專利名稱：一種分離瓦斯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤炭開采領(lǐng)域，尤其涉及煤炭開采中的瓦斯分離提純領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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(fēng)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(fēng)機(jī)排向大氣，在浪費(fèi) 寶貴瓦斯能源的同時，給大氣環(huán)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(huán)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(dāng)前三大氣體分離技術(shù)為膜分 離、變壓吸附和深冷分離技術(shù)。當(dāng)前經(jīng)濟(jì)適用的礦井瓦斯分離技術(shù)主要為變壓吸附與深冷 分離技術(shù)相結(jié)合，其技術(shù)原理主要為變壓吸附技術(shù)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(nèi)，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(jìn)行下一循環(huán)的吸附過程。經(jīng)過變壓吸附分離出來的瓦斯?jié)舛燃s為80%，貯運(yùn)仍不 便，需采取深冷分離技術(shù)，將瓦斯?jié)舛忍峒兘?00 %，瓦斯提純?nèi)蝿?wù)就算完成了。對變壓吸附技術(shù)來說，一般要求分離前混合氣體中瓦斯?jié)舛炔恍∮?0%，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?jié)舛仍诒?限值內(nèi)，具有很高的危險(xiǎn)性且由于濃度低、提純成本太高，目前的分離技術(shù)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(yù)抽煤層瓦斯、高抽巷或鉆孔抽取裂隙帶瓦斯、采空區(qū) 埋管抽放瓦斯。1)鉆孔預(yù)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(yù)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(yù)抽煤層瓦斯?jié)舛瓤蓾M 足變壓吸附分離技術(shù)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(fēng)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(qū)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(nèi)產(chǎn)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(nèi)基本無裂隙產(chǎn)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(chǎn)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?jié)舛?較高，一般在10% 30%之間，抽采的瓦斯?jié)舛茸兓饕茼敯迕奥淝闆r等影響。隨工作 面推進(jìn)，頂板周期來壓(工作面每推進(jìn)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(shí)而被擠向采煤工作面，對工作面的安全生產(chǎn)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(yù)先布置在裂隙帶高度內(nèi)，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?jié)舛炔?能夠滿足變壓吸附瓦斯分離技術(shù)的需要。3)工作面采空區(qū)埋管抽放瓦斯。采煤時，在采煤工作面后方采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)管道，抽 取采空區(qū)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?jié)舛容^低，一般 在5% 15%之間。抽采的瓦斯?jié)舛戎饕S工作面推進(jìn)而不斷變化。當(dāng)剛對埋設(shè)的管道抽 放時，埋管距離工作面較近，一般為30 50m，瓦斯?jié)舛葹?%左右，隨工作面推進(jìn)，距工作 面較遠(yuǎn)達(dá)150m左右時，抽采的瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)15%以上，此時應(yīng)根據(jù)工作面瓦斯涌出情況及 時重新埋管。