煤矿中气体的压力管理系统和方法与流程

本发明是关于矿藏(如煤矿)中气体的压力管理系统和方法或是洞穴(如地下气体存储洞穴)中的气体的压力管理系统和方法。本发明尤其适用于但不仅限于对已被开发的矿区内(也称为废矿或采空区)的气体进行直接的压力管理。

背景技术：

控制地下矿内的甲烷或其他自然生产的气体以防止爆炸性气体/空气混合物的产生，特别是废弃矿的日益增多，成为煤炭开采业所面临的一个问题。为使甲烷气体处于低浓度状态(例如甲烷气体的含量低于2％)，现有的防止爆炸性气体/空气混合物形成的方法为向其中通入大量的新鲜空气以清除甲烷气体，或是其他类似方法。上述的方法已在采矿区的隧道发展方面取得了相当大的成功，在隧道中可以轻松到达矿区的任意一个地方，如果需要的话，新鲜空气可以随时通入到矿区。然而，对废弃矿的通风系统功能的维护往往是昂贵而不切实际的。

在煤矿的开采阶段，煤矿通道的顶部可能出现坍塌，形成大量的碎石区。这些碎石区一般指的是采空区或废矿，即以前是矿区但现在什么都没有。废矿和采空区所使用的全部规范术语是可以交替使用的。由于地表塌陷的限制，采空区可能不会出现坍塌，但是可能对部分煤层进行开采，只留下残余的房柱。上述的区域也被定义为废矿或是采空区。

废矿内的气体的形成，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等等的形成通常受到下面两种方式中的一种的控制：

·第一种方法，打开采空区的边缘。入口也称为“排放的入口”是用新鲜的空气对其内的气体进行稀释以使其排放，气体是受其内部的压力以及传统的通风系统压力的双重作用而离开采空区。由于允许安全释放到空气中的甲烷气体的浓度为小于或是等于2％，而目前使甲烷浓度处于如此低水平是非常困难的，故此方法难以用于甲烷气体浓度的控制。

·之前的技术方法是永久停止开采或是采用混凝土砖块密封或是其他相似的建筑材料将采空区密封。然而，密封后的废矿常常发生泄漏事件，上述的泄漏事件将导致资源的损失和残留气体如甲烷的量的损失。然而用混凝土砖块或是胶结材料进行的密封对于气体的泄漏具有一定的抑制效果，但是由于其密封效果仍是有限的，气体的泄漏(进入废矿区或是溢出废矿区)仍然是一个显著的问题。对废矿进行密封的方法有用于甲烷气体保存的可能。然而，这种泄漏对于废矿区的甲烷气体的保存是相当困难的。

被开采地区所用的通风系统为随着通风道位置的变化逐渐产生不同的压力以产生气流，所产生的气流用于维持隧道开发建设人员和机器的使用，在隧道中可以轻松到达矿区的任意一个地方，如果需要的话，新鲜空气可以随时通入到矿区，稀释或是清除气体。然而，在压力作用下所用的新鲜空气，在密封的废矿区中使用可导致出现压力差，其可能总是导致气体的泄露，如在密封采空区的甲烷气体和进入采空区的含有氧气的空气，两者一经接触可能形成一种爆炸性的空气-气体混合物从而导致自燃的风险。气压的昼夜变化进一步促使化合物在密封采空区出现压差的问题。因此，亟待提供一种用于阻止气体进入废矿区或是从废矿区释放的方法或系统。

现有技术确实能提供用于密封废矿区的改进和更高效的密封方法，但是在该种密封条件下，气体的泄露仍普遍存在。故一直需要更好的能对密封采空区内的气体的压力进行管理的方法和系统以提高密封系统的密封效率，使自燃事件的发生风险降到最低。

