单元循环式压抽一体化瓦斯抽采系统及方法与流程

本发明涉及煤矿瓦斯强化抽采相关技术领域，尤其是涉及一种单元循环式压抽一体化瓦斯抽采系统及方法，主要适用于需要提升抽采效率的煤矿。

背景技术：

抽采钻孔可以深入煤层内部，并在抽采负压的作用下将钻孔内的气体压力保持在一个比较低的状态，与钻孔周边煤体形成一定的压力梯度差，促使块间裂隙中的游离态瓦斯向抽采钻孔流动，而吸附态瓦斯发生解吸，对裂隙中的游离态瓦斯进行补充。由于煤层瓦斯压力与煤层瓦斯含量之间的关系遵从着典型的郎格缪尔类型，低压阶段的煤层瓦斯含量仍然较高，对采煤工作面安全回采造成威胁。但随着煤层瓦斯压力的逐步降低，抽采煤体与抽采钻孔间的瓦斯压力梯度大幅度减小，进而造成了“瓦斯流动驱动力”不足，因此抽采后期的抽采量衰减很快。

目前，压抽一体化技术，也被称为驱替技术，通过一部分钻孔向煤层内压注高于煤层瓦斯压力的其他气体，一部分钻孔进行抽采，在压注钻孔与抽采钻孔间增加瓦斯流动动力，提高裂隙中混合气体压力梯度从而驱赶裂隙瓦斯运移，同时利用注入气体的竞争吸附作用促使吸附瓦斯发生解吸与扩散。压抽一体化技术是一种非常有前景的瓦斯快速抽采技术，其现场应用模式得到了很多研究人员的关注。现有技术(zl201410443825.0)提出了一种低中压空气驱替高压煤层瓦斯系统及方法，向小孔中注入压风系统中的低压空气驱替巷道松动圈与抽采孔的密封段间的煤体瓦斯，向注气孔中注入中压空气，驱替比注气孔密封段更远的煤体瓦斯。现有技术(zl201910765263.4)公开了一种基于二氧化碳相变致裂装置的煤层瓦斯安全驱替抽采方法，通过大流量中低压注入机构向二氧化碳致裂器内注入压力为常压-10mpa的二氧化碳气体或液体，同时进行瓦斯气体的驱替和抽采,直至抽采完毕。现有技术(zl201811549209.8)公开了一种注水与注气交变驱替抽采煤层瓦斯的方法，通过往交变钻孔内循环交替实施注水与注气，注水压裂煤体，注气打开前面被水堵塞的瓦斯通道，提高瓦斯解吸效率。

上述专利及其他相关研究有利于在煤矿井下开展压抽一体化工程应用，但已公布的专利与技术方法均是采用持续压注的思路，而持续压注工艺存在三个明显的弊端：

(1)受井下压风、增压等装置能力限制，井下压抽一体化工程的气源是相对有限的，持续压注对气源消耗量较大，使得该技术难以服务大面积的煤层；

(2)长时间持续压注的气体最终会通过压注钻孔流动至抽采钻孔，使得瓦斯抽采浓度持续降低，而瓦斯是一种宝贵的清洁能源，当瓦斯浓度低于5％时其经济价值将急剧下降；

(3)恒定的压注孔与抽采孔布置往往使得压注孔周边煤体的瓦斯含量很低，而抽采孔周边煤体的瓦斯含量维持在较高的等级，压注抽采的抽采效果不均匀。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种单元循环式压抽一体化瓦斯抽采系统及方法，利用压注空气提升瓦斯抽采效率的滞后效应，对煤层的不同压抽单元进行循环式压注-抽采，从而在提升瓦斯抽采效率的同时，提升高压气体使用效率与瓦斯抽采浓度，并使得瓦斯抽采效果更加均匀。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，该单元循环式压抽一体化瓦斯抽采系统包括：气体增压装置、高压储气调控装置、压抽汇流管和分布于煤层的若干个压抽单元；每个压抽单元包括：第一压抽子单元和第二压抽子单元，所述第一压抽子单元的钻孔和所述第二压抽子单元的钻孔交替布置；每个压抽单元对应配置两个压抽汇流管，其中一个压抽汇流管与其对应的压抽单元的所有第一压抽子单元的钻孔连接，另一个压抽汇流管与其对应的压抽单元的所有第二压抽子单元的钻孔连接；所述压抽汇流管分别与抽采主管路、高压储气调控装置相连；所述高压储气调控装置与气体增压装置相连；所述气体增压装置与井下压风管路相连。

