注气驱替气动增压系统和促抽煤层瓦斯的方法与流程

1.本发明涉及瓦斯防治技术领域，具体涉及一种注气驱替气动增压系统和促抽煤层瓦斯的方法。


背景技术：

2.目前，随着煤矿井工开采逐步向深部、深水平不断延伸，煤层赋存愈发复杂，煤层瓦斯含量和压力均不断提升，渗透率下降，吸附瓦斯解吸困难，以抽采作为治理和解决瓦斯问题的技术措施显得尤为重要。相关技术中的瓦斯抽采和增透技术措施随着煤矿开采向深部深水平的延伸，出现抽采效率低，达标时间长，设备能力需进一步提升等诸多问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种注气驱替气动增压系统，包括气动增压泵和储气罐；
4.所述气动增压泵具有驱动气进气口、预增气进气口和泵体出气口，所述气动增压泵用于对预增气进行二次加压；所述储气罐的进气口与所述气动增压泵的所述泵体出气口相连。
5.根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统具有能够快速降低煤层瓦斯含量，提升瓦斯抽采效率和保障采掘生产安全等优点。
6.在一些实施例中，所述气动增压泵包括多个并联的单体泵组，所述单体泵组包括多个并联的单体泵；
7.多个所述单体泵的单体泵驱动气进气口与所述气动增压泵的驱动气进气分管相连，多个所述驱动气进气分管与所述气动增压泵的驱动气进气主管相连；
8.多个所述单体泵的单体泵预增气进气口与所述气动增压泵的预增气进气管相连；
9.多个所述单体泵的单体泵出气口与所述气动增压泵的泵体出气管相连。
10.在一些实施例中，所述驱动气进气分管上设有驱动气调压阀和驱动气进气阀；
11.所述预增气进气管上设有预增气进气阀；
12.所述气动增压泵的所述泵体出气口和所述储气罐的所述进气口之间设有泵体出气阀；
13.所述储气罐的所述出气口处设有储气罐出气阀。
14.在一些实施例中，所述驱动气进气分管上设有驱动气压力表；
15.所述预增气进气管上设有预增气压力表；
16.所述单体泵出气口与所述泵体出气管之间设有单体泵出气口压力表，所述气动增压泵的所述泵体出气口处设有泵体出气口压力表；
17.所述储气罐上设有用于检测所述储气罐内的气体压力的储气压力表，所述储气罐的下部设有排污阀。
18.在一些实施例中，所述单体泵出气口与所述泵体出气管之间设有单体泵出气口单
向阀，所述气动增压泵的所述泵体出气口和所述储气罐的所述进气口之间设有泵体出气口单向阀。
19.在一些实施例中，本发明的注气驱替气动增压系统还包括箱体，多个所述单体泵设置在所述箱体内，所述驱动气进气口、所述预增气进气口和所述泵体出气口中的每一者为连接在所述箱体上的快速接头。
20.在一些实施例中，所述单体泵为柱塞式气体增压泵。
21.在一些实施例中，所述气动增压泵的所述驱动气进气口处设有滤净器，所述气动增压泵的所述预增气进气口处设有滤净器。
22.在一些实施例中，本发明的注气驱替气动增压系统还包括移动小车，所述气动增压泵和所述储气罐均放置于所述移动小车上。
23.一种利用根据本发明所述的注气驱替气动增压系统实施的促抽煤层瓦斯的方法，包括以下步骤：
24.将储气罐和注气管路连接，所述注气管路上配接注气调压阀和流量计；
25.气动增压泵连续对预增气进行二次增压并存储于所述储气罐内，当所述储气罐内气体压力达到所述气动增压泵的最大输出压力后，所述气动增压泵停止运行；
26.在所述储气罐内压力达到需求或所述气动增压泵对应的最大输出压力后，所述储气罐内的气体以中高压力流经所述注气管路然后注入煤层内的注气孔，所述煤层内解吸的瓦斯气体自所述注气孔运移至抽采孔然后进入抽采管路。
27.根据本发明实施例的促抽煤层瓦斯的方法具有能突破煤层吸附态瓦斯赋存影响、稳定可靠强化瓦斯抽采和提升瓦斯抽采效率等优点。
附图说明
28.图1是根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统的工作状态示意图。
29.图2是根据本发明实施例的单体泵的示意图。
30.图3是根据本发明实施例的气动增压泵的增压原理示意图。
31.图4是根据本发明实施例的滤净器的示意图。
32.附图标记：100、注气驱替气动增压系统；1、驱动气进气口；2、滤净器；3、预增气进气口；4、移动小车；5、驱动气压力表；6、驱动气调压阀；7、驱动气进气分管；8、预增气压力表；9、泵体出气口压力表；10、驱动气进气阀；11、单体泵出气口压力表；12、驱动气进气主管；13、单体泵；14、泵体出气口；15、泵体出气阀；16、泵体出气口单向阀；17、进气口；18、排污泄压阀；19、储气罐；20、储气罐出气阀；21、注气调压阀；22、流量计；23、抽采支管；24、汇流管；25、瓦斯参数计量装置；26、抽采管路阀门；27、抽采孔；28、注气孔；29、储气压力表；30、单体泵出气口；31、单体泵预增气进气口；32、单体泵驱动气进气口；33、预增气进气管；34、箱体；35、泵体出气管；36、预增气进气阀；37、单体泵出气口单向阀；38、注气管路；39、出气口。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
