CN213540466U - 注热强化煤体增透促抽装置 - Google Patents

Abstract

注热强化煤体增透促抽装置，包括氮气瓶、注热泵、注浆泵、氮气加热装置、第一囊袋、第二囊袋、注气管和封孔管，氮气瓶倒立设置在支架上，第二囊袋上设有单向阀，封孔管上在第一囊袋和第二囊袋之间设有***阀；注浆泵通过注浆软管与封孔管的外端连接，氮气瓶与注气管的外端之间通过注气软管连接，注热泵和氮气加热装置均设置在注气软管上。本实用新型利用水的热胀性，在高温氮气加热作用下水体自然膨胀，产生巨大的热应力，可对钻孔实施严密封孔，提高封孔效果，在注氮气过程中采用安全可靠的电加热方式，本实用新型可重复利用，降低材料费用。

Description

注热强化煤体增透促抽装置

技术领域

本实用新型属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种注热强化煤体增透促抽装置。

背景技术

我国大部分煤层具有“三低一高”（低渗透性、低饱和度、低储层压力，高变质程度）的特征。煤层的低渗透性导致瓦斯抽采困难，造成矿井“抽-掘-采”失调，形成重大安全生产隐患，为煤矿瓦斯事故的发生埋下隐患。因此，国内外学者研究提出了水力割缝、保护层开采、深孔***、CO₂相变致裂等煤层增透促抽技术措施。但由于种种原因所限，从技术和经济角度衡量，目前所常用的各种技术措施增透效果尚需进一步提升。

氮气具有良好的化学稳定性，是一种常见的惰性气体，本身不燃烧也不助燃，且非常容易制备，造价很低。如果将氮气加热后通过钻孔注入煤体，则可有效提高煤体温度，可加强对煤体的热驱作用，强化瓦斯抽采效果；较高的氮气气体分压，可对煤体瓦斯形成置换和驱替效应，进一步强化瓦斯抽采效果；而且氮气的惰性特征，可以防止钻孔发火，杜绝火灾、瓦斯***、煤尘***等事故。因此，利用高温氮气作为介质进行煤层钻孔注热强化促抽经济可行。

在注热强化促抽及瓦斯抽采过程中，封孔工作都是一项非常重要的基础性工作；封孔质量的好坏，直接影响到煤体致裂程度、瓦斯抽采效果的好坏，直接影响该技术的经济效益。而封孔质量的好坏，主要由封孔器性能及封孔工艺方法所控制；但现有的封孔器及封孔方法均是针对常温条件下进行设计的，在高温介质注热强化促抽作用下易造成封孔材料破裂、钻孔漏气、瓦斯抽采效果差等问题，很难兼顾高温介质注入及常温下的瓦斯抽采工作的要求。如果将常温条件下的抽采钻孔与高温介质注入钻孔分别施工和封孔，则会增加钻孔工程量，增加抽采工程费及封孔费用，无论从技术层面还是从经济层面考虑，均无法满足煤矿现场工作的要求。因此，亟需一种注热强化煤体增透促抽装置，可同时满足高温介质注入、常温瓦斯抽采、重复利用、安全可靠的要求。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种原理科学、安全可靠、封孔严实、可将高温高压氮气注入煤体钻孔内的注热强化煤体增透促抽装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：注热强化煤体增透促抽装置，包括氮气瓶、注热泵、注浆泵、氮气加热装置、第一囊袋、第二囊袋、注气管和封孔管，氮气瓶倒立设置在支架上，第一囊袋和第二囊袋均同中心线固定设在注气管上，第二囊袋位于第一囊袋内侧，封孔管的出口端穿过第一囊袋伸到第二囊袋内部，封孔管上开设有与第一囊袋内部连通的透孔，第二囊袋上设有单向阀，单向阀的进口位于第二囊袋的外侧，单向阀的出口位于第二囊袋的内侧，封孔管上在第一囊袋和第二囊袋之间设有***阀；注气管、封孔管、单向阀与第二囊袋的连接处均密封连接，注气管、封孔管与第一囊袋的连接处均密封连接；注浆泵通过注浆软管与封孔管的外端连接，氮气瓶与注气管的外端之间通过注气软管连接，注热泵和氮气加热装置均设置在注气软管上。

