一种提高煤矿巷道内瓦斯抽采浓度的瓦斯抽采装置及方法与流程

本发明涉及一种瓦斯抽采装置及方法，尤其涉及一种提高煤矿巷道内瓦斯抽采浓度的瓦斯抽采装置及方法。

背景技术：

为了保障煤矿生产安全，在煤炭开采前需要将煤层中的瓦斯排放出来以达到安全生产的标准。目前，煤矿瓦斯治理主要采用井下抽放的方式，在煤层的煤壁上水平常压钻孔，负压抽排。而传统的瓦斯抽采工艺所抽采出的瓦斯浓度很低，无法直接作为非常规天然气使用，究其原因除了煤层瓦斯抽放方法选择不当以及瓦斯抽采钻孔封孔效果满足不了工程要求以外，一个主要的原因是由于开掘巷道引起的煤层松动圈效应导致煤壁向内部产生诸多裂隙，部分裂隙与抽采孔连通，巷道内的空气可通过裂隙进入到抽采孔，造成抽采出的气体中空气含量较高，大大稀释了瓦斯浓度。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种提高煤矿巷道内瓦斯抽采浓度的瓦斯抽采装置及方法，可有效避免巷道内的空气进入瓦斯抽采通道，提高瓦斯抽采浓度。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种提高煤矿巷道内瓦斯抽采浓度的瓦斯抽采装置，包括从前至后依次同轴连接的引鞋短节、单向阀短节、封隔器和封孔管或由若干个封孔管依次同轴连接的封孔管组合，所述引鞋短节设有轴向贯穿的引鞋短节轴孔，所述封孔管或封孔管组合的长度大于煤矿巷道内的抽采孔套管的长度，所述瓦斯抽采装置的最大外径小于所述抽采孔套管的内径。

优选的，所述封隔器的胶筒与所述封孔管或封孔管组合的后端之间的间距不小于25m。

优选的，所述单向阀短节的介质通道的前部设有阀座，所述阀座的外缘与所述介质通道的通道壁固定密封连接，所述阀座设有前后贯穿的通孔，所述介质通道的后部设有防护网，所述防护网覆盖所述介质通道的横截面，所述防护网与所述阀座之间的介质通道内设有可自由滚动的坐封球，所述坐封球的直径大于所述通孔的孔径。

优选的，所述封孔管或封孔管组合的后端同轴固定连接有法兰盘，所述法兰盘的法兰孔的孔径与所述封孔管或封孔管组合的内径相同。

优选的，所述封隔器包括中心管，所述中心管的外壁上从前至后依次套装有胶筒、胶筒底座和筒状活塞，三者的内壁均与所述中心管的外壁滑动密封配合，所述胶筒底座和所述筒状活塞的外壁上套装有缸套并均与所述缸套的内壁滑动密封配合，所述缸套的后端设有径向向内的凸缘，所述凸缘的内壁与所述中心管的外壁密封配合，所述筒状活塞的后端与所述凸缘的前端之间留有间隙，构成环形腔，所述中心管的管壁上设有连通所述环形腔与所述中心管的管孔的传压孔，所述中心管的前端和后端分别套装有前接头和后接头，所述胶筒的前端抵接所述前接头的后端，所述缸套的后端抵接或通过其他套装在所述中心管上的连接件抵接所述后接头的前端。

优选的，所述胶筒底座包括位于前端的等径段和位于后端的变径段，所述变径段的外径小于所述等径段的外径，所述变径段呈倒锥状或者包括与所述等径段平滑过渡的倒锥段，所述变径段上套装有锁环，所述锁环的形状与所述变径段和所述缸套之间的环形空间的形状相配合，所述锁环的外壁与所述缸套的内壁滑动密封配合，所述锁环的内壁与所述变径段的外壁滑动密封配合，所述锁环的长度大于所述变径段的长度，所述锁环的后端与所述筒状活塞的前端抵接，所述缸套的前端螺纹连接有锁套，所述锁套的内壁与所述胶筒底座的外壁滑动密封配合，所述锁套上设有径向贯穿锁套壁并插入所述胶筒底座的坐封销钉。

一种采用所述瓦斯抽采装置的瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

(1)将所述瓦斯抽采装置同轴推入所述抽采孔套管，所述法兰盘位于所述抽采孔套管外；

(2)向所述封孔管或封孔管组合的管孔内注水，使所述单向阀短节关闭，继续注水打压使所述封隔器坐封其与抽采孔之间的环形空间；

(3)稳压并确认所述封隔器坐封成功后，卸掉所述封孔管或封孔管组合的管孔内的压力并放水；

(4)通过所述法兰盘连接瓦斯负压抽采管，抽采瓦斯。

优选的，所述步骤(2)中，注入所述封孔管或封孔管组合的管孔内的水流经所述封隔器后进入所述单向阀短节的介质通道，推动所述坐封球坐封在所述球座的通孔上，实现所述单向阀短节的关闭。