需要清楚地知道此处所指的现有技术并不是意味着在澳大利亚或是任何一个其他国家确认该技术公开成为公知常识的一部分。

技术实现要素：

第一方面，本发明提供了一种可用于防止或至少降低一个区域内一种或是多种气体之间发生流通的方法，该区域指的是已被开采的矿内和矿外气体区域，该方法包括的步骤为：提供了一种密封件，其至少可以部分阻止在已被开采的矿外面的气体与矿内的一种或多种气体之间的流通；通过密封件或密封件附近的充分密封的压力平衡室降低密封件周围的压差变化，这样通过对已被开采的矿区内的一种或是多种气体的压力相对于与平衡室内气体的压力进行充分等量化，不允许已被开采的矿区内的一种或是多种气体与已被开采的矿外的气体发生流通，从而防止密封件周围的任何压差变化。

第二方面，本发明提供了一种可用于防止或至少降低一个密封废矿内一种或是多种气体与废矿外的气体之间发生的流通的方法；其中密封方法至少部分阻止了废矿外的气体与密封废矿内一种或多种气体之间发生的流通；该方法是通过在密封件或邻近密封件的一个充分密封的压力平衡室降低废矿内压差变化，这样通过对废矿区域内的一种或是多种气体的压力相对于平衡室内气体的压力进行充分等量化，不允许废矿外的气体与废矿内的一种或多种气体不发生流通，从而防止或是最小化密封件周围的任何压差变化。

第三方面，本发明提供了一种可用于防止或至少降低一个区域内一种或是多种气体之间发生流通的系统，该区域指的是已被开采的矿内和矿外气体区域，该系统包括：至少可以部分阻止在已被开采的矿外面的气体与矿内的一种或多种气体之间的流通的一个密封体；一个压力补偿装置，此装置安装于已被开采矿区的气体流通处，以及位于或邻近密封体的一个充分密封的压力平衡室内的气体流通处。其中，此压力补偿装置用于补偿矿井内气体的正压力或负压力波动，进而减小矿区内外的气压差变化，并且不会造成矿区内的气体同矿区外的气体的流通。

第四方面，本发明提供了一个系统，此系统可以防止或者至少减少密封废矿内的一种或多种气体同密封废矿外的气体进行流通。其中，密封件可以至少部分防止密封废矿外的气体同密封废矿内的一种或多种气体进行交换，该系统包括：一个压力补偿装置，此装置安装于密封废矿区的一种或多种气体的气体流通处，以及位于或邻近密封体的一个充分密封的压力平衡室的气体流通处。其中，此压力补偿装置的用于补偿矿井内气体的正压力或负压力波动，进而减小密封采空区内外的气压差变化，并且不会造成密封废矿内的气体同密封废矿外的气体的流通。

已被开采的矿区，一般是指废矿区或采空区，其均被密封起来以同工作区隔离，防止已被开采矿区内的气体泄漏(因此形成了密封废矿)。混凝土或其他胶结材料经常用来制作密封标准废弃矿井的密封件。长壁采矿区和其他废矿区在煤矿开采完许多年后依然能够继续产生甲烷气体，通常是由于下面的、表面的或经处理的缝隙内的气体解吸附作用而产生的。密封件的密封性即使再好，也无法完全阻止甲烷或其他气体从密封的废弃矿井或任何其他的已被开采密封矿内泄漏出来。

申请人发现气体(例如甲烷气体)从密封废矿中沿着密封件泄漏出来，可以通过调节密封件内外的气压差来防止或者至少减少气体泄漏。例如，废矿的密封件或许可以在一定的气压差下防止气体泄漏，但是一旦超过了这一压差，气体有可能通过密封件进入密封废矿或者从密封废矿内泄漏出来。气体泄漏可能会导致生成高度易燃的甲烷空气混合物或者煤气空气混合物，这些混合气在自燃和/或爆炸的情况下会导致发生火灾。

废矿的密封件可以使用任何合适的材料进行制作。例如，此密封体可以使用任何合适的建筑材料进行制作，比如但是不限于以下材料：混凝土或其他胶结材料、骨料、碎石、沙子、粘土、砖、石块、岩石或类似材料，或任何由上述材料混合而成的合适的材料。

