤问题。为此，本发明包括采煤作业前在工作面巷道中向采煤工作面中部钻抽采钻孔，并测量抽采钻孔到煤层顶板的距离；随后将配有天线的第一波导管和抽采管放入抽采钻孔，并对抽采钻孔进行封堵；利用采样设备对煤层钻取煤芯；利用微波加热模拟***对煤芯进行微波注热增透模拟；利用温度传感器对水温进行连续采集，并由电脑获取水的实时升温曲线，将升温曲线发生急剧变化的拐点对应的时间设为加热时间；打开第一微波发生器，向抽采钻孔四周煤层注入微波进行注热增透，同时利用抽采管对瓦斯进行抽采，当达到设定加热时间后，关闭第一微波发生器。

Description

一种高瓦斯矿井煤层微波脱气方法
技术领域
本发明属于煤层开采技术领域，尤其涉及一种高瓦斯矿井煤层微波脱气方法。
背景技术
高瓦斯矿井在采煤作业前需要通过抽采环节降低煤层中的瓦斯(主要成分为甲烷)含量。微波加热技术具有选择性加热和体积加热的本质属性，因此加热的过程高效、环保并且易于控制，被认为在煤层脱气领域具有较大的应用潜能。微波辐射煤层时，微波主要被煤岩中的孔隙水所吸收[1]，吸收微波后的水分不断升温并最终汽化，此过程不但会促使甲烷分子热运动的增强，帮助甲烷分子挣脱吸附转变为游离态[2]；水蒸气产生的蒸汽压力还会破坏煤岩原有的孔隙结构、联通相邻孔隙，为后续煤层气的运移打开通道[3]。
微波对煤层的注热和增透效果主要是由煤中孔隙水为载体来实现的，考虑到水分的汽化蒸发，微波注热增透煤层具有时间效应，煤层吸收的微波能会随加热的进行不断降低，现有微波注热增透煤层方法中微波注入时间依据经验确定，当煤体完全脱水时，若继续注入微波，则继续注入微波的只有小部分被煤层吸收，剩下大部分微波则会穿过煤层作用于岩石顶板，造成顶板岩石的热损伤，容易诱发顶板冒落，导致人员伤亡。
综上，有必要对现有微波注热增透煤层方法进行改进。
参考文献
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发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高瓦斯矿井煤层微波脱气方法，旨在有效解决微波过渡注入造成的煤层顶板损伤问题。
为此，本发明提供的高瓦斯矿井煤层微波脱气方法，包括：
采煤作业前在工作面巷道中向采煤工作面中部钻抽采钻孔，并测量抽采钻孔到煤层顶板的距离d；
随后将配有天线的第一波导管和抽采管放入抽采钻孔，并对抽采钻孔进行封堵，第一波导管与抽采钻孔外部的第一微波发生器连接；
利用采样设备对煤层钻取长度为d的煤芯；
利用微波加热模拟***对煤芯进行微波注热增透模拟；其中，微波加热模拟***产生的与第一微波发生器同功率的微波从煤芯的一端注入，从另一端被水吸收；
利用温度传感器对水温进行连续采集，并由计算机获取水的实时升温曲线，其中，升温曲线发生急剧变化的拐点对应的时间计为T；
打开第一微波发生器，向抽采钻孔四周煤层注入微波进行注热增透，同时利用抽采管对瓦斯进行抽采，当加热时间达到T时间后，关闭第一微波发生器，停止对煤层进行注热增透。
具体的，所述微波加热模拟***包括第二微波发生器、第二波导管和水箱；
所述第二波导管的一端与所述第二微波发生器的微波发射口对接，另一端与所述水箱的透波板对接；
所述第二波导管内形成有中空的波导腔，所述煤芯匹配安装在所述波导腔内。
具体的，所述透波板采用聚四氟乙烯板。
具体的，所述水箱上设有泄压阀、温度传感器和压力计。
具体的，所述第二微波发生器包括屏蔽壳体、设置于屏蔽壳体内用于产生微波的磁控管以及控制磁控管工作的PLC控制器。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：通过微波加热模拟***对煤芯进行微波注热增透模拟，并利用温度传感器对水温进行连续采集，由电脑获取水吸收微波后的实时升温曲线，基于煤层完全脱水前后，升温曲线会存在明显拐点这一特点，将拐点处对应的时间作为实际煤层微波增透的微波加热时间，从而在保证煤层有效增透的前提下，可以避免因微波过渡注入造成煤层顶板岩石产生热损伤。
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微波脱气设计示意图；
图2是本发明实施例提供的微波加热模拟***结构示意图；
其中：1、壳体；2、磁控管；3、PLC控制器；4、第二波导管；5、煤芯；6、透波板；7、水箱；8、温度传感器；9、压力计；10、泄压阀；11、计算机。
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，本发明实施例提供的高瓦斯矿井煤层微波脱气方法，包括：
采煤作业前在工作面巷道中向采煤工作面中部钻抽采钻孔，并测量抽采钻孔到煤层顶板的距离d(m)；
随后将配有天线的第一波导管和抽采管放入抽采钻孔，并利用封堵塞对抽采钻孔进行封堵，第一波导管与抽采钻孔外部的第一微波发生器连接；
利用采样设备对煤层钻取长度为d m、直径为50mm的煤芯5；
利用微波加热模拟***对煤芯5进行微波注热增透模拟；其中，微波加热模拟***产生的与第一微波发生器同功率的微波从煤芯5的一端注入，从煤芯5的另一端被水吸收；
利用温度传感器8对水温进行连续采集，并由计算机11获取水吸收微波后的实时升温曲线；其中，升温曲线发生急剧变化的拐点对应的时间计为T；
打开第一微波发生器，向抽采钻孔四周煤层注入微波进行注热增透，同时利用抽采管对瓦斯进行抽采，当加热时间达到T时间后，关闭第一微波发生器，停止对煤层进行注热增透。
本发明的原理在于：通过微波加热模拟***对煤芯5进行微波注热增透相似模拟，因微波对煤层的注热和增透效果主要是由煤中孔隙水为载体来实现的，考虑到水分的汽化蒸发，微波注热增透煤层具有时间效应，微波加热初期由于大部分微波被煤芯5吸收，导致水的温度曲线升温缓慢，当煤芯5完全脱水时，若继续注入微波只有小部分被煤芯5吸收，剩下大部分微波则会穿过煤芯5被水吸收，进而导致升温曲线发生急剧变化，本申请正是基于煤芯5完全脱水前后升温曲线会发生急剧变化这一特性，将加热曲线变化拐点对应的时间作为实际煤层微波脱气过程中，加热距离顶板厚度为d m的煤层时微波的最优加热时间，通过将加热时间控制在升温曲线拐点对应的时间处，不仅可以保证煤层有效增透，而且可以避免因微波过渡注入造成煤层顶板岩石产生热损伤。
参见图2，在实际应用中，微波加热模拟***包括第二微波发生器、第二波导管4和水箱7，第二波导管4的一端与第二微波发生器的微波发射口对接，另一端与水箱7的透波板6对接，第二波导管4内形成有中空的波导腔，煤芯5匹配安装在波导腔内，水箱7上设有泄压阀10、温度传感器8和压力计9，温度传感器8与计算机11电连接，第二微波发生器包括屏蔽壳体1、设置于屏蔽壳体1内用于产生微波的磁控管2以及控制磁控管2工作的PLC控制器3。其中，透波板6是指微波能够穿过不被其吸收的板材，其材质可以采用聚四氟乙烯，这是因为聚四氟乙烯是一种优良的透波材料，微波穿过其时能量基本不发生损失，当然也可以采用其他材质制作。
本实施例中，实验时钻取的煤芯放置于波导管中进行加热，微波由微波源发出后一部分被煤样吸收，剩余微波则穿过透波板被水箱中的水吸收，温度传感器对水温进行连续采集，并由电脑获取实时升温曲线。微波加热初期由于大部分微波被煤芯吸收，导致水的温度曲线升温缓慢，当煤芯完全脱水时微波几乎完全被水吸收导致升温曲线发生急剧变化，加热曲线变化拐点对应的时间即为加热厚度为d m煤层时合理的微波加热时间t优。
另外，如果定义微波总能量(W总)为一定时间内及其输出的能量总和，微波吸收能(W吸)为一定时间内煤岩吸收的能量总和，微波耗散能(W耗)为一定时间内水箱内能的变化。
则，W总＝Pt；W耗＝Q水＝cmΔT＝cm(f(t)-T0)；
根据渐变微波加热***内部的能量守恒，W吸＝W总-W耗
则还可以计算得到煤层完全脱水时微波的能量利用效率Φ优＝(W总-W耗)×100％/W总＝1-cm(f(t优)-T0)×100％/Pt优；
式中：P为微波功率，W；t为加热时间，s；c为水的比热容，J/(kg·K)；m为水箱中水的质量，kg；T0为水的初始温度，℃。
本发明通过微波加热模拟***对煤芯进行微波注热增透模拟，并利用温度传感器对水温进行连续采集，由电脑获取水吸收微波后的实时升温曲线，基于煤层完全脱水前后，升温曲线会存在明显拐点这一特点，将拐点处对应的时间作为实际煤层微波增透的微波加热时间，从而在保证煤层有效增透的前提下，可以避免因微波过渡注入造成煤层顶板岩石产生热损伤。
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 (4)

