一種基于輪替思想的瓦斯抽采設備與抽采方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及瓦斯抽采技術領域，尤其涉及一種基于輪替思想的瓦斯抽采設備與抽采方法。
【背景技術】
[0002]我國含瓦斯煤層普遍具有“兩低一高”的特點，即煤層瓦斯壓力較低，煤層的透氣性較低，煤層對瓦斯的吸附能力較高，這就造成了煤礦井下瓦斯治理困難和煤層瓦斯抽采效率低。目前，煤層注水防治煤與瓦斯突出和高壓水力壓裂提高煤層透氣性的技術正在諸多礦山得到廣泛應用。煤中水的存在對瓦斯吸附量影響較大，水分子與煤表面的作用力比甲烷分子更強，煤層注水后可使煤裂隙中的瓦斯被驅替出來，水分子也可置換處于吸附狀態的甲烷分子，但煤層中的水進入煤層裂隙、孔隙后，同時也會封堵瓦斯運移的通道。因此，在煤層水力壓裂瓦斯抽采過程中，不僅要壓裂煤體增大煤層透氣性，還要考慮將煤體中的瓦斯逐級驅替出來。以往的煤體壓裂抽采設備大多只考慮了致裂增透，而沒有考慮對煤體中瓦斯的逐級驅替作用，瓦斯抽采效率較低。因此，需要一種基于輪替思想的煤體內瓦斯分級驅替設備和方法，實現對煤體中的瓦斯輪替抽采，同時避免水力壓裂煤體后水進入煤層裂隙、孔隙封堵瓦斯運移通道的弊端，從而提高瓦斯抽采效率。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于克服現有瓦斯抽采技術的不足，提供一種基于輪替思想的瓦斯抽采設備與抽采方法，實現對煤體中瓦斯輪替抽采，提高瓦斯抽采效率。
[0004]為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是:
[0005]—種基于輪替思想的瓦斯抽采設備，包括密封腔體、加載機構、瓦斯供給與控制系統、瓦斯輪替與控制系統、瓦斯流量動態監測系統及數據采集計算機;所述密封腔體上端的密封蓋中心有一圓孔，加載柱從圓孔穿過對腔體內部煤巖體施加荷載;所述瓦斯輪替與控制系統包括負壓抽采子系統和致裂驅替子系統，負壓抽采子系統包括瓦斯抽采栗，致裂驅替子系統包括高壓水栗、充氣罐和致裂驅替篩管，高壓水栗、充氣罐和瓦斯抽采栗通過管路與插入煤巖體內部的不同長度致裂驅替篩管連接;所述瓦斯供給與控制系統、瓦斯流量監測系統分別和充氣管路及抽采管路相連。
[0006]所述密封腔體為在一圓墩中間挖一圓柱形腔體，密封腔體與腔體密封蓋通過螺栓連接，所述腔體密封蓋內圈鑲嵌有密封橡膠圈。
[0007]所述密封腔蓋子上豎向插有多個長短相間的致裂驅替篩管，所述致裂驅替篩管從腔體蓋子穿過插入密封腔體內部煤巖體，且致裂驅替篩管與腔體蓋子通過密封裝置和膠墊密封。
[0008]所述致裂驅替篩管為中空末端封閉的不銹鋼管，上部穿過密封腔體蓋與外部管路連接，下部插入密封腔體內部的煤巖體中；所述致裂驅替篩管分長、短兩種，長致裂驅替篩管可插至密封腔體底部，且插入煤體的下半段有多個不同方向的橫向通孔，短致裂驅替篩管可插至密封腔體中部，且插入煤體部分有多個不同方向的橫向通孔。
[0009]所述瓦斯輪替與控制系統包括負壓抽采子系統和致裂驅替子系統，所述負壓抽采子系統包括瓦斯抽采栗，瓦斯抽采栗通過抽采管路與致裂驅替篩管上端接口連接，抽采管路上設有管路開關、瓦斯流量計和氣壓表，且抽采管路末端設有多個管路接頭;所述致裂驅替子系統包括高壓水栗、充氣罐和致裂驅替篩管，所述高壓水栗進水口與水箱連接，出水口通過充水管路與致裂驅替篩管上端接口連接，所述充水管路上設有充水開關、充水壓力表、充水流量計，且充水管路末端設有多個管路接頭;所述充氣罐一端連接高壓氣體鋼瓶，另一端通過充氣管路與致裂驅替篩管上端接口連接，且充氣管路末端設有多個管路接頭。
[0010]所述加載機構包括加載柱和位于腔體內的加載頭，所述加載柱從腔體蓋子中間圓孔穿過，蓋子與加載柱連接處有回彈性很好的XY密封圈和O型密封圈，XY密封圈在O型密封圈之上，所述加載柱側面有刻度，加載過程中可測出加載柱下降的位移，且加載柱中心有一輸氣孔，輸氣孔下端接有一個短抽采管，上端通過加載柱側面的出氣孔與抽采管路接頭連接;所述加載頭為多孔圓盤，與密封腔體內壁滑動連接，致裂驅替篩管可穿過加載頭穿孔插入煤巖體，加載頭中心與加載柱下端直接接觸。