优选的，所述步骤(3)中，稳压时间不小于2分钟。

优选的，所述步骤(1)中，所述法兰盘与所述抽采孔套管的管口之间留有间距，所述间距为5-10cm。

本发明的有益效果是：

1、采用本发明的瓦斯抽采装置及方法进行瓦斯抽采时，可以通过所述封隔器密封其与抽采孔之间的环形空间，从而隔绝由于开掘巷道导致煤壁上产生的裂隙与瓦斯抽采装置的瓦斯抽采通道的入口，使巷道内的空气无法进入瓦斯抽采通道，大大降低抽采的瓦斯气体中的空气含量，提高瓦斯气体的浓度，使其可以直接作为非常规天然气使用。

2、本发明的所述封隔器的胶筒与所述封孔管或封孔管组合的后端之间的间距设置，当所述瓦斯抽采装置推入所述抽采孔后，可保证所述封隔器的胶筒位于开掘巷道引起的煤层松动圈的前方，在所述封隔器坐封后，可完全避免由于煤层松动圈效应导致的煤壁上产生的裂隙与瓦斯抽采通道的入口连通。

3、本发明的所述单向阀短节的设置，在向所述封孔管或封孔管组合的管孔内注水打压时，可关闭瓦斯抽采通道，使压力可以顺利地传递给所述封隔器的胶筒，实现所述封隔器的快速坐封。

4、本发明的所述法兰盘与所述抽采孔套管的管口之间的间距设置，在所述封隔器坐封后，可以使所述胶筒后方的抽采孔与所述瓦斯抽采装置之间的空间与大气连通，保持常压状态，避免由于从煤壁上的裂隙进入抽采孔的空气致使抽采孔内的压力升高，对所述胶筒的坐封效果造成影响，甚至对所述瓦斯抽采装置造成损坏。

5、本发明的所述封隔器的独特的传压方式设计，当向所述封孔管或封孔管组合的管孔内注水打压时，压力可快速传递给所述胶筒，使所述胶筒在2-3分钟内即可完成坐封，可有效提高工作效率，所述封隔器的独特的胶筒底座止退方式设计，当所述胶筒坐封完成后，在所述筒状活塞的推力作用下，所述锁环可自动径向向外变形卡在所述锁套的前端面上，从而快速、有效地实现所述胶筒底座的止退，保持所述胶筒的坐封状态，保证所述胶筒的坐封效果。

附图说明

图1是本发明的瓦斯抽采装置的结构示意图；

图2是本发明的瓦斯抽采装置的封隔器坐封在抽采孔内的结构示意图；

图3是本发明的单向阀短节的结构示意图；

图4是本发明的封隔器的局部剖视图；

图5是本发明的封隔器的胶筒坐封后的局部剖视图；

图6是本发明的瓦斯抽采方法的流程图。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明公开了一种提高煤矿巷道内瓦斯抽采浓度的瓦斯抽采装置，包括从前至后依次同轴连接的引鞋短节1、单向阀短节2、封隔器3和封孔管4或由若干个封孔管依次同轴连接的封孔管组合，所述引鞋短节、所述单向阀短节、所述封隔器和所述封孔管或封孔管组合之间的连接方式优选为螺纹连接，所述封孔管组合的相邻的封孔管之间的连接方式优选为螺纹连接，所述引鞋短节设有轴向贯穿的引鞋短节轴孔，所述引鞋短节轴孔的内径优选为50mm，所述引鞋短节轴孔、所述单向阀短节的介质通道、所述封隔器的中心管的管孔和所述封孔管或封孔管组合的管孔依次连通构成瓦斯抽采通道，所述瓦斯抽采装置的最大外径小于煤矿巷道内安装的抽采孔套管5的内径，以使所述瓦斯抽采装置能够从所述抽采孔套管的管口同轴推入所述抽采孔套管，所述瓦斯抽采装置的最大外径优选至少小于抽采孔裸眼内径10mm(如10mm、12mm或15mm)，即可保证所述瓦斯抽采装置能够顺利地推入所述抽采孔套管(所述抽采孔套管的壁厚通常小于10mm)，所述封孔管或封孔管组合的长度大于所述抽采孔套管的长度，以使当所述瓦斯抽采装置同轴推入所述抽采孔套管内后，所述封隔器穿过所述抽采孔套管并位于所述抽采孔套管的前方的抽采孔内，所述封隔器坐封时，能够密封其与抽采孔之间的环形空间，从而隔绝由于开掘巷道导致的煤壁上产生的裂隙与所述瓦斯抽采通道的入口，使巷道内的空气无法进入所述瓦斯抽采通道，大大降低抽采的瓦斯气体中的空气含量，提高瓦斯气体的浓度。所述封孔管可以采用现有技术下常用规格的封孔管，内径可以为50mm或62mm，材质根据需要可以是不锈钢、pvc、玻璃或其他适宜的管材等。