注气管的外端部设有注气阀，封孔管的外端部设有封孔阀，氮气瓶的瓶口处设有开关阀。

氮气加热装置包括呈长方体结构的加热箱，加热箱前后相对的两个侧面上分别设有与注气软管连接的进气口和出气口，加热箱内设有立体网笼结构，加热箱的左侧箱壁和右侧箱壁分别设有用于固定立体笼状结构的固定环，立体网笼结构由若干条纵横交叉布置的导热管固定连接而成，导热管内设有电加热丝和绝缘导热油，加热箱内在立体网笼结构的上方和下方分别设有上接线柱和下接线柱，所有电加热丝的上端和下端均连接有导线，上部和下部的导线分别与上接线柱和下接线柱连接，上接线柱和下接线柱分别连接有穿过加热箱箱壁的供电线。

加热箱的箱壁为三层结构，最外层和最内层分别采用钢板焊接而成，中间夹层充填为玻璃纤维保温材料。

采用上述技术方案，本实用新型在工作使用前，先在煤体内施工若干钻孔，然后对钻孔采用常规的“两堵一注”工艺封孔，即在钻孔内设置抽采管；然后将本实用新型的封孔部分送入抽采管内预定深度，第一囊袋和第二囊袋固定在注气管上，第一囊袋和第二囊袋之间的距离不少于4m；将封孔管连接注浆软管和注浆泵，打开封孔阀，注浆泵抽取清水通过注浆软管、封孔管对第一囊袋和第二囊袋进行注水，注水压力不小于2MPa，使第一囊袋和第二囊袋的外圆充分与抽采管内壁接触，达到密封抽采管的目的；继续增加注浆泵的注水压力，使封孔管上处于第一囊袋和第二囊袋之间的***阀打开，清水流入到抽采管内部在第一囊袋和第二囊袋之间形成的封闭腔内；第二囊袋上的单向阀的开启压力是2MPa，当封闭腔内压力大于2MPa时，第二囊袋上的单向阀向钻孔深处打开，排出封闭腔内的空气，使清水继续流入封闭腔内，直至封闭腔内充满水体（根据第一囊袋、第二囊袋以及封闭腔的体积，并结合注浆泵的注水速度，可计算出注满水所需的时间，为了确保封闭腔内充满水体，可在计算的时间后再延长1-2分钟），然后关闭注浆泵和封孔阀。

接着向钻孔内注入高温、高压氮气对煤体进行注热增透，具体过程为：打开注气管上的注气阀和氮气瓶上的开关阀；先使电加热丝通电升温，电加热丝对导热管内的绝缘导热油加热，绝缘导热油升温后通过导热管向外辐射热能，3-5分钟后，启动注热泵，氮气瓶内的氮气先进入加热箱内，在氮气通过加热箱的过程中，导热管散发的热量对氮气加热，氮气的温度被加热到80℃后由注气软管进入到注气管内，再由注气管进入到钻孔深处；在高温、高压氮气加热作用下，第一囊袋、第二囊袋内部及两个囊袋之间的水体受热膨胀，并在自身膨胀力的作用下，将抽采管内壁严密密封。

高温、高压的氮气对煤体进行高压注热，氮气的压力不小于2MPa；氮气在高压作用下向钻孔深处远处运移，运移过程中不断加热煤体，促进煤体瓦斯解吸，并热解煤体，增加煤体孔隙，提高煤体透气性，强化瓦斯抽采；在注入高温氮气的过程中，对该注入氮气的钻孔邻近的钻孔的抽采管一直在进行瓦斯抽采作业，保证加热后煤体逸出气体被及时抽走，防止气体喷出伤人；在向钻孔内注入高温、高压氮气对煤体加热4h后，停止煤体注热强化促抽工作，从抽采管内取出封孔部分，下次继续复用。取出封孔部分的具体过程为，依次关闭注热泵、开关阀和注气阀，1h后打开封孔阀，第一囊袋、第二囊袋及两个囊袋之间的水体自动流出，然后将封孔部分取出即可。最后将该注氮气的钻孔内的抽采管外端连接抽采***，进行瓦斯抽采工作，进一步强化瓦斯抽采效果。

本实用新型利用水的热胀性，在高温氮气加热作用下水体自然膨胀，产生巨大的热应力，可对钻孔实施严密封孔，提高封孔效果，且对煤体及地下水没有污染；采用水作为封孔材料，造价低廉，具有良好的经济性；采用高温氮气作为加热介质，可有效加热煤体，且可防止钻孔内煤体发火；在确保安全的同时，有效解决“水锁效应”，保证瓦斯抽采效果，而且可解决红外、微波等加热措施衰减速度快、耗能高、易损坏、无法重复利用等缺点；

