一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備與抽采方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及瓦斯抽采技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備與抽采方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國含瓦斯煤層普遍具有“兩低一高”的特點(diǎn)，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(shù)正在諸多礦山得到廣泛應(yīng)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(qiáng)，煤層注水后可使煤裂隙中的瓦斯被驅(qū)替出來，水分子也可置換處于吸附狀態(tài)的甲烷分子，但煤層中的水進(jìn)入煤層裂隙、孔隙后，同時(shí)也會(huì)封堵瓦斯運(yùn)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(jí)驅(qū)替出來。以往的煤體壓裂抽采設(shè)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(jí)驅(qū)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(nèi)瓦斯分級(jí)驅(qū)替設(shè)備和方法，實(shí)現(xiàn)對煤體中的瓦斯輪替抽采，同時(shí)避免水力壓裂煤體后水進(jìn)入煤層裂隙、孔隙封堵瓦斯運(yùn)移通道的弊端，從而提高瓦斯抽采效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有瓦斯抽采技術(shù)的不足，提供一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備與抽采方法，實(shí)現(xiàn)對煤體中瓦斯輪替抽采，提高瓦斯抽采效率。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0005]—種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備，包括密封腔體、加載機(jī)構(gòu)、瓦斯供給與控制系統(tǒng)、瓦斯輪替與控制系統(tǒng)、瓦斯流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī);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(nèi)部煤巖體施加荷載;所述瓦斯輪替與控制系統(tǒng)包括負(fù)壓抽采子系統(tǒng)和致裂驅(qū)替子系統(tǒng)，負(fù)壓抽采子系統(tǒng)包括瓦斯抽采栗，致裂驅(qū)替子系統(tǒng)包括高壓水栗、充氣罐和致裂驅(qū)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(nèi)部的不同長度致裂驅(qū)替篩管連接;所述瓦斯供給與控制系統(tǒng)、瓦斯流量監(jiān)測系統(tǒng)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(nèi)圈鑲嵌有密封橡膠圈。
[0007]所述密封腔蓋子上豎向插有多個(gè)長短相間的致裂驅(qū)替篩管，所述致裂驅(qū)替篩管從腔體蓋子穿過插入密封腔體內(nèi)部煤巖體，且致裂驅(qū)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(qū)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(nèi)部的煤巖體中；所述致裂驅(qū)替篩管分長、短兩種，長致裂驅(qū)替篩管可插至密封腔體底部，且插入煤體的下半段有多個(gè)不同方向的橫向通孔，短致裂驅(qū)替篩管可插至密封腔體中部，且插入煤體部分有多個(gè)不同方向的橫向通孔。
[0009]所述瓦斯輪替與控制系統(tǒng)包括負(fù)壓抽采子系統(tǒng)和致裂驅(qū)替子系統(tǒng)，所述負(fù)壓抽采子系統(tǒng)包括瓦斯抽采栗，瓦斯抽采栗通過抽采管路與致裂驅(qū)替篩管上端接口連接，抽采管路上設(shè)有管路開關(guān)、瓦斯流量計(jì)和氣壓表，且抽采管路末端設(shè)有多個(gè)管路接頭;所述致裂驅(qū)替子系統(tǒng)包括高壓水栗、充氣罐和致裂驅(qū)替篩管，所述高壓水栗進(jìn)水口與水箱連接，出水口通過充水管路與致裂驅(qū)替篩管上端接口連接，所述充水管路上設(shè)有充水開關(guān)、充水壓力表、充水流量計(jì)，且充水管路末端設(shè)有多個(gè)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(qū)替篩管上端接口連接，且充氣管路末端設(shè)有多個(gè)管路接頭。
[0010]所述加載機(jī)構(gòu)包括加載柱和位于腔體內(nèi)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(cè)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(gè)短抽采管，上端通過加載柱側(cè)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(nèi)壁滑動(dòng)連接，致裂驅(qū)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(nèi)壁瓦斯進(jìn)氣口處裝有組合金屬篩網(wǎng)。
