一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置的制作方法

本实用新型涉及一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置。属于瓦斯回收领域。

背景技术：

瓦斯是成煤母质在煤化过程中形成并自储于煤层中以甲烷为主的气体，是煤矿安全生产的重大隐患。瓦斯的主要成分为甲烷，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对臭氧层的破坏力约为二氧化碳的7倍。在矿井开采过程中，由于采空区瓦斯大量涌入开采空间，导致回采工作面上隅角瓦斯积聚，工作面回风道风流中甚至矿井总回风道瓦斯超限，统计发现，我国2006～2016年间，全国煤矿发生瓦斯事故580起，死亡4578人，其中特别重大事故17起，大部分瓦斯事故都是由于瓦斯浓度超过安全标准引起的。因此，防止瓦斯事故的有效途径是进行瓦斯抽采，瓦斯抽采主要针对邻近层、本煤层及采空区。其中目前采空区瓦斯抽采方法的主要缺点为不能根据实际情况对瓦斯抽采口进行调节，管材耗量大，对施工工艺质量要求较高，且瓦斯抽采效率相对较低。

气体水合物是水与CH₄、C₂H₆、CO₂及H₂S等小分子气体形成的非化学计量性笼状晶体物质，故又称笼形水合物。水合物的主体为水分子，客体为水合物中的其他组分。主体水分子通过形成氢键，进而相连形成多面体笼孔，可填充在这些笼孔中的客体分子尺寸与之相对应，使其具有热力学稳定性，水合物与储存天然气的气体体积比为1:160～1:180，因此水合物法可用于煤矿瓦斯气体的回收与富集，目前煤矿采空区的抽采方法难于将瓦斯回收，使得大量矿井瓦斯被直接排放到大气中，造成了环境的污染和资源的浪费。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有煤矿采空区瓦斯抽采技术不能根据实际情况对瓦斯抽采口进行调节，管材耗量大，对施工工艺质量要求较高且瓦斯抽采效率低，且难于将瓦斯回收，使得大量矿井瓦斯涌入巷道，一方面造成井下工作巷道瓦斯超限威胁安全生产，另一方面大量瓦斯被通风系统直接排放到大气中，造成了环境的污染的问题。现提供一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置。

一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置，其特征在于，它包括中层冷凝管、喷头、外层套管、内层压力栓、回流管活栓、内层活栓、中层活栓和内层套管，

内层套管、中层冷凝管、外层套管均为圆柱形管状结构，且由内至外嵌套设置，且两两之间无间隙；

内层套管的内腔设置内层压力栓，内层压力栓与内层套管的首端之间形成密封腔；

内层压力栓的内腔插入回流管活栓，回流管活栓的末端从内层压力栓伸出；中层活栓与中层冷凝管的末端固定连接；内层活栓与内层套管的末端固定连接；

外层套管的首端与钻头连接，在外层套管靠近钻头端的侧壁上设置有气孔，且该气孔为通孔，钻头与内层套管的首端之间的空隙为反应腔；

中层活栓用于带动中层冷凝管在外层套管内抽拉，当中层冷凝管向首端推动时，中层冷凝管遮挡住气孔，当中层冷凝管向末端拉动时，煤壁内瓦斯气通过气孔进入反应腔内，

密闭腔内充有促进剂与防聚剂复配溶液，密闭腔的首端开有喷头，

回流管活栓用于带动内层压力栓将密闭腔内的促进剂与防聚剂复配溶液从喷头挤压进入到反应腔内，与反应腔内的瓦斯气充分接触生成瓦斯水合物浆体，

内层活栓用于推动密闭腔，使瓦斯水合物浆体从回流管活栓的末端排出。

本实用新型的有益效果：

拉动内层压力栓，将内层套管拉向末端，使内层套管的首端与中层冷凝管的首端之间形成反应腔，然后利用真空泵将反应腔内抽真空使反应腔内达到负压的状态，向末端拉动中层活栓，使气孔打开，瓦斯气会在煤壁内压力的作用下涌入反应腔内，此时利用中层活栓，带动中层冷凝管拉伸，煤壁内瓦斯气通过气孔进入反应腔内，然后在将中层冷凝管向首端推动，关闭气孔；推动内层压力栓将密闭腔内的促进剂与防聚剂复配溶液从喷头挤压进入到反应腔内，开启注水孔开关，将冷水通过注水口注入到中层冷凝管中，再推动内层活栓将反应腔加压，观察压力表，在一段时间内封闭腔内的压力会下降，此时，反应腔内处于高压、低温的环境，待封闭腔内的压力趋于稳定后，瓦斯水合物已经最大限度的生成，开启高压密封阀使瓦斯水合物浆体流出回收，迅速回流至低温冷藏罐中，避免瓦斯水合物升温分解。