申请人发现，限制或者减小密封件内外的气压差变化，不允许已被开采矿区(或密封废矿)内外的气体流通是防止密封件内外气体泄漏的有效手段。而且，将气压差减小到一个非常低的水平，也是进一步防止或减少密封体内外气体泄漏的一个有效途径。另外，本发明还提供了一个非常好的方法来降低早斯的矿区的密封区域内的气体的稀释。

本发明减小密封件内外气压差变化的方式是：通过充分平衡矿区内的一种或多种气体的压力，例如密封废矿，相对位于已被开采矿区的密封件上或密封件附近的充分密封的压力平衡室内的气体压力，不允许气体在已被开采矿区以外的气体和已被开采矿区中的一种或多种气体之间进行流通。

需要明白的一点是，现有的压力平衡方法和系统可能需要将惰性气体或不反应的气体通过提供惰性气体或不反应的气体的加压室注入到密封废矿或密封矿区(已被开采)中。这些现有方法和系统需要将位于密封件附近的加压室内的气体注入到矿井中。如此就会导致惰性气体混入密封废矿中。最终造成密封废矿内甲烷浓度下降。

不同于现有技术的方法和系统，本发明降低了使用惰性气体的需求，取而代之的是一套新的方法和系统，而不再需要将惰性气体或任何其他气体注入密封废矿或已被开采的密封矿区。相反，本发明所提供的方法和系统会根据压力平衡室内压力的变化来补偿或平衡密封废矿或已经开采矿的密封区内的气体压力。

在第一方面的一些具体实例中，减小密封件内外气压差的步骤包括：基于已被开采的矿区内的气压变化和/或基于已被开采的矿区外的气压变化，来调整已被开采的矿区内的气体压力和/或调整压力平衡室内的气体压力。

类似的，在第二方面的一些具体实例中，减小密封件内外气压差的步骤包括：基于密封废矿区内的气压变化和/或基于密封废矿区外的气压变化，来调整废矿区内的气体压力和/或调整压力平衡室内的气体压力。

例如，通风系统或许需要在通风道中施加气压以生成空气流，来达到使人员和机器设备可以进入的条件。使用此类通风系统往往会导致密封件内外产生气压差。类似地，已被开采的密封矿区或密封废矿区外气压的日变化也可能导致密封件内外产生气压差。

在第一和第二方面的一些具体实例中，需要基于已被开采的矿区或废矿内的气压变化和/或基于已被开采的矿区或密封废矿外的气压变化，来控制已被开采的矿区或密封废矿内的气压和/或控制压力平衡室内的气压。这些变化可能是由一系列非限制性的原因引起的，例如大气压力的日变化、常规的、非常规的或偶然的事件引起的通风系统的状态变化、或者是由于在通风道中使用通风系统或由于已被开采的矿区、废弃矿井内的气压变化(其中的一个原因可能是由于气体解吸附作用或是其他因素而导致密封废矿内生成许多甲烷气体)而产生的正压力所引起。

在第一方面的一些具体实例中，减小密封件内外气压差的步骤包括：提供一压力补偿装置，设置于已被开采的矿区内的气体与压力平衡室内的流体流通处，其作用是补偿已被开采的矿区内气体的正负压力波动，进而将密封件内外的气压差变化控制在最小。

第一和第三方面的压力补偿装置的优选方案包括：一通道，包含用于与已被开采的矿区内气体流通的第一端口，以及用于与压力平衡室流体流通的第二端口，通风道上安装有可移动的隔板和/或活塞，用于根据第一端口相对于第二端口的气体压力的变化进行移动，进而补偿已被开采的矿区内的气体的正负压力波动。

在第二方面的一些具体实例中，减小气压差的步骤包括：提供一压力补偿装置，设置于密封废矿内的气体与压力平衡室内的流体流通处。其作用是补偿密封废矿内气体的正负压力波动，进而减小密封体内外的气压差变化。

