一種分離瓦斯的方法

專利名稱：一種分離瓦斯的方法
技術領域：
本發明涉及煤炭開采領域，尤其涉及煤炭開采中的瓦斯分離提純領域。
背景技術：
在煤炭開采過程中，煤層中存在的大量瓦斯涌到采掘空間，采用礦井通風排除礦 井瓦斯是瓦斯治理的基本手段之一。這樣大量的瓦斯隨礦井主要通風機排向大氣，在浪費 寶貴瓦斯能源的同時，給大氣環境也造成了極大的污染。在采煤的過程中，對煤層瓦斯的抽采利用、防止瓦斯對大氣環境造成破壞就顯得
非常重要。瓦斯利用中最重要的一個方法就是瓦斯分離提純。當前三大氣體分離技術為膜分 離、變壓吸附和深冷分離技術。當前經濟適用的礦井瓦斯分離技術主要為變壓吸附與深冷 分離技術相結合，其技術原理主要為變壓吸附技術主要原理為將40%左右的瓦斯加壓到7 8個大氣壓并送入吸附 罐，吸附罐中主要吸附材料為活性碳，利用活性碳對不同氣體的選擇性吸附將瓦斯吸附在 活性碳微孔內，在活性碳吸附飽和時再將吸附罐減壓釋放出濃度在80%以上的高濃度瓦 斯，再進行下一循環的吸附過程。經過變壓吸附分離出來的瓦斯濃度約為80%，貯運仍不 便，需采取深冷分離技術，將瓦斯濃度提純近100 %，瓦斯提純任務就算完成了。對變壓吸附技術來說，一般要求分離前混合氣體中瓦斯濃度不小于40%，以保證 瓦斯提純的成本不會太高。對于濃度在10%左右甚至更低濃度瓦斯，由于瓦斯濃度在爆炸 限值內，具有很高的危險性且由于濃度低、提純成本太高，目前的分離技術對于這一部分濃 度的瓦斯由于分離成本太高而不能分離。目前瓦斯抽采主要有鉆孔預抽煤層瓦斯、高抽巷或鉆孔抽取裂隙帶瓦斯、采空區 埋管抽放瓦斯。1)鉆孔預抽煤層瓦斯。在煤層被開采前，向待開采煤層中施工合理密度的鉆孔， 煤層中的瓦斯就會向鉆孔空間流動，通過連接在鉆孔上的管道及抽瓦斯泵將煤層瓦斯抽采 出來。所以鉆孔預抽煤層瓦斯的濃度很高，一般都在40%以上甚至接近100%，但鉆孔抽采 瓦斯流量變化很大，在打好鉆孔剛開始抽采時，由于煤層中瓦斯沒有釋放過，瓦斯氣體壓力 高，流量很大。隨時間推移，到抽采末期時，由于煤層中能夠被抽采的瓦斯已基本完全釋放， 抽采瓦斯的流量很小，甚至不足初期流量的十分之一。由此可見，鉆預抽煤層瓦斯濃度可滿 足變壓吸附分離技術的需要。2)高抽巷或鉆孔抽取采煤工作面裂隙帶瓦斯。井下工作面在采煤過程中，如綜采 工作面采煤時，煤層中的瓦斯將釋放出來，容易造成工作面瓦斯超限，特別是回風隅角瓦斯 超限。瓦斯超限的主要原因是采煤工作面采完后，工作面后方采空區自下而上形成三帶，即 冒落帶，裂隙帶和彎曲下沉帶。工作面頂板(煤層直接頂)冒落碎脹后形成冒落帶；直接 頂上方的老頂由于下沉量較小，下沉變形在巖層內產生很多裂隙，叫做裂隙帶；裂隙帶上方 面的巖層由于下沉量很小，巖層內基本無裂隙產生，叫做彎曲下沉帶。不同巖性的頂板三帶高度稍有差別，一般裂隙帶底部距采煤頂板的距離為采煤高度的3 5倍距離。由于瓦斯 比空氣輕，采煤過程中產生的瓦斯很容易向后上方積聚，特別是裂隙帶的裂隙中瓦斯濃度 較高，一般在10% 30%之間，抽采的瓦斯濃度變化主要受頂板冒落情況等影響。隨工作 面推進，頂板周期來壓(工作面每推進一定距離，頂板大面積冒落一次)，貯存在冒落帶和 裂隙帶中的瓦斯由于裂隙閉合和空間填實而被擠向采煤工作面，對工作面的安全生產造成 極大的安全隱患，所以一般用抽采措施解決。效果比較好的抽采方法為將抽采巷道或鉆孔 沿工作面方向預先布置在裂隙帶高度內，將裂隙帶瓦斯及冒落帶空隙中的瓦斯及時抽采出 來，防止瓦斯涌向工作面空間。由此可見，高抽巷或鉆孔抽取采煤工作面裂隙帶瓦斯濃度不 能夠滿足變壓吸附瓦斯分離技術的需要。3)工作面采空區埋管抽放瓦斯。采煤時，在采煤工作面后方采空區內埋設管道，抽 取采空區冒落帶下部裂隙中的瓦斯，由于瓦斯比空氣輕，抽采的這部分瓦斯濃度較低，一般 在5% 15%之間。抽采的瓦斯濃度主要隨工作面推進而不斷變化。當剛對埋設的管道抽 放時，埋管距離工作面較近，一般為30 50m，瓦斯濃度為5%左右，隨工作面推進，距工作 面較遠達150m左右時，抽采的瓦斯濃度可達15%以上，此時應根據工作面瓦斯涌出情況及 時重新埋管。這一部分抽采的瓦斯濃度更低，與變壓吸附瓦斯要求的濃度相差很大。由此可將，現有的瓦斯分離技術需要的瓦斯量很大、要求瓦斯濃度較高且氣源穩 定；另一方面礦井雖然抽采了大量的瓦斯，但可供分離的那一部分瓦斯量只占較小一部分 比例且供氣量變化很大。如果將低濃度瓦斯都進行分離，分離裝置數量大為增加，分離成本 很高，效率也很低。

