一种煤矿井瓦斯抽取装置及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤矿开采领域，具体是指一种煤矿井瓦斯抽取装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 煤矿井下造成瓦斯积聚的原因很多，但主要有通风系统不合理和局部通风管理不 善是瓦斯积聚的主要原因。如2014年34起特大瓦斯爆炸事故中，有22起主要是因通风 系统不合理，存在风流短路、多次串联和循环风，造成供风地点风量不足而引起瓦斯积聚； 有9起主要是因局部通风机安装位置不当，风筒未延伸到供风点或脱落引起供风点有效风 量不足而造成瓦斯积聚；有2起事故主要是因停电停风而引起瓦斯积聚；有1起是盲巷积 聚的瓦斯被引爆。煤矿井下引爆瓦斯的火源有爆破火花、电气火花、摩擦撞击火花、静电火 花、煤炭自燃等。我国煤矿井下开采条件普遍较差，特别是南方煤矿，据统计，2014年全国国 有重点煤矿共有580处矿井进行了瓦斯等级鉴定，其中高瓦斯矿井160处，低瓦斯矿井298 处，煤与瓦斯突出矿井122处，有自然发火矿井372处，占64%，有煤尘爆炸危险矿井427处， 占 73. 6%。
[0003] 目前为了防止煤矿井内瓦斯发生爆炸，一般采用在正常通风的情况下向井下鼓 风，以将煤矿井内的瓦斯冲散溢出，但是与此同时井下的风量会导致井内的煤灰四起，并且 由于鼓风使得井下气压增大，会直接导致井内的瓦斯等有害气体的浓度增加，并且风量中 带有氧气，在一定程度上提高了瓦斯爆炸的几率，因此存在严重的安全隐患。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种煤矿井瓦斯抽取装置及其使用方法，解决煤矿井内瓦 斯浓度过大而导致严重安全事故，提高井下作业的安全系数。
[0005] 本发明的目的通过下述技术方案实现： 一种煤矿井瓦斯抽取装置，包括中空的支撑筒以及滑动设置在支撑筒内的移动杆，在 所述移动杆的两侧铰链连接有多个内部中空的延伸柱体，延伸柱体的内部与移动杆内部连 通，支撑筒的两侧开设有多个活动孔，延伸柱体的活动端贯穿活动孔置于泄压煤层内，所述 延伸柱体上下内壁上安装有与聚氨酯发泡机连通的发泡管，延伸柱体的外壁上开有多个通 孔，且发泡管上开有与通孔相对应的小孔；还包括吸收管，所述吸收管的一端贯穿延伸柱体 的置于卸压煤层的中部，且吸收管的端部安装有过滤头，吸收管的另一端通过风机与收集 罐连通。针对现有煤矿井中瓦斯含量居高的情况，申请人通过长期研宄，研发出适用于高瓦 斯含量的煤矿井的瓦斯抽取装置，在对煤矿开采前或是开采时进行瓦斯处理工序，保证煤 矿井中施工的安全性，避免瓦斯或是煤尘爆炸造成的巨大经济损失； 本发明工作时，支撑筒沿钻进的开采孔下移，且支撑筒的外径小于开采孔的内径，使得 下移杆在支撑筒内做相对运动时，与下移杆铰接的延伸柱体能够在活动孔中顺利运动，直 至延伸筒体与矩形基坑相互平行，此时聚氨酯发泡机向发泡管内注入聚氨酯塑料泡沫，通 过延伸柱体壁上的多个通孔，聚氨酯泡沫均匀分布在矩形基坑与延伸柱体外壁之间的间隙 中，实现矩形基坑的密封，此时风机启动，在吸收管的作用下，矩形基坑以及泄压煤层、原始 煤层内的瓦斯经过过滤头的过滤作用，将具有一定直径的煤尘阻挡在外，瓦斯则顺利被收 集进入到收集罐中，进而实现煤矿井瓦斯的抽取；由于煤矿井中地质层的分布，在原始煤层 中留有较多的相互独立的空腔，且空腔内分布有浓度较高的瓦斯，因此在挖掘单个的矩形 基坑时，无法将空腔内的瓦斯抽取回收，进而导致在煤矿开采时大量的空腔内的瓦斯溢出 导致重大的安全事故，本发明中在下移杆的两侧铰接设置有多个延伸柱体，因此能够与多 个不同地底高度下的矩形基坑配合，进而将更多的分层明显的原始煤层内瓦斯收集，以提 高在煤矿开采时的安全系数，达到安全开采的目的。