优选的，为使第二和第三方面的气压补偿措施更加有效，其包括：一通道，包含用于与密封废矿内气体流通的第一端口，以及用于与压力平衡室流体流通的第二端口，通风道上安装有可移动的隔板和/或活塞，用于根据第一端口相对于第二端口的气体压力的变化进行移动，进而补偿密封废矿内的气体的正负压力波动。

如上所述，本发明的多种具体实施例描述中的压力补偿装置，可以通过隔板阀、波纹管或活塞的形式实现。

如上所述，为了补偿已被开采的矿区或废矿内气体的气压波动，压力补偿装置的启动这可能会导致压力平衡室内的气体压力发生变化。在第一或第二方面的一些具体实例中，该方法进一步可以包括控制进入或排出压力平衡室的气体流动，以补偿压力平衡室内气体的任何正负压力波动。

优选的，对气流进入压力平衡室的控制包括：提供一种附加压力补偿装置，以便压力平衡室内的所有气体正压力或负压力波动能够被该附加压力补偿装置抵消。

该附加压力补偿装置进一步包括：一流体流动线，以便让气流流进或流出压力平衡室，并安装阀门以控制通过流体流动线的气流。流进或流出压力平衡室，以用于补偿均压室内的压力波动的有效的气体可以是空气。至少在本发明的一些具体实例中，压力平衡室内的气压还可被周围通风道与压力平衡室之间的气流所中和。在其他具体实例中，流进或流出压力平衡室的流体自位于远处的气体源起呈网状分布。此处所述的具体实例减缓了对于使用昂贵惰性气体或非反应性气体的需求，这些气体的使用为由现有技术所授并已在先前部分中已做讨论。

在一些具体实例中，先前描述的各方面的方法或系统包含一提取装置，用于提取已被开发矿地的气体。

在本发明中，至少在一些具体实例中显示出的一些非限性优势如下：

·减少矿区开放地带、采空区及其他已提取过的矿区气体泄露流入——在对通风设施和气压变化使用补偿装置时，一般封锁在远离矿地生产工作区的地方；

·减少气体泄露，一般是矿区开放地带的甲烷和二氧化碳；

·增加矿区开放地带的气体浓度，一般指甲烷；

·由于增加了纯度，可以加大采集矿区开放地带富集气的潜力；

·采集并将甲烷用于有效用途，如燃气发电和气体照明；

·通过通风系统采集温室气体，减少温室气体泄露进入大气层，以及将温室气体分布到表层便于破坏等等，比如甲烷照明、封存及其他处理方法；

·对于有表层空气泄露的地方，本发明的系统或方法会使地表和地底之间的压力差最小化，同时补偿气压变化；

·可以采集高纯度气体分布到表层气体管道；

·减少气体泄露进入矿区开放地带，减少自燃风险(矿山安全)；

·由于空气渗入最小化，可以减少矿区开放地带的爆炸风险(矿山安全)；

·改进在与瓦斯聚集相关的封锁地点工作人员或检查人员的安全(矿山安全)。

附图简要说明

参考以下图纸描述本发明的各个具体实例，其中：

图1是本发明第一具体实例的俯视图的示意图。

图2是本发明第一具体实例的图1中的一部分的放大示意。

图3是本发明第二具体实例的俯视图的示意图。

具体实施方式

虽然本发明的方法及系统可适用于各种采矿作业，申请人认为它对于煤柱回收采矿、短壁开采和长壁开采作业尤其有效。本发明也适用于地下储气设备，包括洞穴、沙坑或其类似，或者地下发料储存设备，比如核废料储存设备。