發明內容
本發明的目的在于提供一種分離成本低、分離效率高的分離礦井中瓦斯的方法。在標準狀態下，純瓦斯密度大約為0. 72kg/m3，遠小于空氣密度1. 29kg/m3,本發 明在于利用瓦斯密度比空氣輕的特性實現瓦斯自然與空氣分離，經自然分離后，濃度低于 30%的瓦斯可富集到高達40%以上。礦井在開采過程中，會形成大量的采空區，有的采空區 空間可達百萬立方米，且采空區被冒落帶頂板巖石等充填，瓦斯壓入采空區后，氣體在采空 區的流場會處于相對停滯的狀態，便于瓦斯自然分離。由于瓦斯氣體比空氣輕，會自然從空 氣中分離并上浮，并富集在采空區上部裂隙帶空間。通過鉆孔等手段收集這一區域的富集 瓦斯，可實現瓦斯在井下采空區分離的目的。基于上述考慮，本發明提供以下技術方案來實現本發明的目的一種分離瓦斯的方法，包括1)在孤立的采空區所有出口砌筑密閉墻體，使采空區與外界完全隔斷；2)在所述采空區下部的至少一個密閉墻體中設瓦斯進氣管道；3)將抽采的瓦斯通過所述密閉墻體外側的阻火器與所述密閉墻體內側的瓦斯進 氣管路相連；4)在所述采空區上部的裂隙帶中設置至少一個鉆孔，收集富集的瓦斯；5)將所述鉆孔經阻火器與瓦斯出氣管道相連。優選地，所述瓦斯出氣管道與瓦斯變壓吸附裝置相連。優選地，所述密閉墻體防水、防火、防爆。
優選地，所述采空區周邊有隔離煤柱。優選地，所述瓦斯進氣管道設在采空區下部較低區域的密閉墻體上，所述瓦斯出 氣管道設在采空區上部較高區域裂隙帶的鉆孔上。優選地，在所述采空區上部和下部的1 3個密閉墻體中設置所述瓦斯進氣管道 及出氣管道。優選地，所述采空區下部的密閉墻體的下部留設U型排水管。優選地，所述阻火器是水封阻火器。與現有技術相比，本發明的優點在于，充分利用井下采空區巨大的冒落空間，在分 離成本很低的情況下，利用瓦斯比空氣輕的特性，實現了瓦斯與空氣的自然分離，將人工裝 置分離成本很高的低濃度瓦斯的濃度提高到40%以上，實現礦井抽采瓦斯的100%分離提 純。本發明方法分離成本低、分離效率高，并節約了能源。


圖1是本發明方法的一個具體實施方案的示意圖。
具體實施例方式下面結合圖1進一步詳細說明本發明的方法，但本發明不限于以下內容。根據各個礦井的不同采空區情況，選擇條件非常孤立的采空區1，主要為與礦井其 他區域完全隔離，此外，采空區距離地表要有足夠的距離，地表表土層也較厚，這樣可保證 采空區完全孤立，防止采空區瓦斯爆炸、浮煤自然發火等現象的發生及災害發生時對礦井 其他區域造成影響，同時也保證災害易于封閉處理。將與采空區1相連的所有出口 2，8全部砌筑防水、防火、防爆密閉墻體3。采用區 1周邊與其相鄰的巷道、采空區、采掘工作面等空間與此采空區之間要有足夠的隔離煤柱7 以及隔離煤柱邊界6。在采空區下部的密閉墻體3中留設瓦斯進氣管道4，將礦井抽采的低 濃度瓦斯(濃度在30%以下的瓦斯)通過密閉墻體3外側的阻火器5與密閉墻體3內側的 瓦斯進氣管路4相連。在采空區1的上部的頂板裂隙帶中打鉆孔，收集經自然分離后富集 到上部裂隙帶濃度達40 %甚至更高瓦斯，并將鉆孔經阻火器5與瓦斯出氣管道9相連，由出 氣管道向地面的瓦斯變壓吸附裝置供給濃度在40%以上的瓦斯。防水、防火、防爆密閉的標準可由各礦井根據各自條件設計。要點是密閉要有足夠 的強度，能夠抵抗瓦斯爆炸等沖擊波，并能阻斷密閉內外火災及水災的影響。防止此采空區 火災、瓦斯爆炸等災害影響到其他區域。瓦斯出氣管道與瓦斯變壓吸附裝置相連。這樣可將分離后的濃度達40%以上的大 量高濃度瓦斯作為變壓吸附裝置的瓦斯氣源，并進一步通過變壓吸附裝置和深冷分離技術 將瓦斯提純至100%。瓦斯進氣管道設在密閉墻體中上部，原因是密閉采空區內可能有積水，應防止積 水淹沒管道進口。采空區周邊與其相鄰的巷道、采空區、采掘工作面等空間與此采空區之間要有足 夠的隔離煤柱，以保證將采空區與外界完全隔斷，形成一個隔絕的巨大空間。這同樣是為了 防止此采空區火災、瓦斯爆炸等災害影響到其他區域。