[0011 ]所述密封腔體內壁瓦斯進氣口處裝有組合金屬篩網。
[0012]所述瓦斯流量動態監測系統由數控質量流量計和流量動態監測軟件組成。
[0013]基于輪替思想的瓦斯抽采方法，包括如下步驟:
[0014]a、篩管安裝:向密封腔體內裝入適量煤樣，加載頭壓在煤樣上方，致裂驅替篩管接到密封腔體蓋上，將腔體密封蓋蓋在密封腔體上，使致裂驅替篩管穿過加載頭插入煤巖體內。
[0015]b、裝置密封:穿上連接螺栓使密封蓋內圈的O型密封圈緊壓在密封腔體上端口，將加載柱從腔體密封蓋14中心圓孔穿過壓在加載頭上端，加載柱和腔體密封蓋連接處自下而上依次放O型密封圈、XY型密封圈，然后蓋上小蓋壓住密封圈，通過螺栓將小蓋固定在腔體密封蓋上，完成腔體密封；
[0016]C、系統裝配:按要求連接各管路和管路上相關元件，保證各管路開關處于關閉狀態;將數控瓦斯流量計與計算機和瓦斯流動特性動態監測系統連接；
[0017]d、加載:向加載柱施加荷載，使加載頭向腔體內部滑動，對腔體內部煤巖體施加荷載。根據現場實測得到的煤巖體的孔隙度，通過調整加載系統對煤巖體施加的載荷改變腔體7內煤巖體的孔隙、裂隙結構，在腔體內形成與現場實測煤巖體孔隙度一致的煤巖體；
[0018]e、充氣:按設定的瓦斯壓力經瓦斯充氣罐、數控流量計、組合金屬篩網持續向密封腔體內煤巖體通恒壓瓦斯24小時，使煤巖體充分吸附瓦斯，并關閉進氣口開關；
[0019]f、瓦斯抽采:本發明可采用三種方法對瓦斯輪替抽采:
[0020](I)高壓N2驅趕瓦斯輪替抽采法:先將所有致裂驅替篩管、上端和出氣孔接口連接抽采管路接頭，打開抽采管路開關，對煤巖體負壓抽采瓦斯;然后將長致裂驅替篩篩管上端接的抽采管路接頭換為％充氣管路接頭，打開充氣管路開關，通過長致裂驅替篩管向下部煤巖體中壓入犯驅趕煤巖體裂隙、孔隙中的瓦斯，同時通過短致裂驅替篩管和接在加載柱中心處的抽采管負壓抽采瓦斯;一段時間后，再將腔體密封蓋外圈的短致裂驅替篩管上端接的抽采管路接頭換為犯充氣管路接頭，內圈短致裂驅替篩管和中心處抽采管繼續負壓抽采瓦斯;最后將腔體密封蓋內圈的短致裂驅替篩管上端接的抽采管路接頭也換為犯充氣管路接頭，僅留中心處抽采管繼續負壓抽采瓦斯；
[0021](2)水力致裂增透瓦斯輪替抽采法:先將所有致裂驅替篩管、上端和出氣孔接口連接抽采管路接頭，打開抽采管路開關，對煤巖體負壓抽采瓦斯;然后將長致裂驅替篩篩管上端接的抽采管路接頭換為充水管路接頭，打開充水管路開關，通過長致裂驅替篩管向下部煤巖體中壓入高壓水，水壓裂煤巖體后繼續充水濕潤下部煤巖體，驅替吸附在煤巖體中的瓦斯，同時通過短致裂驅替篩管和接在加載柱中心處的抽采管負壓抽采瓦斯;一段時間后，再將腔體密封蓋外圈的短致裂驅替篩管上端接的抽采管路接頭換為充水管路接頭，內圈短致裂驅替篩管和中心處抽采管繼續負壓抽采瓦斯;最后將腔體密封蓋內圈的短致裂驅替篩管上端接的抽采管路接頭換為充水管路接頭，僅留中心處抽采管繼續負壓抽采瓦斯；
[0022](3)強吸附氣體驅替瓦斯輪替抽采法:先將所有致裂驅替篩管上端和出氣孔接口連接抽采管路接頭，打開抽采管路開關，對煤巖體負壓抽采瓦斯;然后將長致裂驅替篩篩管上端接的抽采管路接頭換為CO2充氣管路接頭，打開充氣管路開關，通過長致裂驅替篩管向下部煤巖體中壓入C02，驅替下部煤巖體中的瓦斯，同時通過短致裂驅替篩管和接在加載柱中心處的抽采管負壓抽采瓦斯;一段時間后，再將腔體密封蓋外圈的短致裂驅替篩管上端接的抽采管路接頭換為CO2充氣管路接頭，內圈短致裂驅替篩管和中心處抽采管繼續負壓抽采瓦斯;最后將腔體密封蓋內圈的短致裂驅替篩管上端接的抽采管路接頭也換為0)2充氣管路接頭，僅留中心處抽采管繼續負壓抽采瓦斯；
[0023]g、流量監測:在試樣整個瓦斯抽采輪替過程中，數控流量計與計算機相連，通過數據采集分析軟件動態監測煤巖體內瓦斯抽采流量。
[0024]本發明的有益效果:1、本發明通過長短相間的致裂驅替篩管逐級對煤體中瓦斯驅替抽采，負壓抽采瓦斯與驅替瓦斯相結合，實現了對煤巖體中瓦斯的輪替抽采，大大提高了瓦斯抽米效率。
[0025]2、本發明密封腔體和蓋子之間設有O型密封圈，蓋子與加載柱連接處設有XY密封圈和