34.下面参考图1
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图4描述根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100。根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100包括气动增压泵和储气罐19。气动增压泵具有驱动气进气口1、预增气进气口3和泵体出气口14，气动增压泵用于对预增气进行二次加压。储气罐19具有进气口17和出气口39。储气罐19的进气口17与气动增压泵的泵体出气口14相连。
35.一种利用根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100实施的促抽煤层瓦斯的方法，包括以下步骤：
36.将储气罐19的出气口39和配接至各注气孔28的注气管路38连接，注气管路38上配接注气调压阀21和流量计22，以便调节输出的注气流量和压力，从而精准控制注入煤层内的气体参数。
37.气动增压泵连续对预增气进行二次增压并存储于储气罐19内，通过观测储气罐19上的储气压力表29读取储气罐19体内的气体压力，在不进行人为干涉的情况下，当储气罐19内气体压力达到气动增压泵对应的最大输出压力后，气动增压泵停止运行。
38.在储气罐19内压力达到需求或气动增压泵对应的最大输出压力后，开启储气罐19出气口处的储气罐出气阀20，储气罐19内的气体以中高压力流经注气管路38然后注入煤层内的注气孔28，在压力驱动作用下，煤层内瓦斯发生解吸，在注入高压气体的裹挟下，煤层内解吸的瓦斯气体自注气孔28运移至抽采孔27然后进入抽采管路。
39.煤层增透技术是解决低透气性难抽煤层最主要的技术手段，但相关研究表明，抽采的瓦斯主要包括游离态和吸附态，相关技术中的增透技术如水力化措施、co2相变预裂和电脉冲致裂等往往只能实现对游离态的瓦斯进行抽采，吸附态瓦斯难以自煤体内解吸运移至抽采系统。
40.受注气驱替油藏启发，向煤层内注入高压气体，驱替促抽逐渐成为解决治理低渗难抽煤层瓦斯的研究热点。但相关技术中的注气驱替促抽煤层瓦斯技术的研究仍处于试验阶段，缺乏完善的标准体系和技术规范，尤其是配套设备的研发，严重滞后于理论研究。无论是煤矿井下的压风气源，还是注氮系统的氮气源，均不能满足注气驱替促抽煤层瓦斯所需要的高压气源的压力和流量需求，因此寻求一种大流量中高压力的注气驱替促抽设备显得尤为重要。
41.有鉴于此，根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100通过对井下现有压风气源、注氮气源或后接配套的相关气源进行二次加压，能够为井下注气驱替促抽煤层瓦斯提供高压气源，即在保障气源输出流量不变的情况下，气源压力按照气动增压泵预设增压比增压，增压后的高压气体以中高压力注入煤层，从而能够突破煤层吸附态瓦斯赋存影响，实现强化瓦斯抽采的目的，进而能够快速降低煤层瓦斯含量，提升瓦斯抽采效率，保障采掘生产安全。
42.另外通过设置储气罐19，能够将气动增压泵增压后的气体储存于储气罐19内，这样往煤层内的注气孔注气时，可以不受气动增压泵瞬时流量的限制，可以针对驱替煤层不同的瓦斯赋存情况，灵活调整注气流量和注气压力，从而能够稳定可靠实现强化瓦斯抽采的目的，进而能够快速降低煤层瓦斯含量，提升瓦斯抽采效率，保障采掘生产安全。
43.根据本发明实施例的促抽煤层瓦斯的方法由于利用根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100进行实施，能够使高压气体以中高压力注入煤层，从而能够突破煤层吸附态瓦斯赋存影响，同时可以不受气动增压泵瞬时流量的限制，可以针对驱替煤层不同的
瓦斯赋存情况，灵活调整注气流量和注气压力。从而能够稳定可靠实现强化瓦斯抽采的目的，进而能够快速降低煤层瓦斯含量，提升瓦斯抽采效率，保障采掘生产安全。
44.因此，根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100和促抽煤层瓦斯的方法具有能够快速降低煤层瓦斯含量、提升瓦斯抽采效率、保障采掘生产安全等优点。
45.需要指出的是，各注气管路38采用“一孔一路”并联连接。即每个注气孔28连接一个注气管路38。抽采管路包括汇流管24和抽采支管23，汇流管24与抽采支管23以及若干抽采孔27连接。通过设置汇流管24能够方便对一组抽采孔27的抽采情况进行计量管理。汇流管24与抽采支管23之间设有瓦斯参数计量装置25和控制汇流管24开度的抽采管路阀门26，以便根据瓦斯参数计量装置25的抽采参数控制注气管路38的注气参数。
