[發明專利]一種井下注熱改造煤層物理特性的裝置及方法

在審

• 申請號: 201710922729.8
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107701157A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 馮增朝;趙陽升;周動;趙東
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: E21B43/24
• 分類號: E21B43/24
• 代理公司: 山西五維專利事務所(有限公司)14105
• 代理人: 楊耀田

技術領域

本發明涉及煤礦開采技術，特別涉及一通過加熱方式改變煤層物理特性的裝置及方法。

背景技術

溫度對煤的諸多物理特性會產生影響，例如，加熱煤層可以降低各種變質程度的煤對氣體的吸附性，褐煤經過加熱后，可以脫除煤中的水分，改變褐煤的發火點(溫度值)，加熱煤層可以增強煤的塑性變形能力，降低煤與瓦斯突出的傾向性。采用加熱煤層對煤的物理特性進行改性是一種集約化、快速處理煤礦中相應問題的最佳方法。但由于煤礦井下特殊的安全要求，以及煤礦的乏風中含有易于爆炸的瓦斯氣體，所以煤礦生產和科學研究中尚無通過加熱方式改變煤層物理特性的工藝和相應設備的技術。隨著煤礦開采深度的增加，一些常規方法已經無法滿足煤礦安全生產的需要，急待開發一種井下加熱煤層的裝置及方法，實現對煤的物理特性進行迅速改變的需求。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術尚無通過對煤礦井下煤層加熱，短時間內改變煤層物理特性的技術，提供一種井下注熱改造煤層物理特性的裝置及方法，解決煤巷掘進時易發生沖擊地壓或煤與瓦斯突出的技術問題。

本發明是通過以下技術方案來實現的：

一種井下注熱改造煤層物理特性的裝置，包括：煤礦中性水凈化-軟化器、高壓水泵、電加熱器、封孔管，所述煤礦中性水凈化-軟化器通過管路與所述高壓水泵連接，所述高壓水泵通過高壓管路與所述電加熱器連接，所述電加熱器通過注熱管路與所述封孔管連接，所述封孔管設置在煤層的注熱鉆孔中。

進一步，所述電加熱器承受壓力為50±5MPa，所述電加熱器輸出的水蒸氣或過熱水溫度為150～300℃。

進一步，所述高壓水泵，電加熱器，注熱管路在300℃高溫條件下的額定壓力為30MPa。

進一步，所述電加熱器通過注熱管路向所述封孔管注水壓力與注水量，依據煤層埋深確定，它們之間的數學關系式為：

Q＝P×[Exp(-H)×L]×log(L/D)/A，

其中：Q為單位時間的注水量，P為過熱水或蒸汽壓力，H為煤層埋深，A為系數，L為鉆孔的裸孔長度或篩管長度，D為鉆孔的直徑。

進一步，所述高壓水泵為礦用柱塞泵。

進一步，所述注熱管路為耐高壓、高溫的管路。

一種井下注熱改造煤層物理特性的方法，其步驟如下：

①在煤巷中較為寬敞的部位，沿巷道壁依次布置：煤礦中性水凈化-軟化器、高壓水泵、電加熱器，在煤層中施工注熱鉆孔，在注熱鉆孔中設置封孔管；

②采用管路將煤礦中性水凈化-軟化器與高壓水泵連接，采用高壓管路將高壓水泵與電加熱器連接，采用注熱管路將電加熱器與封孔管連接；

③啟動高壓水泵，根據公式Q＝P×[Exp(-H)×L]×log(L/D)/A，確定注水量與注水壓力之間的關系；

④利用高壓水泵將水注滿電加熱器、封孔管，并維持1MPa低壓狀態；

⑤啟動電加熱器，根據水溫度逐步升高注水壓力，直至水溫達到150～300℃，壓力達到15～50MPa，控制高壓水泵，達到恒壓工作；

⑥每隔8小時，從煤層中取樣，進行力學強度檢測，達到要求時停止注熱。

本發明與現有技術相比，具有以下優點和有益效果：

本發明由煤礦中性水凈化-軟化器、高壓水泵、電加熱器、注熱管路、注熱鉆孔構成煤層加熱系統，水經過煤礦中性水凈化-軟化器處理后，由高壓水泵注入到電加熱器，在高壓狀態下由高溫高壓的電加熱器對水進行加熱，產生高溫的過熱水沿注熱管路和注熱鉆孔的封孔管注入到煤層，水進入煤層后隨壓力降低，部分轉化為水蒸氣，過熱水及水蒸氣沿煤層裂縫滲流并加熱煤層，釋放熱量后的水匯入到位于煤層中的抽采鉆孔，排出煤層。煤層經過一段時間加熱，可以在短時間內改變煤的吸附性、強度、以及煤的自燃點等物理特性，有效防止煤巷掘進時發生沖擊地壓或者煤與瓦斯突出。

本發明用于煤礦開采，是一種可直接使用、具有可操作性的井下加熱煤層的裝置及方法，可以在短時間內改變煤的物理和力學特性，實現煤礦安全生產的需求。

附圖說明

圖1是一種井下注熱改造煤層物理特性的裝置結構示意圖。

其中：

1—煤礦中性水凈化-水軟化器、2—高壓水泵、3—電加熱器、4—封孔管、5—管路、6—高壓管路、7—注熱管路、8—注熱鉆孔、9—煤層。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明的技術方案進行清楚、完整的描述。