专利名称：一种分离瓦斯的方法
技术领域：
本发明涉及煤炭开采领域，尤其涉及煤炭开采中的瓦斯分离提纯领域。
背景技术：
在煤炭开采过程中，煤层中存在的大量瓦斯涌到采掘空间，采用矿井通风排除矿 井瓦斯是瓦斯治理的基本手段之一。这样大量的瓦斯随矿井主要通风机排向大气，在浪费 宝贵瓦斯能源的同时，给大气环境也造成了极大的污染。在采煤的过程中，对煤层瓦斯的抽采利用、防止瓦斯对大气环境造成破坏就显得
非常重要。瓦斯利用中最重要的一个方法就是瓦斯分离提纯。当前三大气体分离技术为膜分 离、变压吸附和深冷分离技术。当前经济适用的矿井瓦斯分离技术主要为变压吸附与深冷 分离技术相结合，其技术原理主要为变压吸附技术主要原理为将40%左右的瓦斯加压到7 8个大气压并送入吸附 罐，吸附罐中主要吸附材料为活性碳，利用活性碳对不同气体的选择性吸附将瓦斯吸附在 活性碳微孔内，在活性碳吸附饱和时再将吸附罐减压释放出浓度在80%以上的高浓度瓦 斯，再进行下一循环的吸附过程。经过变压吸附分离出来的瓦斯浓度约为80%，贮运仍不 便，需采取深冷分离技术，将瓦斯浓度提纯近100 %，瓦斯提纯任务就算完成了。对变压吸附技术来说，一般要求分离前混合气体中瓦斯浓度不小于40%，以保证 瓦斯提纯的成本不会太高。对于浓度在10%左右甚至更低浓度瓦斯，由于瓦斯浓度在爆炸 限值内，具有很高的危险性且由于浓度低、提纯成本太高，目前的分离技术对于这一部分浓 度的瓦斯由于分离成本太高而不能分离。目前瓦斯抽采主要有钻孔预抽煤层瓦斯、高抽巷或钻孔抽取裂隙带瓦斯、采空区 埋管抽放瓦斯。1)钻孔预抽煤层瓦斯。在煤层被开采前，向待开采煤层中施工合理密度的钻孔， 煤层中的瓦斯就会向钻孔空间流动，通过连接在钻孔上的管道及抽瓦斯泵将煤层瓦斯抽采 出来。所以钻孔预抽煤层瓦斯的浓度很高，一般都在40%以上甚至接近100%，但钻孔抽采 瓦斯流量变化很大，在打好钻孔刚开始抽采时，由于煤层中瓦斯没有释放过，瓦斯气体压力 高，流量很大。随时间推移，到抽采末期时，由于煤层中能够被抽采的瓦斯已基本完全释放， 抽采瓦斯的流量很小，甚至不足初期流量的十分之一。由此可见，钻预抽煤层瓦斯浓度可满 足变压吸附分离技术的需要。2)高抽巷或钻孔抽取采煤工作面裂隙带瓦斯。井下工作面在采煤过程中，如综采 工作面采煤时，煤层中的瓦斯将释放出来，容易造成工作面瓦斯超限，特别是回风隅角瓦斯 超限。瓦斯超限的主要原因是采煤工作面采完后，工作面后方采空区自下而上形成三带，即 冒落带，裂隙带和弯曲下沉带。工作面顶板(煤层直接顶)冒落碎胀后形成冒落带；直接 顶上方的老顶由于下沉量较小，下沉变形在岩层内产生很多裂隙，叫做裂隙带；裂隙带上方 面的岩层由于下沉量很小，岩层内基本无裂隙产生，叫做弯曲下沉带。不同岩性的顶板三带高度稍有差别，一般裂隙带底部距采煤顶板的距离为采煤高度的3 5倍距离。由于瓦斯 比空气轻，采煤过程中产生的瓦斯很容易向后上方积聚，特别是裂隙带的裂隙中瓦斯浓度 较高，一般在10% 30%之间，抽采的瓦斯浓度变化主要受顶板冒落情况等影响。随工作 面推进，顶板周期来压(工作面每推进一定距离，顶板大面积冒落一次)，贮存在冒落带和 裂隙带中的瓦斯由于裂隙闭合和空间填实而被挤向采煤工作面，对工作面的安全生产造成 极大的安全隐患，所以一般用抽采措施解决。效果比较好的抽采方法为将抽采巷道或钻孔 沿工作面方向预先布置在裂隙带高度内，将裂隙带瓦斯及冒落带空隙中的瓦斯及时抽采出 来，防止瓦斯涌向工作面空间。由此可见，高抽巷或钻孔抽取采煤工作面裂隙带瓦斯浓度不 能够满足变压吸附瓦斯分离技术的需要。3)工作面采空区埋管抽放瓦斯。采煤时，在采煤工作面后方采空区内埋设管道，抽 取采空区冒落带下部裂隙中的瓦斯，由于瓦斯比空气轻，抽采的这部分瓦斯浓度较低，一般 在5% 15%之间。抽采的瓦斯浓度主要随工作面推进而不断变化。当刚对埋设的管道抽 放时，埋管距离工作面较近，一般为30 50m，瓦斯浓度为5%左右，随工作面推进，距工作 面较远达150m左右时，抽采的瓦斯浓度可达15%以上，此时应根据工作面瓦斯涌出情况及 时重新埋管。这一部分抽采的瓦斯浓度更低，与变压吸附瓦斯要求的浓度相差很大。