参照图1和图2的说明，其为本发明具体实施例的俯视图的示意图，适用于长壁开采和其他煤矿开采。在开始提取长壁盘区和其他盘区之前，连续采矿设备提取煤矿以在长壁盘区和其他盘区周围铺设路面(即平巷)。这些路面组成矿区通风道，并向人员、机器、电力供应、通信系统、水泵抽水线路、压缩空气管路和排气线提供路线。这些路面从矿山入口到长壁盘区及其他盘区提供路线，如主平巷12所示。当煤矿提取后，煤层上方的顶端部分将会塌空，留下部分称为避难处，塌空部分为废矿14。出于各种原因，这些废矿区14使用废矿密封体16。第一个原因是从剩余煤矿中排除氧气，使自燃风险最小化。密封的目的也用于甲烷气体储存使用。建造废矿密封的方法是使用混泥土或胶结材料，至少起到阻止废矿的任何气体与矿山工作区的氧气发生作用的部分功能。

需向采矿人员提供良好质量的呼吸空气，以稀释自然气体和引进气体(如柴油机废气)，稀释或运走灰土并为人员和机器提供散热。自然情况下，矿山工作区会有少量空气流动，但是这些空气不充足并不受控制，因此有必要提供一套机械装置为矿区通风。为做到这一点，煤层和地表之间至少需要两处连接，其中之一与大型风扇连接。首先有排气扇通过其他连接从地表吸入空气至矿区，从路面直到开矿作业区，然后通过排气扇排回地表。地下路面分成两组，一组是进风道18，将新鲜空气吸进作业区，一组是回风道22，将废弃排出。相邻的进风道18和回风道22由隔墙25隔离。隔离可由墙煤柱建成或由安装的“隔墙”25(通常为某种墙的形式)在任一互连路面处组成，以阻止风道18和22之间的空气短路。

密封压力平衡室24与废矿密封体16紧邻。通过隔墙(或密封体)26的使用形成压力平衡室24，其与废矿密封体16的组成材料相同，均为混凝土。两套压力平衡装置28和32用于减少废矿密封体16中的任何压差变化。

在解释压力平衡装置28和32的功能前，理解在缺少任何压力管理系统或方法的情况下，废矿密封体(例如废矿密封体16)在有些时候未能阻止气体泄漏的发生的原因是非常有益的。

在一个不包括压力平衡装置28和32的典型现有技术采矿作业中，在C处的气压(回风道22附近)要比D处(进风道18附近)的气压低得多。但是，在一些情况下，D处的气压会比C处的气压稍微低一点。在密封废矿14(如A处)的绝对气压比压力平衡室24(比如B处)内的绝对气压或绝对液压明显稍微高一点，如位置B也比C处更高。但是，A处的绝对气压可能比D处的绝对气压低。在一些情况中，A处的绝对气压可能比B处的稍微低一点，这可能是一系列原因造成的，比如废矿密封墙16中气体泄漏导致的通风压差的变化成为可能。A处和B处绝对气压的差异导致废矿密封体16中压差的出现。废矿密封体16只能在压差不超过限度范围的情况下，阻止密封废矿14和密封废矿以外的气体发生流通。至少在一定程度上，该限度取决于废矿密封体16的性质。因此，在某些情况下，作为密封废矿14内的正压波动导致的结果，废矿密封体16中的压力梯度或压差以及压差的明显上升将会迫使气体从密封废矿14(A处)泄露进压力平衡室24(B处)，从而进入回风道22。在其他情况下，无压力补偿装置28和32的时候，压力平衡室24内的B点绝对气压会比密封废矿14内A点的绝对气压稍微高一点，这可能导致密封废矿14内的负压波动，反过来可能又会导致密封废矿区外的气体(主要是包含了氧气的空气)泄露进入采空区。

压力平衡装置28用以补偿密封废矿14内的绝对气压(如A处)使其和压力平衡室24内的绝对气压(如B处)相同，并且这在实际操作中完全有可能。压力平衡装置28的提供有助于消除气压日变化的影响。压力平衡装置28在实际公差范围内尽可能低的方向上减少了废矿区密封体16的泄漏，通过压力测量装置的测量，适用于测量密封废矿14内的绝对气压以及压力平衡室24中的流体压力。压力平衡装置28的启用有利于减少密封废矿14外流体泄漏，如当气压处于静态时，空气漏进或漏出密封废矿14。