這一部分抽采的瓦斯?jié)舛雀?，與變壓吸附瓦斯要求的濃度相差很大。由此可將，現(xiàn)有的瓦斯分離技術(shù)需要的瓦斯量很大、要求瓦斯?jié)舛容^高且氣源穩(wěn) 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(jìn)行分離，分離裝置數(shù)量大為增加，分離成本 很高，效率也很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，純瓦斯密度大約為0. 72kg/m3，遠(yuǎn)小于空氣密度1. 29kg/m3,本發(fā) 明在于利用瓦斯密度比空氣輕的特性實(shí)現(xiàn)瓦斯自然與空氣分離，經(jīng)自然分離后，濃度低于 30%的瓦斯可富集到高達(dá)40%以上。礦井在開采過程中，會形成大量的采空區(qū)，有的采空區(qū) 空間可達(dá)百萬立方米，且采空區(qū)被冒落帶頂板巖石等充填，瓦斯壓入采空區(qū)后，氣體在采空 區(qū)的流場會處于相對停滯的狀態(tài)，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(qū)上部裂隙帶空間。通過鉆孔等手段收集這一區(qū)域的富集 瓦斯，可實(shí)現(xiàn)瓦斯在井下采空區(qū)分離的目的?；谏鲜隹紤]，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的一種分離瓦斯的方法，包括1)在孤立的采空區(qū)所有出口砌筑密閉墻體，使采空區(qū)與外界完全隔斷；2)在所述采空區(qū)下部的至少一個密閉墻體中設(shè)瓦斯進(jìn)氣管道；3)將抽采的瓦斯通過所述密閉墻體外側(cè)的阻火器與所述密閉墻體內(nèi)側(cè)的瓦斯進(jìn) 氣管路相連；4)在所述采空區(qū)上部的裂隙帶中設(shè)置至少一個鉆孔，收集富集的瓦斯；5)將所述鉆孔經(jīng)阻火器與瓦斯出氣管道相連。優(yōu)選地，所述瓦斯出氣管道與瓦斯變壓吸附裝置相連。優(yōu)選地，所述密閉墻體防水、防火、防爆。
優(yōu)選地，所述采空區(qū)周邊有隔離煤柱。優(yōu)選地，所述瓦斯進(jìn)氣管道設(shè)在采空區(qū)下部較低區(qū)域的密閉墻體上，所述瓦斯出 氣管道設(shè)在采空區(qū)上部較高區(qū)域裂隙帶的鉆孔上。優(yōu)選地，在所述采空區(qū)上部和下部的1 3個密閉墻體中設(shè)置所述瓦斯進(jìn)氣管道 及出氣管道。優(yōu)選地，所述采空區(qū)下部的密閉墻體的下部留設(shè)U型排水管。優(yōu)選地，所述阻火器是水封阻火器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，充分利用井下采空區(qū)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)礦井抽采瓦斯的100%分離提 純。本發(fā)明方法分離成本低、分離效率高，并節(jié)約了能源。


圖1是本發(fā)明方法的一個具體實(shí)施方案的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的方法，但本發(fā)明不限于以下內(nèi)容。根據(jù)各個礦井的不同采空區(qū)情況，選擇條件非常孤立的采空區(qū)1，主要為與礦井其 他區(qū)域完全隔離，此外，采空區(qū)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(qū)完全孤立，防止采空區(qū)瓦斯爆炸、浮煤自然發(fā)火等現(xiàn)象的發(fā)生及災(zāi)害發(fā)生時對礦井 其他區(qū)域造成影響，同時也保證災(zāi)害易于封閉處理。將與采空區(qū)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(qū) 1周邊與其相鄰的巷道、采空區(qū)、采掘工作面等空間與此采空區(qū)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(qū)下部的密閉墻體3中留設(shè)瓦斯進(jìn)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(cè)的阻火器5與密閉墻體3內(nèi)側(cè)的 瓦斯進(jìn)氣管路4相連。在采空區(qū)1的上部的頂板裂隙帶中打鉆孔，收集經(jīng)自然分離后富集 到上部裂隙帶濃度達(dá)40 %甚至更高瓦斯，并將鉆孔經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)可由各礦井根據(jù)各自條件設(shè)計(jì)。要點(diǎn)是密閉要有足夠 的強(qiáng)度，能夠抵抗瓦斯爆炸等沖擊波，并能阻斷密閉內(nèi)外火災(zāi)及水災(zāi)的影響。