在加热箱内采用电加热丝（电阻丝）加热，且将电加热丝置于充满绝缘导热油的密封结构（导热管）内，在确保氮气加热效果的同时，保证不会产生电火花从而导致瓦斯***、煤尘***等事故的发生；将注热泵置于加热箱的前侧，保证注热泵处于低温状态，有效延长了注热泵的寿命，且能够提供稳定的高压气源；

抽采管为PVE管材，注气管采用聚四氟乙烯材质，该管材具有抗低温、耐腐蚀、抗静电、阻燃、憎水性、不粘性等特点，可应用于封孔，并保证气密性。

本实用新型中的封孔部分采用双囊袋配合单向阀、***阀的设计，可将囊袋内及两囊袋间的水体顺利放出；水体封孔段在抽采管内，抽采管内壁光滑且变形较小；上述措施确保本实用新型可重复利用，降低材料费用。

附图说明

图1是本实用新型在工作时的结构示意图；

图2是图1中氮气加热装置的内部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和图2所示，本实用新型的注热强化煤体增透促抽装置，包括氮气瓶7、注热泵8、注浆泵9、氮气加热装置10、第一囊袋11、第二囊袋12、注气管13和封孔管14，氮气瓶7倒立设置在支架15上，第一囊袋11和第二囊袋12均同中心线固定设在注气管13上，第二囊袋12位于第一囊袋11内侧，封孔管14的出口端穿过第一囊袋11伸到第二囊袋12内部，封孔管14上开设有与第一囊袋11内部连通的透孔，第二囊袋12上设有单向阀17，单向阀17的进口位于第二囊袋12的外侧（即邻近第一囊袋11的一侧），单向阀17的出口位于第二囊袋12的内侧（即远离第一囊袋11的一侧），封孔管14上在第一囊袋11和第二囊袋12之间设有***阀18；注气管13、封孔管14、单向阀17与第二囊袋12的连接处均密封连接，注气管13、封孔管14与第一囊袋11的连接处均密封连接；注浆泵9通过注浆软管19与封孔管14的外端连接，氮气瓶7与注气管13的外端之间通过注气软管20连接，注热泵8和氮气加热装置10均设置在注气软管20上。

注气管13的外端部设有注气阀21，封孔管14的外端部设有封孔阀22，氮气瓶7的瓶口处设有开关阀23。

氮气加热装置10包括呈长方体结构的加热箱29，加热箱29前后相对的两个侧面上分别设有与注气软管20连接的进气口和出气口，加热箱29内设有立体网笼结构，加热箱29的左侧箱壁和右侧箱壁分别设有用于固定立体笼状结构的固定环50，立体网笼结构由若干条纵横交叉布置的导热管24固定连接而成，导热管24内设有电加热丝25和绝缘导热油26，加热箱29内在立体网笼结构的上方和下方分别设有上接线柱27和下接线柱28，所有电加热丝25的上端和下端均连接有导线31，上部和下部的导线31分别与上接线柱27和下接线柱28连接，上接线柱27和下接线柱28分别连接有穿过加热箱29箱壁的供电线。

加热箱29的箱壁为三层结构，最外层和最内层分别采用钢板焊接而成，中间夹层充填为玻璃纤维保温材料30（具有良好的保温隔热性能，确保热量不向外散发，提高热交换效率）。

本实用新型在工作使用前，先在煤体内施工若干钻孔3，然后对钻孔3采用常规的“两堵一注”工艺封孔，即在钻孔3内设置抽采管6；然后将本实用新型的封孔部分送入抽采管6内预定深度，第一囊袋11和第二囊袋12固定在注气管13上，第一囊袋11和第二囊袋12之间的距离不少于4m；将封孔管14连接注浆软管19和注浆泵9，打开封孔阀22，注浆泵9抽取清水通过注浆软管19、封孔管14对第一囊袋11和第二囊袋12进行注水，注水压力不小于2MPa，使第一囊袋11和第二囊袋12的外圆充分与抽采管6内壁接触，达到密封抽采管6的目的；继续增加注浆泵9的注水压力，使封孔管14上处于第一囊袋11和第二囊袋12之间的***阀18打开，清水流入到抽采管6内部在第一囊袋11和第二囊袋12之间形成的封闭腔16内；第二囊袋12上的单向阀17的开启压力是2MPa，当封闭腔16内压力大于2MPa时，第二囊袋12上的单向阀17向钻孔3深处打开，排出封闭腔16内的空气，使清水继续流入封闭腔16内，直至封闭腔16内充满水体（根据第一囊袋11、第二囊袋12以及封闭腔16的体积，并结合注浆泵9的注水速度，可计算出注满水所需的时间，为了确保封闭腔16内充满水体，可在计算的时间后再延长1-2分钟），然后关闭注浆泵9和封孔阀22。

