一种煤炭无氧开采方法与流程

技术领域：

本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤炭无氧开采方法。

背景技术：
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在我国生产和消费的一次商品能源中，煤炭约占74％，煤炭提供了78％的发电能源、70％的化工原料和60％的民用商品能源。我国可露天开采的煤炭储量仅占7.5％，绝大部分煤炭开采均需通过矿井开采进行，但是，矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比，我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40％以上，由于煤炭赋存条件而导致煤炭开采的安全生产条件非常恶劣。在煤炭开采中，经常发生瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、火灾等影响恶劣的重大事故。建国以来煤矿发生25起一次死亡百人以上事故，其中16起为瓦斯事故，2起为火灾事故。2015年煤矿总共发生28起安全事故，其中8起瓦斯事故，7起中毒与窒息事故，1起火灾事故，占总事故的57.14％。因此，治理瓦斯灾害，防范火灾事故是煤矿安全和全国安全生产工作的重中之重。同时，随着煤炭资源开发深度的日益加深，现有通风技术无法满足未来矿井的生产需要，且生产成本会越来越高，煤炭企业无法继续开发深部资源。

技术实现要素：
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本发明的目的是，为避免煤矿瓦斯突出事故造成的重大伤亡，提供一种煤炭无氧开采方法，该方法具有安全系数高，成本低，资源回收利用率高等优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种煤炭无氧开采方法，包括以下步骤：

步骤1，矿井密封：

将矿井主井与副井封闭至密封状态，使矿井内部大气环境与地面大气隔离；

步骤2，煤炭无氧开采：

实时监测矿井内氧气浓度，当矿井内氧气浓度降至5％以下，且瓦斯浓度保持在爆炸极限上限以上时，开始煤炭开采，并在开采过程中，实时监测氧气浓度，使氧气浓度控制在5％以下，完成煤炭开采。

所述的步骤1中，矿井主井与副井的密封方式为：分别在主井与副井入口处各设置4道密封门，密封门设置间距为15～25m，所述的主井与副井的4道密封门分别形成3个舱室，沿矿井进入方向分别为第一舱室，第二舱室和第三舱室，其中，第一舱室为有氧舱，第二舱室为过渡舱，第三舱室为无氧舱。

所述的步骤2中，在煤炭开采过程中，开采人员佩戴呼吸器进行开采操作。

所述的步骤2中，在煤炭开采过程中，时刻监测瓦斯浓度，当瓦斯浓度高于30％时，进行瓦斯抽采，并使矿井内瓦斯浓度保持在爆炸极限上限以上，抽采的瓦斯用于回收利用，其中，所述的瓦斯爆炸极限上限为15％。

所述的步骤2中，抽采的瓦斯回收利用的方式为：当抽采出的瓦斯气体浓度高于30％时，抽采出的瓦斯气体直接用于燃料提供能量或用于化工企业，当抽采出的瓦斯气体浓度低于30％时，经过提纯后再利用或直接用于低浓度发电等用途。

所述的步骤2中，在进行煤炭无氧开采之前，在矿井内分别设置若干瓦斯浓度监测探头和若干氧气浓度监测探头，分别用于监测瓦斯浓度和氧气浓度；其中，所述的瓦斯浓度监测探头和氧气浓度监测探头均设置在巷道顶板上，瓦斯浓度监测探头22和氧气浓度监测探头19的安装间距根据流体网络理论的要求和实际需要确定。

所述的步骤2中，在进行煤炭无氧开采之前，在矿井外分别设置瓦斯抽采泵站和惰性气体注入系统；矿井内分别铺设瓦斯抽采管路和惰性气体管路；其中，所述的瓦斯抽采管路和瓦斯抽采泵站相连接，所述的惰性气体管路和惰性气体注入系统相连接，所述的惰性气体管路上设置若干惰性气体阀门。

所述的步骤2中，氧气浓度控制方式为，当氧气浓度在5％以上时，打开氧气浓度超标区域内的惰性气体管路阀门，向氧气超标空间注入惰性气体，稀释氧气浓度，使氧气浓度降至5％以下。

所述的步骤2中，惰性气体为工业制氮、co2或电厂烟气co2。

所述的步骤2中，在进行煤炭无氧开采之前，在在矿井内外分别设置压力探头，用于监测矿井内外压力，随着井下煤体瓦斯的解吸，封闭矿井内大气压力升高，当内部压力大于外部压力时，启动瓦斯抽采泵，控制抽采流量，保证矿井内外压力平衡。