作为一种进一步的技术方案，所述压抽汇流管包括：汇流管主体、抽采系统连接口、压注系统连接口和多个抽采钻孔连接口；所述汇流管主体设置有一个抽采系统连接口，所述抽采系统连接口连接有高压球阀和多功能参数仪，所述多功能参数仪通过高压胶管与抽采主管路相连；所述汇流管主体设置有一个压注系统连接口，所述压注系统连接口连接有高压球阀；所述多个抽采钻孔连接口分别对应连接于所述第一压抽子单元的钻孔和所述第二压抽子单元的钻孔。

作为一种进一步的技术方案，所述高压储气调控装置包括：高压储气罐、泄压阀、减压阀与流量计，所述高压储气罐的入口通过高压胶管与气体增压装置相连，所述高压储气罐的出口与减压阀相连，所述减压阀与流量计相连，所述流量计通过高压胶管与压抽汇流管的压注系统连接口相连；所述高压储气罐的泄压口设置有泄压阀。

第二方面，本发明提供一种单元循环式压抽一体化瓦斯抽采的方法，采用所述的单元循环式压抽一体化瓦斯抽采系统，包括如下步骤：

s1、将煤层划分为n个压抽单元，每个压抽单元包括：第一压抽子单元和第二压抽子单元，所述第一压抽子单元的钻孔和所述第二压抽子单元的钻孔交替布置；

s2、根据煤层原始瓦斯含量、抽采达标瓦斯含量以及煤层条件参数计算每个抽采单元的达标抽采量qn达标；

s3、将单元循环式压抽一体化瓦斯抽采系统相连，开启气体增压装置，将高压储气罐压力上升至15mpa；

s4、调节压抽汇流管，对第1个压抽单元的第一压抽子单元的钻孔进行压注空气，压注流量为qmax/1.2，对所有压抽单元的第二压抽子单元的钻孔进行抽采，当第1个压抽单元的第二压抽子单元的抽采浓度α下降至压抽前的20％时，停止抽采与压注，之后执行步骤s5；

s5、计算第2个压抽单元的抽采达标情况，包括：

若第2个压抽单元的抽采量q2＜q2达标，则调节压抽汇流管，对第2个压抽单元的第一压抽子单元的钻孔进行压注空气，压注流量为qmax/1.2，对所有压抽单元的第二压抽子单元的钻孔进行抽采；当第2个压抽单元的第二压抽子单元的抽采浓度α下降至压抽前的20％时，停止抽采与压注，之后执行步骤s6；

若第2个压抽单元的抽采量q2＞q2达标，则第2个压抽单元的抽采达标，停止抽采与压注，之后执行步骤s6；

s6、按顺序计算下一个压抽单元抽采达标情况，包括：

若该压抽单元抽的抽采量未达标，则调节压抽汇流管，对该压抽单元的第一压抽子单元的钻孔进行压注空气，压注流量为qmax/1.2，对所有压抽单元的第二压抽子单元的钻孔进行抽采；当该压抽单元的第二压抽子单元的抽采浓度α下降至压抽前的20％时，停止抽采与压注；

若该压抽单元抽的抽采量达标，则停止抽采与压注；

按顺序直至完成对未达标的压抽单元的第一压抽子单元的压注，之后执行步骤s7；

作为一种进一步的技术方案，计算第1个压抽单元的抽采达标情况，包括：

若q1＜q1达标，调节压抽汇流管，对第1个压抽单元的第二压抽子单元的钻孔进行压注空气，压注流量为qmax/1.2，对所有压抽单元的第一压抽子单元的钻孔进行抽采，当第1个压抽单元的第一压抽子单元的抽采浓度下降至本循环压抽前的20％时，停止抽采与压注，之后执行步骤s8；