46.如图1所示，根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100包括气动增压泵和储气罐19。气动增压泵具有驱动气进气口1、预增气进气口3和泵体出气口14，气动增压泵用于对预增气进行二次加压。本实施例中增压后的气体压力最大可达8mpa，满足试验及工程所需。
47.储气罐19具有进气口17和出气口39。储气罐19的进气口17与气动增压泵的泵体出气口14相连。储气罐19为耐压值为10mpa，体积为0.5m3的单体立式储气罐。储气罐19采用碳钢浇筑，经压力容器相关检验合格后方可使用。
48.可以理解的是，预增气是预先具有一定压力的气体。例如，可以为煤矿井下的压风气源或注氮系统的氮气源。驱动气进气口1和预增气进气口3一般要求配接不同的气源，亦可共用相同气源。换言之，驱动气和预增气可以是单元气体(驱动气和预增气为同一气体)，亦可以是异元气体(例如压风作为驱动气，氮气作为预增气)。
49.需要说明的是，气动增压泵是采用气体驱动，无产生热、火星和火花危险。气动增压泵使用非金属轴承和磨损补偿密封的高压工作腔中不需要任何形式的润滑，密封性能好。气体压缩腔与空气驱动腔分离，驱动气做功后被排入周围环境，能保证被压缩气体不被驱动气体污染，也保证了高压气输出能力。气动增压泵能充分利用驱动气体在做功后温度显著降低的特点，将排出的低温驱动气体作为冷却剂通入气动增压泵自带的热交换器，用来冷却高压输出气体和增压泵的高压缸。气动增压泵无需额外的润滑与冷却环节，密封件寿命长，使气动增压泵易维护，可连续停/开，稳定性高。
50.如图1和图3所示，气动增压泵包括多个并联的单体泵组，单体泵组包括多个并联的单体泵13。也就是说，气动增压泵为由多个单体泵并联组成的成套系统。例如，气动增压泵包括两个并联的单体泵组，每个单体泵组包括五个并联的单体泵13。
51.多个单体泵13的单体泵驱动气进气口32与气动增压泵的驱动气进气分管7相连，多个驱动气进气分管7与气动增压泵的驱动气进气主管12相连。多个单体泵13的单体泵预增气进气口31与气动增压泵的预增气进气管33相连。多个单体泵13的单体泵出气口30与气动增压泵的泵体出气管35相连。驱动气进气分管7、驱动气进气主管12、预增气进气管33和泵体出气管35均为耐高压管路。
52.根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100在使用时，可根据气量需求选择使用其中的若干组单体泵13或全部单体泵13，例如选择开启单组或者双组泵，从而能够在保障压力不变的情况下提升流量。同时亦可在流量需求满足的情况下，通过改变单体泵13的型号，使单体泵由单极单作用泵变更为双极双作用泵，能够提升压力等级。
53.如图1和如图3所示，驱动气进气分管7上设有驱动气调压阀6和驱动气进气阀10。预增气进气管33上设有预增气进气阀36。气动增压泵的泵体出气口30和储气罐19的进气口17之间设有泵体出气阀15。储气罐19的出气口39处设有储气罐出气阀20。其中，驱动气进气阀10和预增气进气阀36可以为高压球阀，泵体出气阀15和储气罐出气阀20可以为截至阀，驱动气调压阀6为管道调压阀。由此能够通过调节各个阀门开度，控制注气驱替气动增压系统100的输出端的流量，并通过调节驱动气调压阀6控制气动增压泵的增压比继而调节输出端的压力，从而能够稳定可靠实现强化瓦斯抽采的目的，进而能够快速降低煤层瓦斯含量，提升瓦斯抽采效率，保障采掘生产安全。
54.驱动气调压阀6调控气动增压泵中驱动气的压力，调节范围为0.5～0.8mpa。气动增压泵运行压力为0.5～0.8mpa，增压比为1：10，输出端压力最大可达8mpa，当气动增压泵输出端压力到达设定压力后气动增压泵自动停止工作，当气动增压泵输出端压力下降时气动增压泵恢复工作。
55.如图1和图3所示，驱动气进气分管7上设有驱动气压力表5。预增气进气管33上设有预增气压力表8。单体泵13的单体泵出气口30与泵体出气管35之间设有单体泵出气口压力表11。气动增压泵的泵体出气口14处设有泵体出气口压力表9。储气罐19上设有用于检测储气罐19内的气体压力的储气压力表29。储气罐19的下部设有排污阀18。由此能够通过监测驱动气的压力、预增气的压力、各单体泵13输出端的压力、气动增压泵总输出端的压力和储气罐19内的气体压力，判定注气驱替气动增压系统100是否正常工作以及在注气驱替气动增压系统100故障时判定中故障点所在位置。另外通过储气罐19下部的排污阀18可手动卸压或定期排渣。