所述的步骤2中，压力探头和瓦斯浓度监测探头根据流体网络理论的要求在矿井相关分支、节点进行安装。

所述的步骤2中，在进行煤炭无氧开采之前，在矿井内铺设供水管路，当开采过程中工作面有浮尘时，通过喷水达到降尘、降温的效果。

所述的步骤2中，在进行煤炭无氧开采之前，在矿井内铺设套管，所述的套管内敷设通信光缆和高压电缆。

所述的步骤2中，在进行煤炭无氧开采之前，在矿井内工作面附近安装空调设备，用于矿井高温状态下进行降温，保证作业人员环境的舒适。

所述的步骤2中，在开采之前，工作人员进入有氧舱对呼吸器等设备进行检测，确认无问题后，经过渡舱进入无氧舱，并检测无氧舱内氧气含量，当含有氧气时，通过抽氧设备将无氧舱内氧气抽走，使其保证为无氧状态后，进入矿井内进行开采操作。

所述的步骤2中，在进行煤炭无氧开采之前，在矿井内设置固定供气硐室，所述的固定供气硐室内部设置有储氧罐，所述的储氧罐通过管路与地面供氧站相连，连接处由阀门进行控制，开采人员使用后的氧气瓶由储氧罐进行加压充满；同时配备有井下专用的呼吸面具，需要维修的氧气瓶和呼吸面具有专门的摆放地点，便于及时进行更换；

所述的固定供气硐室内设置有第一呼吸面具柜和第二呼吸面具柜，维修面具柜和维修气瓶柜。

所述的步骤2中，井田范围内所有煤炭资源开采完毕后，矿井封闭报废。

本发明的开采方法能够在一个密闭的空间中实现采煤操作，生产过程中，会涌出大量瓦斯，使得采煤空间内的氧气浓度始终保持在5％以下、瓦斯浓度高于爆炸极限上限，从而井下大气环境处于失爆状态，大大降低瓦斯爆炸风险，同时，由于氧气浓度始终低于5％，井下所有煤均无法发生煤氧复合作用，从而无法发生自然发火现象。该种生产方法可最大限度提高机械设备采煤效率，实现煤炭资源的高产、高效、安全回采。

本发明的有益效果：

(1)本发明的开采方法能够有效保障人员的安全，杜绝了井下瓦斯爆炸、自然发火、外因火灾、煤尘爆炸等恶性事故；最大限度地回收煤与瓦斯资源，矿井区段隔离煤柱、采区隔离煤柱和防火隔离煤柱均可用沿空成巷的方法将煤柱采出；

(2)本发明的开采方法通过在主副井设置4道密封门，并结合抽氧操作，有效保证矿井内的密封状态，使采煤空间内的氧气浓度达到操作要求；

(3)本发明的开采方法简化了瓦斯抽放系统，根据流体网络理论的要求在相关分支、节点安装风压和瓦斯监测探头，用流体网络各节点与地面大气压力差的监测数据来控制抽瓦斯风机的转数(流量)，使抽瓦斯风机始终在合理转数下运行；大幅度提高经济、环境效益，可以用非防爆设备代替防爆设备，瓦斯超限停机的现象不会出现；

(4)本发明的开采方法不需要通风系统，无需开凿风井和风机房的建设，同时节约大量通风系统的运行费用；

(5)采用本发明的开采方法的矿井不需要防爆设备，可节约大量的电器设备购置费；

(6)本发明的开采方法要求井下人员佩服呼吸器井下作业，避免粉尘的吸入，保护了工作人员的身体健康，减少了尘肺病的发生；

(7)本发明的开采方法可利用工业制氮、co2或电厂烟气co2作为惰性气体，同时抽出的瓦斯气体经过提纯作为燃料使用，减少了温室气体的排放，对保护环境十分有益；

(8)本发明的开采方法适用于各种井型，能最大限度地吸纳各种新技术、新装备。

附图说明：

图1为本发明实施例的煤炭无氧开采过程中的矿井布置状态示意图，其中：

1-主井，2-副井，3-空压机房，4-瓦斯抽采泵站，5-地面，6-瓦斯抽采管路，7-供氧管路，8-密闭门，9-固定供氧硐室，10-惰性气体注入系统，19-氧气浓度监测探头，21-惰性气体管路，22-瓦斯浓度监测探头，a-有氧舱，b-过渡舱，c-无氧舱；