防止此采空區(qū) 火災(zāi)、瓦斯爆炸等災(zāi)害影響到其他區(qū)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(dá)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(jìn)一步通過變壓吸附裝置和深冷分離技術(shù) 將瓦斯提純至100%。瓦斯進(jìn)氣管道設(shè)在密閉墻體中上部，原因是密閉采空區(qū)內(nèi)可能有積水，應(yīng)防止積 水淹沒管道進(jìn)口。采空區(qū)周邊與其相鄰的巷道、采空區(qū)、采掘工作面等空間與此采空區(qū)之間要有足 夠的隔離煤柱，以保證將采空區(qū)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(qū)火災(zāi)、瓦斯爆炸等災(zāi)害影響到其他區(qū)域。
采空區(qū)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(qū)也是傾斜的，所以采空區(qū)域有高低之分。瓦斯進(jìn)氣管道設(shè)在采空區(qū)較低區(qū)域的密閉墻體 上，瓦斯出氣管道設(shè)在采空區(qū)較高區(qū)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(qū)上部裂隙帶富集。供給采空區(qū)的瓦斯混合氣體的供給速度可以適 當(dāng)控制，以保證瓦斯自然分離效果。由于供給采空區(qū)的瓦斯混合氣體在采空區(qū)擴(kuò)散后為層 流狀態(tài)，有利于氣體分離，并且一般情況下采空區(qū)很大，管路供氣量較小，所以瓦斯自然分 離效果好。在采空區(qū)下部的密閉墻體的下部留設(shè)U型排水管。U型彎內(nèi)應(yīng)灌滿水，并設(shè)置閥 門，在能夠順利實(shí)現(xiàn)排巷道內(nèi)積水的同時防止瓦斯等有害氣體漏出，并利用水封實(shí)現(xiàn)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(yīng)性強(qiáng)，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(dāng)火焰通過水氣混 合層時，火焰與水接觸，能量被水蒸發(fā)吸收，化學(xué)反應(yīng)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(xù)沿管道傳播。只要維持阻火器內(nèi)水位的不低于最低值，即可保證阻火器可靠工作。應(yīng)根據(jù)礦井具體情況，優(yōu)先考慮在難自燃煤層的采空區(qū)內(nèi)實(shí)施此瓦斯分離方案。
權(quán)利要求
1.一種分離瓦斯的方法，包括1)在孤立的采空區(qū)所有出口砌筑密閉墻體，使采空區(qū)與外界完全隔斷；2)在所述采空區(qū)下部的至少一個密閉墻體中設(shè)瓦斯進(jìn)氣管道；3)將抽采的瓦斯通過所述密閉墻體外側(cè)的阻火器與所述密閉墻體內(nèi)側(cè)的瓦斯進(jìn)氣管 道相連；4)在所述采空區(qū)上部的裂隙帶中設(shè)置至少一個鉆孔，收集富集的瓦斯；5)將所述鉆孔經(jīng)阻火器與瓦斯出氣管道相連。
2.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述采空區(qū)周邊有隔離煤柱。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述瓦斯進(jìn)氣管道設(shè)在采空區(qū)下部較低 區(qū)域的密閉墻體上，所述瓦斯出氣管道設(shè)在采空區(qū)上部較高區(qū)域裂隙帶的鉆孔上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，分別在所述采空區(qū)上部和下部的1 3個 密閉墻體中設(shè)置所述瓦斯進(jìn)氣管道及出氣管道。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述采空區(qū)下部的密閉墻體的下部留設(shè)U 型排水管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)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(fā)明提供了一種分離瓦斯的方法，包括1)在孤立的采空區(qū)所有出口砌筑密閉墻體，使采空區(qū)與外界完全隔斷；2)在所述采空區(qū)下部的至少一個密閉墻體中設(shè)瓦斯進(jìn)氣管道；3)將抽采的瓦斯通過所述密閉墻體外側(cè)的阻火器與所述密閉墻體內(nèi)側(cè)的瓦斯進(jìn)氣管道相連；4)在所述采空區(qū)上部的裂隙帶中設(shè)置至少一個鉆孔，收集富集的瓦斯；5)將所述鉆孔經(jīng)阻火器與瓦斯出氣管道相連。本發(fā)明方法充分利用井下采空區(qū)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者周成軍 申請人:中國神華能源股份有限公司