整个装置具有高密闭性，可在外力作用下推动回流管活栓已达到为反应腔加压的目的。密闭腔中的促进剂与防聚剂复配溶液能缩短瓦斯水合物生成的诱导时间，提高效率，对水合物生成动力学和热力学条件具有促进作用，并能降低液面张力使瓦斯气体更容易进入液体形成水合物，同时可以防止瓦斯水合物聚集成水合物固体使水合物失去流动性，因此通过煤矿采空区瓦斯回收装置，将采空区瓦斯以水合物浆体的形式回收，提高了井下工作的安全性，回收效率高，装置结构简单，增大了资源利用率，避免了瓦斯排放到大气中，对环境的污染。

附图说明

图1为具体实施方式所述的一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置的结构示意图；

图2为一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置的初始状态图；

图3为一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置的气孔打开的状态图；

图4为一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置在关闭气孔后，反应腔内形成的瓦斯水合物浆体在内层压力栓的挤压下从回流管活栓的末端排出的状态图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置，它包括中层冷凝管2、喷头3、外层套管4、内层压力栓5、回流管活栓7、内层活栓8、中层活栓9和内层套管18，

内层套管18、中层冷凝管2、外层套管4均为圆柱形管状结构，且由内至外嵌套设置，且两两之间无间隙；

内层套管18的内腔设置内层压力栓5，内层压力栓5与内层套管18的首端之间形成密封腔10；

内层压力栓5的内腔插入回流管活栓7，回流管活栓7的末端从内层压力栓5伸出；中层活栓9与中层冷凝管2的末端固定连接；内层活栓8与内层套管18的末端固定连接；

外层套管4的首端与钻头连接，在外层套管4靠近钻头端的侧壁上设置有气孔1，且该气孔1为通孔，钻头与内层套管18的首端之间的空隙为反应腔13；

中层活栓9用于带动中层冷凝管2在外层套管4内抽拉，当中层冷凝管2向首端推动时，中层冷凝管2遮挡住气孔1，当中层冷凝管2向末端拉动时，煤壁内瓦斯气通过气孔1进入反应腔13内，

密闭腔10内充有促进剂与防聚剂复配溶液，密闭腔10的首端开有喷头3，

回流管活栓7用于带动内层压力栓5将密闭腔10内的促进剂与防聚剂复配溶液从喷头3挤压进入到反应腔13内，与反应腔13内的瓦斯气充分接触生成瓦斯水合物浆体，

内层活栓8用于推动密闭腔10，使瓦斯水合物浆体从回流管活栓7的末端排出。

本实施方式中，本装置根据瓦斯水合物形成原理，设计了经济高效的瓦斯水合物浆体回收装置，为煤矿采空区瓦斯抽采开辟了新途径。

将瓦斯气以水合物浆体的形态导出，水合物形成促进剂的使用能够缩短瓦斯水合物生成的诱导时间，增大瓦斯水合物生长速率，可使瓦斯水合物在短时间内形成，水合物防聚剂可抑制水合物聚合，防止其形成水合物固体，促进剂和防聚剂浓度配比刚好使水合物以浆体形式存在。

鉴于气体水合物具有高储气量、高分解热的特性，利用水合物法回收采空区瓦斯，可提高瓦斯回收过程的安全性，同时提高瓦斯回收率，增大瓦斯回收量。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括注水孔6、真空泵11、压力表12、注水孔开关14、液体循环泵16和真空管17，