图2为图1的a-a截面剖视图，其中：7-供氧管路，11-套管，20-供水管路，21-惰性气体管路；

图3为本发明实施例1的无氧开采固定供气硐室9示意图，其中：7-供氧管路，12-氧气阀门，13-储氧罐，14-第一呼吸面具柜，15-第二呼吸面具柜，16-氧气瓶，17-维修面具柜，18-维修气瓶柜。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种煤炭无氧开采方法，煤炭无氧开采过程中的矿井布置状态示意图如图1所示，图1中的a-a截面剖视图如图2所示，固定供气硐室示意图如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1，矿井密封：

分别在主井1与副井2入口处各设置4道密封门8，密封门8设置间距为15m，主井1与副井2的4道密封门分别形成3个舱室，沿矿井进入方向分别为第一舱室，第二舱室和第三舱室，第一舱室为有氧舱a，第二舱室为过渡舱b，第三舱室为无氧舱c，使矿井封闭至密封状态，保证矿井内部大气环境与地面大气隔离；

步骤2，煤炭无氧开采：

在矿井外地面5上分别设置空压机房3、瓦斯抽采泵站4和惰性气体注入系统10；矿井内分别铺设瓦斯抽采管路6和惰性气体管路21；其中，瓦斯抽采管路6和瓦斯抽采泵站4相连接，惰性气体管路21和惰性气体注入系统10相连接，惰性气体管路21上设置若干惰性气体阀门；

在矿井内分别设置若干瓦斯浓度监测探头22和若干氧气浓度监测探头19；其中，瓦斯浓度监测探头22和氧气浓度监测探头19均设置在巷道顶板上，瓦斯浓度监测探头22和氧气浓度监测探头19的安装间距根据流体网络理论的要求和实际需要确定；

在矿井内工作面附近设置固定供氧硐室9，固定供氧硐室9内分别设置有储氧罐13，第一呼吸面具柜14，第二呼吸面具柜15，维修面具柜17和维修气瓶柜18，并放置有氧气瓶16；第一呼吸面具柜14和第二呼吸面具柜15用于放置呼吸面具，储氧罐13通过供氧管路7与地面供氧站连接，并在连接处设置有氧气阀门12，用于控制氧气输送；矿井内铺设供水管路20，且铺设有套管11，套管11内敷设通信光缆和高压电缆，工作面附近安装空调设备，根据流体网络理论的要求，在矿井内外分别设置有压力探头；

在开采之前，工作人员进入有氧舱a对呼吸器等设备进行检测，确认无问题后，佩戴呼吸器经过渡舱b进入无氧舱c，并检测无氧舱内氧气含量，经检测氧气浓度为5％，通过抽氧设备将无氧舱内氧气抽走，使其保证为无氧状态后，进入矿井内进行开采操作；通过氧气浓度监测探头19实时监测矿井内氧气浓度，当矿井内氧气浓度降至5％以下，且瓦斯浓度保持在爆炸极限上限15％以上时，开始煤炭开采，并在开采过程中，通过氧气浓度监测探头19实时监测氧气浓度，使氧气浓度控制在5％以下，当氧气浓度在5％以上时，打开氧气浓度超标区域内的惰性气体管路21上的惰性气体阀门，向氧气超标区域内注入工业制氮，稀释氧气浓度，使氧气浓度降至5％以下，进行煤炭开采；工作人员工作一定时间后到固定供氧硐室9进行更换氧气瓶，使用后的氧气瓶由储氧罐13进行加压充满，同时根据需要，到固定供氧硐室9进行呼吸面具和氧气瓶的维修与更换；

在煤炭开采过程中，通过空调设备，用于矿井高温状态下进行降温，保证作业人员环境的舒适；当工作面有浮尘时，通过供水管路20喷水进行降尘降温；通过瓦斯浓度监测探头22时刻监测瓦斯浓度，当瓦斯浓度高于30％时，进行瓦斯抽采，使矿井内瓦斯浓度保持在爆炸极限上限15％以上；并通过压力探头检测矿井内外压力，随着井下煤体瓦斯的解吸，当内部压力大于外部压力时，启动瓦斯抽采泵，对井下瓦斯气体进行抽采，控制抽采流量，使抽采速率与瓦斯解吸速率保持相同，保证矿井内外压力平衡，抽采出的瓦斯气体浓度高于30％，直接用于燃料提供能量或用于化工企业；当井田范围内所有煤炭资源开采完毕后，矿井封闭报废。