[0012]所述瓦斯流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)控質(zhì)量流量計(jì)和流量動(dòng)態(tài)監(jiān)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(nèi)裝入適量煤樣，加載頭壓在煤樣上方，致裂驅(qū)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(qū)替篩管穿過加載頭插入煤巖體內(nèi)。
[0015]b、裝置密封:穿上連接螺栓使密封蓋內(nèi)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(tǒng)裝配:按要求連接各管路和管路上相關(guān)元件，保證各管路開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài);將數(shù)控瓦斯流量計(jì)與計(jì)算機(jī)和瓦斯流動(dòng)特性動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)連接；
[0017]d、加載:向加載柱施加荷載，使加載頭向腔體內(nèi)部滑動(dòng)，對腔體內(nèi)部煤巖體施加荷載。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測得到的煤巖體的孔隙度，通過調(diào)整加載系統(tǒng)對煤巖體施加的載荷改變腔體7內(nèi)煤巖體的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，在腔體內(nèi)形成與現(xiàn)場實(shí)測煤巖體孔隙度一致的煤巖體；
[0018]e、充氣:按設(shè)定的瓦斯壓力經(jīng)瓦斯充氣罐、數(shù)控流量計(jì)、組合金屬篩網(wǎng)持續(xù)向密封腔體內(nèi)煤巖體通恒壓瓦斯24小時(shí)，使煤巖體充分吸附瓦斯，并關(guān)閉進(jìn)氣口開關(guān)；
[0019]f、瓦斯抽采:本發(fā)明可采用三種方法對瓦斯輪替抽采:
[0020](I)高壓N2驅(qū)趕瓦斯輪替抽采法:先將所有致裂驅(qū)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(guān)，對煤巖體負(fù)壓抽采瓦斯;然后將長致裂驅(qū)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(guān)，通過長致裂驅(qū)替篩管向下部煤巖體中壓入犯驅(qū)趕煤巖體裂隙、孔隙中的瓦斯，同時(shí)通過短致裂驅(qū)替篩管和接在加載柱中心處的抽采管負(fù)壓抽采瓦斯;一段時(shí)間后，再將腔體密封蓋外圈的短致裂驅(qū)替篩管上端接的抽采管路接頭換為犯充氣管路接頭，內(nèi)圈短致裂驅(qū)替篩管和中心處抽采管繼續(xù)負(fù)壓抽采瓦斯;最后將腔體密封蓋內(nèi)圈的短致裂驅(qū)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(xù)負(fù)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(qū)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(guān)，對煤巖體負(fù)壓抽采瓦斯;然后將長致裂驅(qū)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(guān)，通過長致裂驅(qū)替篩管向下部煤巖體中壓入高壓水，水壓裂煤巖體后繼續(xù)充水濕潤下部煤巖體，驅(qū)替吸附在煤巖體中的瓦斯，同時(shí)通過短致裂驅(qū)替篩管和接在加載柱中心處的抽采管負(fù)壓抽采瓦斯;一段時(shí)間后，再將腔體密封蓋外圈的短致裂驅(qū)替篩管上端接的抽采管路接頭換為充水管路接頭，內(nèi)圈短致裂驅(qū)替篩管和中心處抽采管繼續(xù)負(fù)壓抽采瓦斯;最后將腔體密封蓋內(nèi)圈的短致裂驅(qū)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(xù)負(fù)壓抽采瓦斯；
[0022](3)強(qiáng)吸附氣體驅(qū)替瓦斯輪替抽采法:先將所有致裂驅(qū)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(guān)，對煤巖體負(fù)壓抽采瓦斯;然后將長致裂驅(qū)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(guān)，通過長致裂驅(qū)替篩管向下部煤巖體中壓入C02，驅(qū)替下部煤巖體中的瓦斯，同時(shí)通過短致裂驅(qū)替篩管和接在加載柱中心處的抽采管負(fù)壓抽采瓦斯;一段時(shí)間后，再將腔體密封蓋外圈的短致裂驅(qū)替篩管上端接的抽采管路接頭換為CO2充氣管路接頭，內(nèi)圈短致裂驅(qū)替篩管和中心處抽采管繼續(xù)負(fù)壓抽采瓦斯;最后將腔體密封蓋內(nèi)圈的短致裂驅(qū)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(xù)負(fù)壓抽采瓦斯；
[0023]g、流量監(jiān)測:在試樣整個(gè)瓦斯抽采輪替過程中，數(shù)控流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連，通過數(shù)據(jù)采集分析軟件動(dòng)態(tài)監(jiān)測煤巖體內(nèi)瓦斯抽采流量。
[0024]本發(fā)明的有益效果:1、本發(fā)明通過長短相間的致裂驅(qū)替篩管逐級(jí)對煤體中瓦斯驅(qū)替抽采，負(fù)壓抽采瓦斯與驅(qū)替瓦斯相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)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(fā)明密封腔體和蓋子之間設(shè)有O型密封圈，蓋子與加載柱連接處設(shè)有XY密封圈和