作为一种进一步的技术方案，按顺序计算下一个压抽单元抽采达标情况，包括：

若该压抽单元抽的抽采量未达标，则调节压抽汇流管，对该压抽单元的第二压抽子单元的钻孔进行压注空气，压注流量为qmax/1.2，对所有压抽单元的第一压抽子单元的钻孔进行抽采；当该压抽单元的第一压抽子单元的抽采浓度α下降至压抽前的20％时，停止抽采与压注；

若该压抽单元抽的抽采量达标，则停止抽采与压注；

按顺序直至完成对未达标的压抽单元的第二压抽子单元的压注，之后执行步骤s9；

s9、计算第1个压抽单元的抽采达标情况，包括：

若q1＜q1达标，之后执行步骤s4；

若q1＞q1达标，之后执行步骤s5；

s10、重复步骤s4至s9,直至所有的压抽单元均抽采达标。

作为一种进一步的技术方案，步骤s1中，将煤层划分为n个压抽单元，压抽单元的数量n满足如下计算公式：

式中，m为一个回采工作面抽采钻孔总数量，qmax为增压装置的额定标况输出流量，q为单位长度钻孔进行有效压抽所需流量，通过实验室测定，l为单个抽采钻孔平均长度，1.2为冗余系数。

作为一种进一步的技术方案，每个压抽单元的达标抽采量qn达标满足如下计算公式：

qn达标＝(w0-w达标)(l-h1-h2+2r)(l-h1-h2+r)mγ

式中，w0为压抽单元内的煤体原始瓦斯含量；w达标为压抽单元内的煤体预抽达标瓦斯含量；l为评价单元煤层走向长度；l为评价单元控制范围内煤层平均倾向长度；h1、h2为评价单元走向方向两端巷道瓦斯预排等值宽度，如果无巷道则为0；h1、h2为评价单元倾向方向两端巷道瓦斯预排等值宽度，如果无巷道则为零；m为评价单元平均煤层厚度；γ为评价单元煤的密度。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

与现有技术相比，本发明充分考虑了井下实际钻孔周边裂隙发育不均匀，采用定压力控制压注操作困难的实际情况，采用定流量进行压注；本发明利用了压注空气对于瓦斯抽采效果提升的滞后效应，采用间歇压注和分区压注理念，将抽采工作面划分为不同压抽单元，对单个压抽单元进行交替的压注抽采和单纯抽采，每个压抽单元的压抽结束后仍能维持较长时间的促进抽采效果，同时也给予煤体瓦斯以充分的解吸时间，保障了有限的高压空气气源的利用效率，提升了抽采浓度，使压抽一体化技术能够规模化推广应用；本发明同时还考虑了恒定的压注孔与抽采孔布置导致的抽采不均匀性，将每个压抽单元划分为2个子单元，每个子单元在不同压抽循环内交替压抽，确保了抽采效果均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是压注空气后对抽采量提升的滞后效应实测数据图。

图2是分单元循环式注空气压抽一体化系统示意图。

图3是高压储气调控装置正视图。

图4是压抽汇流管正视图。

图5是压抽汇流管俯视图。

图6是压抽单元n的周期交替压注示意图。

图7是单元循环式注空气压抽一体化工艺流程图。

图2中：1是煤层，2是停采线，3是压抽单元，4是第一压抽子单元，5是第二压抽子单元，6是抽采主管路，7是井下压风管路，8是气体增压装置，9是高压储气调控装置，10是高压胶管，11是压抽汇流管。

图3中，901是高压储气罐的入口，902是高压储气罐的出口，903是减压阀，904是流量计，905是泄压阀。

图4中，1101是汇流管主体，1102是抽采系统连接口，1103是高压球阀，1104是多功能参数仪，1105是压注系统连接口。

图5中，1106是抽采钻孔连接口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。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。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