压力平衡装置28以主压力平衡阀的形式提供，可能是传统的阀门设计。然而，在优选方案中，压力平衡装置28的形式为压力补偿阀，带有两个由隔板隔开的腔室。包围两个腔室的外罩包括用于与密封废矿14中流体联通的第一腔室的第一端口，和用于与压力平衡室24中流体或气体联通的第二腔室的第二端口。隔板可移动安装于外罩包围的内部空间的安装活塞组件34上，这样使活塞组件和隔板移动以适用于反应第一端口与第二端口气压变化关系，从而提供了密封废矿14内正负压力波动的补偿机制。压力补偿阀28外罩中的活塞移动还导致了压力平衡室24内绝对气压改变。由于绝对气压的变化，以附加的压力平衡阀32为形式提供的附加压力补偿装置被激活，并使压力平衡室外的气体可流进或流出压力平衡室24，使得压力平衡室24内气压的正负波动都得到补偿。

提供压力平衡流体流动线36以使气体(比如空气)流动进入或流出与附加压力平衡阀32连接的压力平衡室24。还可进一步安装平衡阀38来控制压力平衡流体流动线36中的气流。

为防止经过废矿密封体16的压力差的发展，压力补偿阀28与附加的压力平衡阀32的驱动组合和平衡阀38，导致了密封废矿14内绝对气压的变化和压力平衡室24内绝对气压的变化。防止经过废矿密封体16的压力差的发展，进而防止密封废矿14中任何气体的泄漏。相似地，压力补偿阀28与附加的压力平衡阀32的驱动还阻止了密封废矿14的气体从密封废矿14泄漏到风道或压力平衡室24。

如图3，示例了以压力平衡系统和方法的另一种具体实施例的形式。这种实施例尤其但不限于适用于典型的长臂工作面尾门的应用。像功能这种引用数字的表示在之前的方案中已经描述过了。与之前描述的实施例不同，在压力平衡室24附近不存在带有绝对气压的邻近的气道。相反，压力平衡室24位于靠近尾门的位置，因此，气道中绝对气压的气体无法供应压力平衡室24。

特别的，压力平衡室中绝对气压的任何变化，由激活的附加压力平衡阀32进行补偿，将其他地方的气体(不是气道)，如空气，循环进入压力平衡室24。因此，图3所示的实施例还要求对进入或流出压力平衡室24的气流进行控制，使压力平衡室24中气压的任何正负波动都得到补偿。

本发明不受示意图中平巷或气道具体数量的限制。例如，在进一步实施例中：

·主平巷可能增加或减少；

·可能有两个或更多回风道，与图1所示的一致；

·可能不止一个压力平衡室；

·压力平衡室间可能相互连通；

·如图1所示的采空区相邻的回风道可能没有与之平行的进风道；

·相邻废矿密封体的气道可能是一个入口；

·图1至图3所示的隔墙的规格可与废矿密封体相同；

·可能有不止一个如图所示的隔墙或密封体系列；

·一个压力平衡室可能不只为一个采空区密封体或废矿密封体服务。

本说明书与权利要求中(若有)，词语“包含”及其变体“含有”和“含”包括每个指定的整数，但不排除一个或多个整数集合。

在本说明书中引用的“一个方案”或“方案”表示描述的与该方案有联系的一个特定功能、结构或特点，包含在本发明的至少一个方案中。因此，词组“在一个方案中”或“在方案中”在本说明书不同地方的出现并不一定指的是同一个方案。更进一步说，特定的功能、结构或特点可能在一个或多个组合中以任意适当的方式出现。

根据法规，该发明已经用语言或多或少描述了结构或方法的特征。应当知晓，由于本文方法包括将本发明付诸实施的优选形式，该发明不仅限于具有已展示或描述的特定特征。因此，本发明要求保护的范围包括附属权利要求项(如有)的适当范围内(可解释为本领域熟练技术的)的任何形式或修改。