56.可选地，驱动气压力表5、预增气压力表8、单体泵出气口压力表11、压气压力表9和储气压力表29均采用抗震压力表，能用于井下恶劣工况环境。
57.如图1和图3所示，单体泵出气口30与泵体出气管35之间设有单体泵出气口单向阀37。气动增压泵的泵体出气口14和储气罐19的进气口17之间设有泵体出气口单向阀16。由此能够防止单体泵出气口30处和泵体出气口14处的气体倒流，从而能保证注气驱替气动增压系统100可靠稳定运行。
58.如图1所示，根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100还包括箱体34，多个单体泵13设置在箱体34内。箱体34材料为碳素钢，能适应气动增压泵在使用和运输过程中的碰撞，保护箱体34内零件不受损。同时在箱体34上方焊接吊挂勾，便于在煤矿井上井下运输。
59.驱动气进气口1、预增气进气口3和泵体出气口14中的每一者为连接在箱体34上的快速接头，以便配接不同型号的接头。由此能够便于通过管路连接气源和储气罐19。
60.可选地，快速接头型号为kj
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25/35/50。单体泵13为柱塞式气体增压泵。单体泵13泵体采用优质铝合金和不锈钢缸体柱塞，采用单气控平衡气体分配阀来实现泵的往复运动，最大设计驱动气压为1mpa，适用于对气体、空气和工业气体，例如氮气、氩气、氢气和氦气等进行压缩，能够用于防爆场所，满足各种应用领域的要求。
61.如图1和图3所示，气动增压泵的驱动气进气口1处设有滤净器2。气动增压泵的预增气进气口3处也设有滤净器2。在气动增压泵的使用过程中可根据气源洁净度选择加装滤净器2的数量。由此能够对驱动气和预增气内的浮尘、水滴、锈渍等进行过滤，从而能够保证
气动增压泵的工作可靠性。
62.滤净器2为管道气体过滤器。滤净器2的壳体采用压铸铝壳体，并喷涂环氧树脂做防腐处理。滤净器2内部滤芯可过滤管路内的浮尘、水滴、锈渍等，并排向滤净器2的底部。滤净器2下方装设排污阀，可手动定期排出滤净器2内得杂物。滤净器2采用防腐蚀的增强尼龙端盖和防腐滤芯骨架，能用于井下恶劣工况环境。
63.如图1所示，根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100还包括移动小车4，气动增压泵和储气罐19均放置于移动小车4上。
64.气动增压泵和储气罐19放置于装有万向轮的移动小车4上，使注气驱替气动增压系统100在井下使用过程中便于在巷道内移动，从而便于在巷道内不同位置的注气孔28内接替进行瓦斯驱替工作。
65.根据本发明实施例的注气驱替气动增压系统100在使用前，需要对接入注气驱替气动增压系统100的气源管路进行检查，检查内容包括管路是否完好，管路内部是否通畅，气源输出洁净度等。当气源洁净度较差时，为保证不对泵体内压缩缸体造成磨损，需加装多级滤净器2。
66.将检查后的气源管路和注气驱替气动增压系统100的驱动气进气口、预增气进气口连接。通过开启驱动气进气阀10和预增气进气阀36，可在气动增压泵中对应的监测压力表(驱动气压力表5、预增气压力表8)中读取管路内的气体压力，气体压力一般高于0.6mpa最为适宜，此时气动增压泵可实现满功率运行。
67.然后将泵体出气阀15关闭，打开驱动气进气阀10和预增气进气阀36。由于增压后的气体得不到释放，气动增压泵输出端压力会快速升至气动增压泵预设对应增压比条件下的压力值，此时通过观测各单体泵13的运行情况和对应的压力表(泵体出气口压力表9、单体泵出气口压力表11)，以便检查气动增压泵是否正常。
68.待确定气动增压泵运行正常无误后，打开泵体出气阀15，将增压后的气体排出气动增压泵。此时，连接气动增压泵的泵体出气口14和储气罐19的进气口17，并关闭储气罐19出气口39处的储气罐出气阀20。
69.由此能够分布将气源及注气驱替气动增压系统内的各部件相连，从而能够避免直接将气源及注气驱替气动增压系统中的各部件整体连接后不便于检查各部件运行情况的问题。
70.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
71.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
72.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
73.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
74.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
75.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。