[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備與抽采方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610011768.8
• 申請(qǐng)日: 2016-01-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105443081B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙洪寶;張歡;胡桂林;李偉;陳磊;王飛虎;琚楠松;郭旭陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
• 主分類(lèi)號(hào): E21B43/00
• 分類(lèi)號(hào): E21B43/00;E21B43/16;E21B43/20;E21B43/08;E21F7/00;F16J15/32
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

1.一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(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)；所述密封腔體上端的腔體密封蓋中心有一圓孔，加載柱從圓孔穿過(guò)對(duì)密封腔體內(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)包括瓦斯抽采泵，致裂驅(qū)替子系統(tǒng)包括高壓水泵、充氣罐和致裂驅(qū)替篩管，高壓水泵、充氣罐和瓦斯抽采泵通過(guò)管路與插入煤巖體內(nèi)部的不同長(zhǎng)度致裂驅(qū)替篩管連接；所述瓦斯供給與控制系統(tǒng)、瓦斯流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別和充氣管路及抽采管路相連。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備，其特征在于：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(guò)螺栓連接，所述腔體密封蓋內(nèi)圈鑲嵌有O型密封圈。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備，其特征在于：所述腔體密封蓋上豎向插有多個(gè)長(zhǎng)短相間的致裂驅(qū)替篩管，所述致裂驅(qū)替篩管從腔體密封蓋穿過(guò)插入密封腔體內(nèi)部煤巖體，且致裂驅(qū)替篩管與腔體密封蓋通過(guò)密封裝置和膠墊密封。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備，其特征在于：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(guò)腔體密封蓋與外部管路連接，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(zhǎng)、短兩種，長(zhǎng)致裂驅(qū)替篩管可插至密封腔體底部，且插入煤巖體的下半段有多個(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，且插入煤巖體部分有多個(gè)不同方向的橫向通孔。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備，其特征在于：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)包括瓦斯抽采泵，瓦斯抽采泵通過(guò)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)有放氣管路開(kāi)關(guān)、數(shù)控氣體流量計(jì)和氣壓表，且抽采管路末端設(shè)有多個(gè)抽采管路接頭；所述致裂驅(qū)替子系統(tǒng)包括高壓水泵、充氣罐和致裂驅(qū)替篩管，所述高壓水泵一端與水箱連接，另一端通過(guò)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)有充水管路開(kāi)關(guān)、水壓表、充水流量計(jì)，且充水管路末端設(shè)有多個(gè)充水管路接頭；所述充氣罐一端連接驅(qū)替氣體鋼瓶，另一端通過(guò)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)驅(qū)替氣體管路接頭。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備，其特征在于：所述加載機(jī)構(gòu)包括加載柱和位于密封腔體內(nèi)的加載頭，所述加載柱從腔體密封蓋中間圓孔穿過(guò)，腔體密封蓋與加載柱連接處有回彈性很好的XY型密封圈和O型密封圈，XY型密封圈在O型密封圈之上，所述加載柱側(cè)面有刻度，加載過(guò)程中可測(cè)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(guò)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(pán)，與密封腔體內(nèi)壁滑動(dòng)連接，致裂驅(qū)替篩管可穿過(guò)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。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備，其特征在于：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)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備，其特征在于：所述瓦斯流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)控氣體流量計(jì)和流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件組成。

9.基于輪替思想的瓦斯抽采方法，利用權(quán)利要求1至8之一所述的一種基于輪替思想的瓦斯抽采設(shè)備，其特征在于：包括如下步驟：

a、篩管安裝：向密封腔體內(nèi)裝入適量煤巖體，加載頭壓在煤巖體上方，致裂驅(qū)替篩管接到腔體密封蓋上，將腔體密封蓋蓋在密封腔體上，使致裂驅(qū)替篩管穿過(guò)加載頭插入煤巖體內(nèi)；

b、裝置密封：穿上連接螺栓使腔體密封蓋內(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中心圓孔穿過(guò)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(guò)螺栓將小蓋固定在腔體密封蓋上，完成對(duì)密封腔體的密封；

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(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)；將數(shù)控氣體流量計(jì)與計(jì)算機(jī)和瓦斯流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接；

d、加載：向加載柱施加荷載，使加載頭向密封腔體內(nèi)部滑動(dòng)，對(duì)密封腔體內(nèi)部煤巖體施加荷載；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的煤巖體的孔隙度，通過(guò)調(diào)整加載系統(tǒng)對(duì)煤巖體施加的荷載改變密封腔體內(nèi)煤巖體的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)，在密封腔體內(nèi)形成與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤巖體孔隙度一致的煤巖體；

e、充氣：打開(kāi)充氣管路開(kāi)關(guān)，將甲烷鋼瓶中的瓦斯通過(guò)減壓閥按設(shè)定的瓦斯壓力經(jīng)充氣罐、氣壓表、數(shù)控氣體流量計(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)閉充氣管路開(kāi)關(guān)；

f、瓦斯抽采：本發(fā)明可采用三種方法對(duì)瓦斯輪替抽采：

(1)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(kāi)放氣管路開(kāi)關(guān)，對(duì)煤巖體負(fù)壓抽采瓦斯；然后將長(zhǎng)致裂驅(qū)替篩管上端接的抽采管路接頭換為驅(qū)替氣體管路接頭，打開(kāi)驅(qū)替氣體鋼瓶閥門(mén)、充氣管路開(kāi)關(guān)、氣體管路接頭開(kāi)關(guān)、致裂驅(qū)替篩管開(kāi)關(guān)，通過(guò)長(zhǎng)致裂驅(qū)替篩管向下部煤巖體中壓入N₂驅(qū)趕煤巖體裂隙、孔隙中的瓦斯，同時(shí)通過(guò)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驅(qū)替氣體管路接頭，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驅(qū)替氣體管路接頭，僅留中心處抽采管繼續(xù)負(fù)壓抽采瓦斯；

(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(kāi)放氣管路開(kāi)關(guān)，對(duì)煤巖體負(fù)壓抽采瓦斯；然后將長(zhǎng)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，打開(kāi)充水管路開(kāi)關(guān)，通過(guò)長(zhǎng)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(rùn)下部煤巖體，驅(qū)替吸附在煤巖體中的瓦斯，同時(shí)通過(guò)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；

(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(kāi)放氣管路開(kāi)關(guān)，對(duì)煤巖體負(fù)壓抽采瓦斯；然后將長(zhǎng)致裂驅(qū)替篩管上端接的抽采管路接頭換為驅(qū)替氣體管路接頭，打開(kāi)驅(qū)替氣體鋼瓶閥門(mén)、充氣管路開(kāi)關(guān)、氣體管路接頭開(kāi)關(guān)、致裂驅(qū)替篩管開(kāi)關(guān)，通過(guò)長(zhǎng)致裂驅(qū)替篩管向下部煤巖體中壓入CO₂，驅(qū)替下部煤巖體中的瓦斯，同時(shí)通過(guò)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驅(qū)替氣體管路接頭，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驅(qū)替氣體管路接頭，僅留中心處抽采管繼續(xù)負(fù)壓抽采瓦斯；

g、流量監(jiān)測(cè)：在煤巖體整個(gè)瓦斯抽采輪替過(guò)程中，數(shù)控氣體流量計(jì)與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析軟件動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)煤巖體內(nèi)瓦斯抽采流量。