结合图1至图7所示，本实施例提供一种单元循环式压抽一体化瓦斯抽采系统，包括：气体增压装置8、高压储气调控装置9、压抽汇流管11和分布于煤层1的若干个压抽单元3；

每个压抽单元3包括：第一压抽子单元4和第二压抽子单元5，所述第一压抽子单元4的钻孔和所述第二压抽子单元5的钻孔交替布置。

每个压抽单元3对应配置两个压抽汇流管11，其中一个压抽汇流管11与其对应的压抽单元3的所有第一压抽子单元4的钻孔连接，另一个压抽汇流管11与其对应的压抽单元3的所有第二压抽子单元5的钻孔连接。所述压抽汇流管11分别与抽采主管路6、高压储气调控装置9相连；所述高压储气调控装置9与气体增压装置8相连；所述气体增压装置8与井下压风管路7相连。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述压抽汇流管11包括：汇流管主体1101、抽采系统连接口1102、压注系统连接口1105和多个抽采钻孔连接口1106；所述汇流管主体1101设置有一个抽采系统连接口1102，所述抽采系统连接口1102连接有高压球阀1103和多功能参数仪1104，所述多功能参数仪1104通过高压胶管与抽采主管路6相连；所述汇流管主体1101设置有一个压注系统连接口1105，所述压注系统连接口1105连接有高压球阀1103；所述多个抽采钻孔连接口分别对应连接于所述第一压抽子单元4的钻孔和所述第二压抽子单元5的钻孔。

作为一种进一步的技术方案，所述高压储气调控装置9包括：高压储气罐、泄压阀905、减压阀903与流量计904，所述高压储气罐的入口901通过高压胶管与气体增压装置8相连，所述高压储气罐的出口902与减压阀903相连，所述减压阀903与流量计904相连，所述流量计904通过高压胶管与压抽汇流管11的压注系统连接口1105相连；所述高压储气罐的泄压口设置有泄压阀905。

可见，本实施例充分考虑了井下实际钻孔周边裂隙发育不均匀，采用定压力控制压注操作困难的实际情况，采用定流量进行压注；本发明利用了压注空气对于瓦斯抽采效果提升的滞后效应，采用间歇压注和分区压注理念，将抽采工作面划分为不同压抽单元3，对单个压抽单元3进行交替的压注抽采和单纯抽采，每个压抽单元3的压抽结束后仍能维持较长时间的促进抽采效果，同时也给予煤体瓦斯以充分的解吸时间，保障了有限的高压空气气源的利用效率，提升了抽采浓度，使压抽一体化技术能够规模化推广应用；本发明同时还考虑了恒定的压注孔与抽采孔布置导致的抽采不均匀性，将每个压抽单元3划分为2个子单元，每个子单元在不同压抽循环内交替压抽，确保了抽采效果均匀性。

实施例二

本实施例在上述实施例一的基础上还提供一种单元循环式压抽一体化瓦斯抽采方法，包括：

s1、将煤层划分为n个压抽单元3。单元数量n通过如下公式计算：

式中，m为一个回采工作面抽采钻孔总数量，qmax为增压装置的额定标况输出流量，q为单位长度(1m)钻孔进行有效压抽所需流量，通过实验室测定，l为单个抽采钻孔平均长度，1.2为冗余系数。

s2、根据煤层原始瓦斯含量、抽采达标瓦斯含量以及煤层条件参数计算每个抽采单元的达标抽采量qn达标。每个压抽单元3的达标抽采量qn达标通过如下计算：

qn达标＝(w0-w达标)(l-h1-h2+2r)(l-h1-h2+r)mγ

其中，w0为压抽单元3内的煤体原始瓦斯含量；w达标为压抽单元3内的煤体预抽达标瓦斯含量；l为评价单元煤层走向长度；l为评价单元控制范围内煤层平均倾向长度；h1、h2为评价单元走向方向两端巷道瓦斯预排等值宽度，如果无巷道则为0；h1、h2为评价单元倾向方向两端巷道瓦斯预排等值宽度，如果无巷道则为零,m为评价单元平均煤层厚度；γ为评价单元煤的密度。