所述封隔器的胶筒与所述封孔管或封孔管组合的后端之间的间距优选不小于25m(如25m、28m或30m)，以此保证当所述瓦斯抽采装置推入所述抽采孔后，所述封隔器的胶筒位于开掘巷道引起的煤层松动圈的前方，在所述封隔器坐封后，可完全避免由于煤层松动圈效应导致的煤壁上产生的裂隙与所述瓦斯抽采通道的入口连通。所述瓦斯抽采装置与所述抽采孔套管的长度差优选不小于10m(如10m、15m或20m)，以保证煤层松动圈位于所述封隔器的胶筒与所述抽采孔套管之间，进一步避免在所述封隔器坐封后，煤壁上的裂隙与所述瓦斯抽采通道的入口连通。

所述引鞋短节的前端优选设有筛网，所述筛网覆盖所述引鞋短节轴孔的横截面，所述筛网优选为16-32目筛网，所述筛网的设置，在通过所述瓦斯抽采装置进行瓦斯抽采时，可对粒径较大的煤块或颗粒物起到有效的阻挡作用，避免粒径较大的煤块或颗粒物被抽吸进瓦斯抽采通道或瓦斯存储容器，造成瓦斯抽采通道堵塞或瓦斯中存在杂质的情况发生。

参见图3，所述单向阀短节的结构可以为：所述单向阀短节的介质通道的前部设有阀座6，所述阀座的外缘与所述介质通道的通道壁固定密封连接，所述阀座同轴设有前后贯穿的通孔7，所述介质通道的后部设有防护网8，所述防护网覆盖所述介质通道的横截面，所述防护网与所述阀座之间的介质通道内设有可自由滚动的坐封球9，所述坐封球的直径大于所述通孔的孔径。所述单向阀短节的设置，只允许介质从所述单向阀短节的介质通道的前端向后端单向流动，当介质从所述单向阀短节的介质通道的后端向前方流动时，介质推动所述坐封球滚动，直至所述坐封球坐封在所述通孔上封闭所述单向阀短节的介质通道，并使介质压力可以顺利地传递给所述封隔器的胶筒，实现所述封隔器的快速坐封。所述防护网用于防止所述坐封球从所述单向阀短节的介质通道内脱出。所述通孔的后端边缘优选倒角，以方便所述坐封球坐封其上。

所述封孔管或封孔管组合的后端可以同轴固定连接(如焊接)有法兰盘10，所述法兰盘用于所述封孔管或封孔管组合连接瓦斯负压抽采管，所述法兰盘的法兰孔的孔径与所述封孔管或封孔管组合的内径相同。所述瓦斯抽采装置推入所述抽采孔套管后，所述法兰盘与所述抽采孔套管之间优选留有轴向间距，在所述封隔器坐封后，可以使所述封隔器的胶筒后方的抽采孔与所述瓦斯抽采装置之间的空间与大气连通，保持常压状态，避免由于从煤壁上的裂隙进入抽采孔的空气致使抽采孔内的压力升高，对所述胶筒的坐封效果造成影响，甚至对所述瓦斯抽采装置造成损坏，所述间距优选为5-10cm，如5cm、8cm或10cm。所述封孔管或封孔管组合靠近其后端的管壁上可以设有径向向外的支架或法兰，用于当所述瓦斯抽采装置推入所述抽采孔套管后与所述抽采孔套管的管口同轴固定，所述支架或法兰上设有前后贯穿的通气孔或通气通道，以保证所述封隔器的胶筒后方的抽采孔与所述瓦斯抽采装置之间的空间常压。

参见图4和图5，所述封隔器优选采用适于在裸眼井中坐封的封隔器，包括中心管11，所述中心管的外壁上从前至后依次套装有胶筒12、胶筒底座13和筒状活塞14，三者的内壁均与所述中心管的外壁滑动密封配合，所述胶筒底座和所述筒状活塞的外壁上套装有缸套15并均与所述缸套的内壁滑动密封配合，所述胶筒未受外力挤压状态下的外径优选与所述缸套的外径相同，所述缸套的后端设有径向向内的凸缘，所述凸缘的内壁与所述中心管的外壁密封配合，所述筒状活塞的后端与所述凸缘的前端之间留有间隙，构成环形腔16，所述中心管的管壁上设有连通所述环形腔与所述中心管的管孔的传压孔17，所述中心管的前端和后端分别固定套装有前接头和后接头，所述胶筒的前端抵接所述前接头的后端，所述缸套的后端抵接或通过其他套装在所述中心管上的连接件抵接所述后接头的前端。需要所述封隔器坐封抽采孔时，向所述封孔管或封孔管组合的管孔内注水，水流经所述封隔器后进入所述单向阀短节的介质通道，推动所述坐封球坐封在所述球座的通孔上，使所述单向阀短节关闭，继续向所述封孔管或封孔管组合的管孔内注水打压，压力及注水通过所述传压孔传递到所述环形腔内，所述筒状活塞和所述胶筒底座在压力的作用下向前滑动并挤压所述胶筒，使所述胶筒变形并径向向外凸出直至密封所述封隔器与所述抽采孔之间的环形空间。所述封隔器的独特的传压方式设计，当向所述封孔管或封孔管组合的管孔内注水打压时，压力可快速传递给所述胶筒，使所述胶筒在2-3分钟内即可完成坐封，可有效提高工作效率。