由此可将，现有的瓦斯分离技术需要的瓦斯量很大、要求瓦斯浓度较高且气源稳 定；另一方面矿井虽然抽采了大量的瓦斯，但可供分离的那一部分瓦斯量只占较小一部分 比例且供气量变化很大。如果将低浓度瓦斯都进行分离，分离装置数量大为增加，分离成本 很高，效率也很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分离成本低、分离效率高的分离矿井中瓦斯的方法。在标准状态下，纯瓦斯密度大约为0. 72kg/m3，远小于空气密度1. 29kg/m3,本发 明在于利用瓦斯密度比空气轻的特性实现瓦斯自然与空气分离，经自然分离后，浓度低于 30%的瓦斯可富集到高达40%以上。矿井在开采过程中，会形成大量的采空区，有的采空区 空间可达百万立方米，且采空区被冒落带顶板岩石等充填，瓦斯压入采空区后，气体在采空 区的流场会处于相对停滞的状态，便于瓦斯自然分离。由于瓦斯气体比空气轻，会自然从空 气中分离并上浮，并富集在采空区上部裂隙带空间。通过钻孔等手段收集这一区域的富集 瓦斯，可实现瓦斯在井下采空区分离的目的。基于上述考虑，本发明提供以下技术方案来实现本发明的目的一种分离瓦斯的方法，包括1)在孤立的采空区所有出口砌筑密闭墙体，使采空区与外界完全隔断；2)在所述采空区下部的至少一个密闭墙体中设瓦斯进气管道；3)将抽采的瓦斯通过所述密闭墙体外侧的阻火器与所述密闭墙体内侧的瓦斯进 气管路相连；4)在所述采空区上部的裂隙带中设置至少一个钻孔，收集富集的瓦斯；5)将所述钻孔经阻火器与瓦斯出气管道相连。优选地，所述瓦斯出气管道与瓦斯变压吸附装置相连。优选地，所述密闭墙体防水、防火、防爆。
优选地，所述采空区周边有隔离煤柱。优选地，所述瓦斯进气管道设在采空区下部较低区域的密闭墙体上，所述瓦斯出 气管道设在采空区上部较高区域裂隙带的钻孔上。优选地，在所述采空区上部和下部的1 3个密闭墙体中设置所述瓦斯进气管道 及出气管道。优选地，所述采空区下部的密闭墙体的下部留设U型排水管。优选地，所述阻火器是水封阻火器。与现有技术相比，本发明的优点在于，充分利用井下采空区巨大的冒落空间，在分 离成本很低的情况下，利用瓦斯比空气轻的特性，实现了瓦斯与空气的自然分离，将人工装 置分离成本很高的低浓度瓦斯的浓度提高到40%以上，实现矿井抽采瓦斯的100%分离提 纯。本发明方法分离成本低、分离效率高，并节约了能源。
图1是本发明方法的一个具体实施方案的示意图。
具体实施例方式下面结合图1进一步详细说明本发明的方法，但本发明不限于以下内容。根据各个矿井的不同采空区情况，选择条件非常孤立的采空区1，主要为与矿井其 他区域完全隔离，此外，采空区距离地表要有足够的距离，地表表土层也较厚，这样可保证 采空区完全孤立，防止采空区瓦斯爆炸、浮煤自然发火等现象的发生及灾害发生时对矿井 其他区域造成影响，同时也保证灾害易于封闭处理。将与采空区1相连的所有出口 2，8全部砌筑防水、防火、防爆密闭墙体3。采用区 1周边与其相邻的巷道、采空区、采掘工作面等空间与此采空区之间要有足够的隔离煤柱7 以及隔离煤柱边界6。在采空区下部的密闭墙体3中留设瓦斯进气管道4，将矿井抽采的低 浓度瓦斯(浓度在30%以下的瓦斯)通过密闭墙体3外侧的阻火器5与密闭墙体3内侧的 瓦斯进气管路4相连。在采空区1的上部的顶板裂隙带中打钻孔，收集经自然分离后富集 到上部裂隙带浓度达40 %甚至更高瓦斯，并将钻孔经阻火器5与瓦斯出气管道9相连，由出 气管道向地面的瓦斯变压吸附装置供给浓度在40%以上的瓦斯。防水、防火、防爆密闭的标准可由各矿井根据各自条件设计。要点是密闭要有足够 的强度，能够抵抗瓦斯爆炸等冲击波，并能阻断密闭内外火灾及水灾的影响。防止此采空区 火灾、瓦斯爆炸等灾害影响到其他区域。瓦斯出气管道与瓦斯变压吸附装置相连。这样可将分离后的浓度达40%以上的大 量高浓度瓦斯作为变压吸附装置的瓦斯气源，并进一步通过变压吸附装置和深冷分离技术 将瓦斯提纯至100%。瓦斯进气管道设在密闭墙体中上部，原因是密闭采空区内可能有积水，应防止积 水淹没管道进口。采空区周边与其相邻的巷道、采空区、采掘工作面等空间与此采空区之间要有足 够的隔离煤柱，以保证将采空区与外界完全隔断，形成一个隔绝的巨大空间。这同样是为了 防止此采空区火灾、瓦斯爆炸等灾害影响到其他区域。