s3、如图2所示，将井下压风管路7与气体增压装置8相连，将气体增压装置8通过高压胶管10与高压储气调控装置9相连，将高压储气调控装置9与压抽汇流管11相连，将压抽汇流管11与对应的第一压抽子单元4的钻孔或者第二压抽子单元5的钻孔相连，压抽汇流管11同时与抽采主管路6相连。如图3所示，关闭高压储气调控装置9上的减压阀903，开启气体增压装置8，将高压储气罐压力上升至15mpa。

s4、如图4和图5所示，将与第1个压抽单元3(压抽单元3一)的第一压抽子单元4(子单元①)相连的抽采系统连接口1102关闭，压注系统连接口1105打开，调节高压储气调控装置9上的高压气体减压阀903，观察流量计904的读数，调节注气流量至qmax/1.2，对第1个压抽单元3的第一压抽子单元4的钻孔进行空气压注。将与其他压抽子单元相连的压抽汇流管11的抽采系统连接口1102打开，压注系统关闭，对其他压抽子单元进行抽采。通过压抽汇流管11上的多功能参数仪1104对累积抽采量qn和实时抽采浓度α进行监测。

调节高压储气调控装置9上的减压阀903，将压注流量维持在qmax/1.2，观察多功能参数仪1104读数，当第1个压抽单元3的第二压抽子单元5(子单元②)的混合抽采浓度α下降至压抽前的20％时，停止第1个压抽单元3的第1循环压注。

s5、从停采线2一侧按顺序排列，计算第2个压抽单元3(压抽单元3二)的抽采达标情况，若q2＜q2达标，调节相连的压抽汇流管11，对该压抽单元3的第一压抽子单元4的钻孔进行压注空气，压注流量为qmax/1.2，对其他所有压抽子单元的钻孔进行抽采，抽采效果通过压抽汇流管11上的多功能参数仪1104进行监测。

若q2＞q2达标，则该压抽单元3抽采达标，停止抽采与压注，按顺序计算再下一个压抽单元3抽采达标情况，对未抽采达标单元的第一压抽子单元4钻孔进行压注。

s6、重复步骤4、5，完成对未抽采达标的所有压抽单元3的第一压抽子单元4的压注。

s7、计算第1个压抽单元3的抽采达标情况，若q1＜q1达标，调节压抽汇流管11，对第1个压抽单元3的第二压抽子单元5的钻孔进行压注空气，压注流量为qmax/1.2，对其他所有未达标的压抽单元3的钻孔进行抽采。当第一压抽单元3的第一压抽子单元4的抽采浓度下降至本循环压抽前的20％时，停止第1个压抽单元3的第2循环压注，每个压抽单元3的循环交替压注过程如图6所示。

s8、按顺序计算下一个压抽单元3抽采达标情况，对未抽采达标单元的第二压抽子单元5进行压注。

s9、重复步骤7、8，完成对未抽采达标的所有压抽单元3的第二压抽子单元5的压注。

s10、重复步骤4-9，直至所有压抽单元3抽采达标，整个压注一体化工艺如图7所示。

综上，本发明充分考虑了井下实际钻孔周边裂隙发育不均匀，采用定压力控制压注操作困难的实际情况，采用定流量进行压注；本发明利用了压注空气对于瓦斯抽采效果提升的滞后效应(如图1所示)，采用间歇压注和分区压注理念，将抽采工作面划分为不同压抽单元3，对单个压抽单元3进行交替的压注抽采和单纯抽采，每个压抽单元3的压抽结束后仍能维持较长时间的促进抽采效果，同时也给予煤体瓦斯以充分的解吸时间，保障了有限的高压空气气源的利用效率，提升了抽采浓度，使压抽一体化技术能够规模化推广应用；本发明同时还考虑了恒定的压注孔与抽采孔布置导致的抽采不均匀性，将每个压抽单元3划分为2个子单元，每个子单元在不同压抽循环内交替压抽，确保了抽采效果均匀性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。