[0006] 还包括混合气体排出管和氧气浓度检测仪，混合气体排出管的一端贯穿延伸柱 体，混合气体排出管的另一端穿过移动杆通过空压机与气体储罐连通，在延伸柱体的端部 安装有氧气浓度探头，且氧气浓度探头通过导线与氧气浓度检测仪电连接。进一步地，针对 原始煤层中形成的大量空腔无法顺利被抽取，本发明设置有混合气体排出管，通过与外部 的储气罐连通，在空压机的驱动下，能够向矩形基坑内充入大量的惰性混合气体，一方面惰 性混合气体可在矩形基坑内将其中的氧气消耗或是稀释，另一方面可利用矩形基坑内不断 增大的压强，将原本松动不易与外部连通的空腔顶开，使得空腔内的瓦斯在顺利外排，当矩 形基坑内的氧气含量降低到一定程度或是矩形基坑内压力增加到一定的程度时，储气罐停 止向矩形基坑注入惰性混合气体，风机启动开始将矩形基坑内的混合气体回收，进而使得 矩形基坑内的气体压强骤然减小，单个独立空腔在被顶松后其内部的瓦斯会向压力减小的 矩形基坑内涌出，以增大煤矿层中瓦斯的抽取量；通过在矩形基坑内前后的压力变化，使得 煤矿层中的瓦斯由静态转化为动态，且在煤矿层中做一定程度上的往返运动，最终由吸收 管中排出，大大提高了瓦斯的抽取效率。
[0007] 所述气体储罐内填充有混合气体，所述混合气体包括NO、CO2以及N2，且三者的体 积比满足N0:C0 2:N2=1 :4~5 :7~9。在现有技术中，瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空 气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限，瓦斯爆炸界限为5%~16%， 当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为9. 5%时， 其爆炸威力最大（氧和瓦斯完全反应）；瓦斯浓度在16%以上时，失去其爆炸性，但在空气 中遇火仍会燃烧。当瓦斯含量在时，最易引燃；实践证明，空气中的氧气浓度降低 时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。 这一性质对井下密闭的煤层有很大影响，在密闭的煤层内往往积存大量瓦斯，即使火源存 在，但因氧的浓度低，并不会发生爆炸；如果有新鲜空气进入，氧气浓度达到12%以上，就 可能发生爆炸；因此在混合气体通入矩形基坑内时，即开始对瓦斯以及氧气进行稀释，本发 明中惰性混合气体包括NO、CO 2以及N 2，与CO2以及N 2的作用不同，NO用于直接与矩形基坑 内的〇2直接反应，在常温条件下生成NO 2，而腸2的密度比空气的密度大，单位体积内的重量 也比空气大，因此反应后的NCV#徘徊与矩形基坑的中部以及下部；而CO 2与N2的则位于矩 形基坑的中上部，瓦斯由于质量最轻则被置于最顶部，当持续通入惰性混合气体时，矩形基 坑内的气压变大，则〇) 2、队开始挤压瓦斯向煤层内部渗透，即开始对煤层内部形成的密闭 或是半密闭的空腔内进行冲击，当氧气浓度探头检测到氧气的含量低于12%时，停止惰性 混合气体的注入，同时风机开始运转驱动吸收管开始将矩形基坑内的混合气体快速回收， 即将瓦斯、N0 2、C02、N2、少量的NO以及各个空腔内的瓦斯全部回收至储气罐中； 在惰性混合气体，即NOXO2以及N2，三者的体积比满足NO :C02:N2=1 :5 :9，N0的含量最 