接着向钻孔3内注入高温、高压氮气对煤体进行注热增透，具体过程为：打开注气管13上的注气阀21和氮气瓶7上的开关阀23；先使电加热丝25通电升温，电加热丝25对导热管24内的绝缘导热油26加热，绝缘导热油26升温后通过导热管24向外辐射热能，3-5分钟后，启动注热泵8，氮气瓶7内的氮气先进入加热箱29内，在氮气通过加热箱29的过程中，导热管24散发的热量对氮气加热，氮气的温度被加热到80℃后由注气软管20进入到注气管13内，再由注气管13进入到钻孔3深处；在高温、高压氮气加热作用下，第一囊袋11、第二囊袋12内部及两个囊袋之间的水体受热膨胀，并在自身膨胀力的作用下，将抽采管6内壁严密密封。

高温、高压的氮气对煤体进行高压注热，氮气的压力不小于2MPa；氮气在高压作用下向钻孔3深处远处运移，运移过程中不断加热煤体，促进煤体瓦斯解吸，并热解煤体，增加煤体孔隙，提高煤体透气性，强化瓦斯抽采；在注入高温氮气的过程中，对该注入氮气的钻孔3邻近的钻孔3的抽采管6一直在进行瓦斯抽采作业，保证加热后煤体逸出气体被及时抽走，防止气体喷出伤人；在向钻孔3内注入高温、高压氮气对煤体加热4h后，停止煤体注热强化促抽工作，从抽采管6内取出封孔部分，下次继续复用。取出封孔部分的具体过程为，依次关闭注热泵8、开关阀23和注气阀21，1h后打开封孔阀22，第一囊袋11、第二囊袋12及两个囊袋之间的水体自动流出，然后将封孔部分取出即可。最后将该注氮气的钻孔3内的抽采管6外端连接抽采***，进行瓦斯抽采工作，进一步强化瓦斯抽采效果。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.注热强化煤体增透促抽装置，其特征在于：包括氮气瓶、注热泵、注浆泵、氮气加热装置、第一囊袋、第二囊袋、注气管和封孔管，氮气瓶倒立设置在支架上，第一囊袋和第二囊袋均同中心线固定设在注气管上，第二囊袋位于第一囊袋内侧，封孔管的出口端穿过第一囊袋伸到第二囊袋内部，封孔管上开设有与第一囊袋内部连通的透孔，第二囊袋上设有单向阀，单向阀的进口位于第二囊袋的外侧，单向阀的出口位于第二囊袋的内侧，封孔管上在第一囊袋和第二囊袋之间设有***阀；注气管、封孔管、单向阀与第二囊袋的连接处均密封连接，注气管、封孔管与第一囊袋的连接处均密封连接；注浆泵通过注浆软管与封孔管的外端连接，氮气瓶与注气管的外端之间通过注气软管连接，注热泵和氮气加热装置均设置在注气软管上。

2.根据权利要求1所述的注热强化煤体增透促抽装置，其特征在于：注气管的外端部设有注气阀，封孔管的外端部设有封孔阀，氮气瓶的瓶口处设有开关阀。

3.根据权利要求1或2所述的注热强化煤体增透促抽装置，其特征在于：氮气加热装置包括呈长方体结构的加热箱，加热箱前后相对的两个侧面上分别设有与注气软管连接的进气口和出气口，加热箱内设有立体网笼结构，加热箱的左侧箱壁和右侧箱壁分别设有用于固定立体笼状结构的固定环，立体网笼结构由若干条纵横交叉布置的导热管固定连接而成，导热管内设有电加热丝和绝缘导热油，加热箱内在立体网笼结构的上方和下方分别设有上接线柱和下接线柱，所有电加热丝的上端和下端均连接有导线，上部和下部的导线分别与上接线柱和下接线柱连接，上接线柱和下接线柱分别连接有穿过加热箱箱壁的供电线。

4.根据权利要求3所述的注热强化煤体增透促抽装置，其特征在于：加热箱的箱壁为三层结构，最外层和最内层分别采用钢板焊接而成，中间夹层充填为玻璃纤维保温材料。

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