采空区是采完煤以后遗留下来的冒落空间，由于绝大部分煤层都是倾斜的，采空 区也是倾斜的，所以采空区域有高低之分。瓦斯进气管道设在采空区较低区域的密闭墙体 上，瓦斯出气管道设在采空区较高区域裂隙带的钻孔上。这样可以使瓦斯与空气分离时，瓦 斯向上浮动，并在采空区上部裂隙带富集。供给采空区的瓦斯混合气体的供给速度可以适 当控制，以保证瓦斯自然分离效果。由于供给采空区的瓦斯混合气体在采空区扩散后为层 流状态，有利于气体分离，并且一般情况下采空区很大，管路供气量较小，所以瓦斯自然分 离效果好。在采空区下部的密闭墙体的下部留设U型排水管。U型弯内应灌满水，并设置阀 门，在能够顺利实现排巷道内积水的同时防止瓦斯等有害气体漏出，并利用水封实现良好 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，装置 适应性强，适合井下高湿高尘瓦斯气流。水封阻火器的基本原理主要是当火焰通过水气混 合层时，火焰与水接触，能量被水蒸发吸收，化学反应的自由基减少并消除；水的瞬间气化 也降低了瓦斯中的甲烷浓度，使火焰熄灭；由于水封的存在，爆炸冲击波由于水体的隔断而 无法继续沿管道传播。只要维持阻火器内水位的不低于最低值，即可保证阻火器可靠工作。应根据矿井具体情况，优先考虑在难自燃煤层的采空区内实施此瓦斯分离方案。
权利要求
1.一种分离瓦斯的方法，包括1)在孤立的采空区所有出口砌筑密闭墙体，使采空区与外界完全隔断；2)在所述采空区下部的至少一个密闭墙体中设瓦斯进气管道；3)将抽采的瓦斯通过所述密闭墙体外侧的阻火器与所述密闭墙体内侧的瓦斯进气管 道相连；4)在所述采空区上部的裂隙带中设置至少一个钻孔，收集富集的瓦斯；5)将所述钻孔经阻火器与瓦斯出气管道相连。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述瓦斯出气管道与瓦斯变压吸附装置 相连。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述密闭墙体防水、防火、防爆。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采空区周边有隔离煤柱。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述瓦斯进气管道设在采空区下部较低 区域的密闭墙体上，所述瓦斯出气管道设在采空区上部较高区域裂隙带的钻孔上。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，分别在所述采空区上部和下部的1 3个 密闭墙体中设置所述瓦斯进气管道及出气管道。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采空区下部的密闭墙体的下部留设U 型排水管。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述阻火器是水封阻火器。
全文摘要
本发明提供了一种分离瓦斯的方法，包括1)在孤立的采空区所有出口砌筑密闭墙体，使采空区与外界完全隔断；2)在所述采空区下部的至少一个密闭墙体中设瓦斯进气管道；3)将抽采的瓦斯通过所述密闭墙体外侧的阻火器与所述密闭墙体内侧的瓦斯进气管道相连；4)在所述采空区上部的裂隙带中设置至少一个钻孔，收集富集的瓦斯；5)将所述钻孔经阻火器与瓦斯出气管道相连。本发明方法充分利用井下采空区巨大的冒落空间，在分离成本很低的情况下，利用瓦斯比空气轻的特性，实现了瓦斯与空气的自然分离，将人工装置分离成本很高的低浓度瓦斯的浓度提高到40％以上，实现矿井抽采瓦斯的100％分离提纯。
文档编号E21B43/34GK102121369SQ201010604409
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者周成军 申请人:中国神华能源股份有限公司