实施例2

一种煤炭无氧开采方法，煤炭无氧开采过程中的矿井布置状态示意图如图1所示，图1中的a-a截面剖视图如图2所示，固定供气硐室示意图如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1，矿井密封：

分别在主井1与副井2入口处各设置4道密封门8，密封门8设置间距为25m，主井1与副井2的4道密封门分别形成3个舱室，沿矿井进入方向分别为第一舱室，第二舱室和第三舱室，第一舱室为有氧舱a，第二舱室为过渡舱b，第三舱室为无氧舱c，使矿井封闭至密封状态，保证矿井内部大气环境与地面大气隔离；

步骤2，煤炭无氧开采：

在矿井外地面5上分别设置空压机房3、瓦斯抽采泵站4和惰性气体注入系统10；矿井内分别铺设瓦斯抽采管路6和惰性气体管路21；其中，瓦斯抽采管路6和瓦斯抽采泵站4相连接，惰性气体管路21和惰性气体注入系统10相连接，惰性气体管路21上设置若干惰性气体阀门；

在矿井内分别设置若干瓦斯浓度监测探头22和若干氧气浓度监测探头19；其中，瓦斯浓度监测探头22和氧气浓度监测探头19均设置在巷道顶板上，瓦斯浓度监测探头22和氧气浓度监测探头19的安装间距根据流体网络理论的要求和实际需要确定；

在矿井内工作面附近设置固定供氧硐室9，固定供氧硐室9内分别设置有储氧罐13，第一呼吸面具柜14，第二呼吸面具柜15，维修面具柜17和维修气瓶柜18，并放置有氧气瓶16；第一呼吸面具柜14和第二呼吸面具柜15用于放置呼吸面具，储氧罐13通过供氧管路7与地面供氧站连接，并在连接处设置有氧气阀门12，用于控制氧气输送；矿井内铺设供水管路20，且铺设有套管11，套管11内敷设通信光缆和高压电缆，工作面附近安装空调设备，根据流体网络理论的要求，在矿井内外分别设置有压力探头；

在开采之前，工作人员进入有氧舱a对呼吸器等设备进行检测，确认无问题后，佩戴呼吸器经过渡舱b进入无氧舱c，并检测无氧舱内氧气含量，经检测氧气浓度为8％，通过抽氧设备将无氧舱内氧气抽走，使其保证为无氧状态后，进入矿井内进行开采操作；通过氧气浓度监测探头19实时监测矿井内氧气浓度，当矿井内氧气浓度降至5％以下，且瓦斯浓度保持在爆炸极限上限15％以上时，开始煤炭开采，并在开采过程中，通过氧气浓度监测探头19实时监测氧气浓度，使氧气浓度控制在5％以下，当氧气浓度在5％以上时，打开氧气浓度超标区域内的惰性气体管路21上的惰性气体阀门，向氧气超标区域内注入工业制氮、co2或电厂烟气co2，稀释氧气浓度，使氧气浓度降至5％以下，进行煤炭开采；工作人员工作一定时间后到固定供氧硐室9进行更换氧气瓶，使用后的氧气瓶由储氧罐13进行加压充满，同时根据需要，到固定供氧硐室9进行呼吸面具和氧气瓶的维修与更换；

在煤炭开采过程中，通过空调设备，用于矿井高温状态下进行降温，保证作业人员环境的舒适；当工作面有浮尘时，通过供水管路20喷水进行降尘降温；通过瓦斯浓度监测探头22时刻监测瓦斯浓度，当瓦斯浓度高于30％时，进行瓦斯抽采，使矿井内瓦斯浓度保持在爆炸极限上限15％以上；并通过压力探头检测矿井内外压力，随着井下煤体瓦斯的解吸，当内部压力大于外部压力时，启动瓦斯抽采泵，对井下瓦斯气体进行抽采，控制抽采流量，使抽采速率与瓦斯解吸速率保持相同，保证矿井内外压力平衡，抽采出的瓦斯气体浓度低于30％，经过提纯后再利用或直接用于低浓度发电等用途；当井田范围内所有煤炭资源开采完毕后，矿井封闭报废。