低可有效排除NO与02反应产生过量有毒气体NO 2的同时，最大程度上消耗矩形基坑内的氧 气含量，降低瓦斯爆炸的几率，〇)2与N 2在稀释氧气以及瓦斯的同时，可预防在瓦斯发生爆 炸时化学性能稳定的N2可有效控制火势以及煤矿内的温度，同时由于煤有自燃倾向性在有 连续的供氧条件下热量易于积聚，煤矿生产工作面采空区氧化带内的漏入风量不足以带走 煤氧化产生的热量，则煤温就逐渐升高，这时煤处于自燃发热；当温度达到煤的临界温度以 上，氧化急聚加快，大量产生热量，又使煤温迅速升高，达到煤的着火温度时便着火燃烧起 来，即进入自燃状态；基于此煤氧复合学说，采取向矩形基坑内注入较大流量的氮气，降低 该带内的氧气含量，达到破坏煤炭自燃的一个要素，使其氧含量降到煤自燃临界值以下，就 达到了防止煤自燃的目的。
[0008] 所述过滤头为圆锥状，且在过滤头的开口端处安装有波浪形的滤网。在矩形基坑 内存在有大量的煤尘，为防止煤层进入吸收管中，在吸收管的端部安装波浪形的滤网，在保 证过滤煤层的同时，使得混合气体在最大面积上通过吸收管，提高瓦斯抽取的效率。
[0009] 所述滤网的网孔直径小于或等于5微米。作为优选，基于矩形基坑内的煤肩以及 煤层的直径大小的考虑，将滤网的网孔设为小于或等于5微米，以增大滤网的过滤效果。 [0010] 一种如权利要求1~5任意一项所述的煤矿井瓦斯抽取装置的使用方法，包括以下 步骤， (A) 在原始煤层下的泄压煤层开设多个可供抽取瓦斯的矩形基坑； (B) 将支撑筒置于煤矿井内，同时使得延伸柱体水平放置在矩形基坑内； (C) 聚氨酯发泡机在压力泵的作用下开始向发泡管注入聚氨酯塑料泡沫，通过聚氨酯 塑料泡沫穿过通孔将矩形基坑与延伸柱体之间的间隙完全密封； (D) 通过延伸柱体端部的氧气浓度探头将矩形基坑内的氧气含量测量，当氧气浓度大 于或是等于12%时，气体储罐开始向混合气体排出管注入混合气体，以对矩形基坑内的氧 气浓度进行稀释；当氧气浓度小于12%时，停止注入混合气体； (E) 在泄压煤层中的瓦斯在被注入的混合气体挤压扩散时，且将原始煤层中原本闭合 的间隙冲散开，使得间隙内的瓦斯与泄压煤层以及矩形基坑内的瓦斯汇聚在一起，启动风 机，通过吸收管将汇聚的瓦斯以及混合气体快速回收至收集罐内。
[0011] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果： 1、 本发明一种煤矿井瓦斯抽取装置及其使用方法，由于煤矿井中地质层的分布，在原 始煤层中留有较多的相互独立的空腔，且空腔内分布有浓度较高的瓦斯，因此在挖掘单个 的矩形基坑时，无法将空腔内的瓦斯抽取回收，进而导致在煤矿开采时大量的空腔内的瓦 斯溢出导致重大的安全事故，本发明中在下移杆的两侧铰接设置有多个延伸柱体，因此能 够与多个不同地底高度下的矩形基坑配合，进而将更多的分层明显的原始煤层内瓦斯收 集，以提高在煤矿开采时的安全系数，达到安全开采的目的； 2、 本发明一种煤矿井瓦斯抽取装置及其使用方法，当矩形基坑内的氧气含量降低到一 定程度或是矩形基坑内压力增加到一定的程度时，储气罐停止向矩形基坑注入惰性混合气 体，风机启动开始将矩形基坑内的混合气体回收，进而使得矩形基坑内的气体压强骤然减 小，单个独立空腔在被顶松后其内部的瓦斯会向压力减小的矩形基坑内涌出，以增大煤矿 层中瓦斯的抽取量；通过在矩形基坑内前后的压力变化，使得煤矿层中的瓦斯由静态转化 为动态，且在煤矿层中做一定程度上的往返运动，最终由吸收管中排出，大大提高了瓦斯的 抽取效率； 3、 本发明一种煤矿井瓦斯抽取装置及其使用方法，在吸收管的端部安装波浪形的滤 网，在保证过滤煤层的同时，使得混合