1.一种高瓦斯矿井煤层微波脱气方法，其特征在于，包括：
采煤作业前在工作面巷道中向采煤工作面中部钻抽采钻孔，并测量抽采钻孔到煤层顶板的距离d；
随后将配有天线的第一波导管和抽采管放入抽采钻孔，并对抽采钻孔进行封堵，第一波导管与抽采钻孔外部的第一微波发生器连接；
利用采样设备对煤层钻取长度为d的煤芯(5)；
利用微波加热模拟***对煤芯(5)进行微波注热增透模拟；其中，微波加热模拟***产生的与第一微波发生器同功率的微波从煤芯(5)的一端注入，从另一端被水吸收；
利用温度传感器(8)对水温进行连续采集，并由计算机(11)获取水的实时升温曲线，其中，升温曲线发生急剧变化的拐点对应的时间计为T；
打开第一微波发生器，向抽采钻孔四周煤层注入微波进行注热增透，同时利用抽采管对瓦斯进行抽采，当加热时间达到T时间后，关闭第一微波发生器，停止对煤层进行注热增透；
所述微波加热模拟***包括第二微波发生器、第二波导管(4)和水箱(7)；
所述第二波导管(4)的一端与所述第二微波发生器的微波发射口对接，另一端与所述水箱(7)的透波板(6)对接；
所述第二波导管(4)内形成有中空的波导腔，所述煤芯(5)匹配安装在所述波导腔内。
2.根据权利要求1所述的高瓦斯矿井煤层微波脱气方法，其特征在于：所述透波板(6)采用聚四氟乙烯板。
3.根据权利要求1所述的高瓦斯矿井煤层微波脱气方法，其特征在于：所述水箱(7)上设有泄压阀(10)、温度传感器(8)和压力计(9)。
4.根据权利要求1所述的高瓦斯矿井煤层微波脱气方法，其特征在于：所述第二微波发生器包括屏蔽壳体(1)、设置于屏蔽壳体(1)内用于产生微波的磁控管(2)以及控制磁控管(2)工作的PLC控制器(3)。
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