进一步的，所述胶筒底座可以包括位于前端的等径段和位于后端的变径段18，所述变径段的外径小于所述等径段的外径，所述变径段呈倒锥状或者包括与所述等径段平滑过渡的倒锥段，所述变径段上套装有锁环19，所述锁环的形状与所述变径段和所述缸套之间的环形空间的形状相配合，所述锁环的外壁与所述缸套的内壁滑动密封配合，所述锁环的内壁与所述变径段的外壁滑动密封配合，所述锁环的长度优选大于所述变径段的长度，所述锁环的后端与所述筒状活塞的前端抵接，以使所述胶筒底座的后端与所述筒状活塞的前端之间留有环形间隙20，所述缸套的前端螺纹连接有锁套21，所述锁套的内壁与所述胶筒底座的外壁滑动密封配合，所述锁套上设有径向贯穿锁套壁并插入所述胶筒底座的坐封销钉22。当所述筒状活塞受所述环形腔内的压力推动时，压力通过所述锁环传递给所述胶筒底座，所述坐封销钉被剪断，所述筒状活塞、所述锁环和所述胶筒底座同时向前滑动，所述缸套和所述锁套向后滑动(所述缸套与所述后接头之间留有所述缸套的滑动空间的情况)或者不向后滑动，所述胶筒受力变形坐封，当所述锁环滑动至刚越过所述锁套的前端时，所述锁环在所述筒状活塞的推力以及所述变径段的锥面的导向下径向向外微小变形，直至所述锁环的后端卡在所述锁套的前端，实现所述胶筒底座的止退，所述环形间隙的设置，在所述筒状活塞推动所述锁环和所述胶筒底座的过程中，可有效增大所述锁环的前端与所述变径段的锥面之间的挤压力，增大所述锁环的径向向外变形趋势。所述封隔器的独特的胶筒底座止退方式设计，当所述胶筒坐封完成后，在所述筒状活塞的推力作用下，所述锁环可自动径向向外变形卡在所述锁套的前端面上，从而快速、有效地实现所述胶筒底座的止退，保持所述胶筒的坐封状态，保证所述胶筒的坐封效果。

参见图6，本发明还公开了一种采用所述瓦斯抽采装置的瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

(1)将所述瓦斯抽采装置从所述抽采孔套管的管口同轴推入所述抽采孔套管，所述法兰盘位于所述抽采孔套管外；

(2)从所述法兰盘的法兰孔向所述封孔管或封孔管组合的管孔内注水，使所述单向阀短节关闭，所述单向阀短节关闭后，继续向所述封孔管或封孔管组合的管孔内注水打压，使所述封隔器坐封其与抽采孔之间的环形空间；

(3)所述封孔管或封孔管组合的管孔内稳压，确认所述封隔器坐封成功后，卸掉所述封孔管或封孔管组合的管孔内的压力并放水；

(4)通过所述法兰盘连接瓦斯负压抽采管，抽采瓦斯。

对于抽采出的瓦斯可以取样进行检测，以确定浓度。

所述步骤(2)中，注入所述封孔管或封孔管组合的管孔内的水流经所述封隔器后进入所述单向阀短节的介质通道，推动所述坐封球向前滚动并坐封在所述球座的通孔上，实现所述单向阀短节的关闭。所述单向阀短节关闭后，继续注水打压的压力优选为3mpa，所述封隔器坐封的工作过程及原理参见上文，在此不再赘述。

所述步骤(3)中，稳压时间优选不小于2分钟，如2分钟、3分钟或5分钟，以保证所述封隔器的胶筒变性后不反弹以及所述锁环稳定地卡在所述锁套的前端形成止退结构，保证所述封隔器坐封成功。

所述步骤(1)中，所述法兰盘与所述抽采孔套管的管口之间留有轴向间距，所述间距优选为5-10cm，如5cm、8cm或10cm，以保证所述封隔器的胶筒后方的抽采孔内常压。