采空區是采完煤以后遺留下來的冒落空間，由于絕大部分煤層都是傾斜的，采空 區也是傾斜的，所以采空區域有高低之分。瓦斯進氣管道設在采空區較低區域的密閉墻體 上，瓦斯出氣管道設在采空區較高區域裂隙帶的鉆孔上。這樣可以使瓦斯與空氣分離時，瓦 斯向上浮動，并在采空區上部裂隙帶富集。供給采空區的瓦斯混合氣體的供給速度可以適 當控制，以保證瓦斯自然分離效果。由于供給采空區的瓦斯混合氣體在采空區擴散后為層 流狀態，有利于氣體分離，并且一般情況下采空區很大，管路供氣量較小，所以瓦斯自然分 離效果好。在采空區下部的密閉墻體的下部留設U型排水管。U型彎內應灌滿水，并設置閥 門，在能夠順利實現排巷道內積水的同時防止瓦斯等有害氣體漏出，并利用水封實現良好 的隔爆效果。阻火器是水封阻火器。采用水封阻火器的原因是水封阻火器阻火效果可靠，裝置 適應性強，適合井下高濕高塵瓦斯氣流。水封阻火器的基本原理主要是當火焰通過水氣混 合層時，火焰與水接觸，能量被水蒸發吸收，化學反應的自由基減少并消除；水的瞬間氣化 也降低了瓦斯中的甲烷濃度，使火焰熄滅；由于水封的存在，爆炸沖擊波由于水體的隔斷而 無法繼續沿管道傳播。只要維持阻火器內水位的不低于最低值，即可保證阻火器可靠工作。應根據礦井具體情況，優先考慮在難自燃煤層的采空區內實施此瓦斯分離方案。
權利要求
1.一種分離瓦斯的方法，包括1)在孤立的采空區所有出口砌筑密閉墻體，使采空區與外界完全隔斷；2)在所述采空區下部的至少一個密閉墻體中設瓦斯進氣管道；3)將抽采的瓦斯通過所述密閉墻體外側的阻火器與所述密閉墻體內側的瓦斯進氣管 道相連；4)在所述采空區上部的裂隙帶中設置至少一個鉆孔，收集富集的瓦斯；5)將所述鉆孔經阻火器與瓦斯出氣管道相連。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述瓦斯出氣管道與瓦斯變壓吸附裝置 相連。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述密閉墻體防水、防火、防爆。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述采空區周邊有隔離煤柱。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述瓦斯進氣管道設在采空區下部較低 區域的密閉墻體上，所述瓦斯出氣管道設在采空區上部較高區域裂隙帶的鉆孔上。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，分別在所述采空區上部和下部的1 3個 密閉墻體中設置所述瓦斯進氣管道及出氣管道。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述采空區下部的密閉墻體的下部留設U 型排水管。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在于，所述阻火器是水封阻火器。
全文摘要
本發明提供了一種分離瓦斯的方法，包括1)在孤立的采空區所有出口砌筑密閉墻體，使采空區與外界完全隔斷；2)在所述采空區下部的至少一個密閉墻體中設瓦斯進氣管道；3)將抽采的瓦斯通過所述密閉墻體外側的阻火器與所述密閉墻體內側的瓦斯進氣管道相連；4)在所述采空區上部的裂隙帶中設置至少一個鉆孔，收集富集的瓦斯；5)將所述鉆孔經阻火器與瓦斯出氣管道相連。本發明方法充分利用井下采空區巨大的冒落空間，在分離成本很低的情況下，利用瓦斯比空氣輕的特性，實現了瓦斯與空氣的自然分離，將人工裝置分離成本很高的低濃度瓦斯的濃度提高到40％以上，實現礦井抽采瓦斯的100％分離提純。
文檔編號E21B43/34GK102121369SQ201010604409
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月15日 優先權日2010年12月15日
發明者周成軍 申請人:中國神華能源股份有限公司