中层冷凝管2的末端连接注水孔6，中层冷凝管2上安装有注水孔开关14，

注水孔开关14，用于开启或关闭注水孔6，内层压力栓5的内腔插入回流管活栓7，回流管活栓7的末端从内层压力栓5伸出；

真空管17插入内层套管18，真空管17的首端从内层套管18伸出露在反应腔13内，真空管17的末端从内层压力栓5伸出，压力表12的压力端和真空泵11的输入端均连接真空管17的末端，

真空泵11，用于将反应腔13内空气抽真空，压力表12用于调节反应腔13内的压力，

液体循环泵16连接中层冷凝管2的末端，液体循环泵16，用于将从注水孔6中注入的水循环至整个中层冷凝管2中。

本实施方式中，利用冲击钻将整个装置打入采空区深度，首先在内层套管18处于中层冷凝管2末端的情况下，旋动中层活栓9使气孔1打开令反应腔10与外界联通，由于反应腔内呈负压状态煤壁内瓦斯气会在压力作用下涌入装置内，观察压力表12示数确定反应腔10内的瓦斯压力，待压力表12示数稳定后，旋动中层活栓9断开反应腔与外界的联接将装置密封，然后旋动回流管活栓7将密闭腔13内的促进剂与防聚剂复配溶液通过喷头3全部压出，使瓦斯气与促进剂与防聚剂复配溶液充分接触，同时并启动液体循环泵，使整个系统温度降低从而周围空间的温度随之下降，营造低温环境便于瓦斯水合物的生成，待封闭腔内的压力趋于稳定后将瓦斯水合物浆体导入低温冷藏罐15。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置作进一步说明，本实施方式中，中层冷凝管2的外表面通过螺纹连接外层套管4的内表面，中层冷凝管2的外表面通过螺纹连接反应腔10的内表面。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括低温冷藏罐15和高压密封阀，

低温冷藏罐15的罐口与回流管活栓7的末端连接，低温冷藏罐15，用于将反应腔13内的瓦斯水合物进行回收，

高压密封阀位于低温冷藏罐15和回流管活栓7的末端之间，高压密封阀用于控制回流 管活栓7末端的开启或者关闭，从而控制瓦斯水合物的流出或者关闭。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置作进一步说明，本实施方式中，气孔1为多个，多个气孔1以外层套管4的中心为圆心，沿着外层套管4的外表面成圆周排列。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种煤矿采空区瓦斯水合回收装置作进一步说明，本实施方式中，中层冷凝管2首端端的外表面和外层套管4首端的内表面之间通过平滑垫高压密封圈连接。

本实施方式中，由于中层冷凝管2外表面和外层套管4内表面通过螺纹连接，为了增加密闭性，防止气体从螺纹间隙间外流，所以，在中层冷凝管2的另一端的外表面和外层套管4的一端的内表面之间通过橡胶垫连接。

工作原理：在整个装置使用前检查装置的气密性并将压力表调零，待测试气密性完好后，装置才可以进行使用；首先拆卸雾化喷头，将促进剂与防聚剂复配溶液放入密闭腔内，然后将喷头安装好后，把中层冷凝管与内层密闭腔安装好，再将中层冷凝管与外层套管进行安装连接，将真空管与真空泵连接使反应腔内的空气全部排出，使之真空，然后旋转中层活栓将气孔封闭；利用冲击钻将整个装置打入采空区深度，然后旋动中层活栓使气孔打开令反应室与外界联通，旋动内层活栓使内层套管向外旋出，同时启动外部连接的真空泵，煤壁内瓦斯气会在压力作用下涌入装置内，观察压力表示数确定腔内的瓦斯压力，待压力表示数稳定后，首先旋动中层活栓将气孔封闭，使装置密封，然后旋动回流管活栓将内层腔内的促进剂与防聚剂复配溶液通过喷头全部压出，使瓦斯气与促进剂与防聚剂复配溶液充分接触，同时向注水孔注入低温水，并利用循环装置循环低温水，营造低温环境便于瓦斯水合物的生成，然后旋动内层活栓将密闭腔内加压观察压力表调整最佳压力值，在一段时间内封闭腔内的压力会下降，待封闭腔内的压力趋于稳定后瓦斯水合物已经最大限度的生成，开启尾端连接部使瓦斯水合物浆体流出回收，迅速回流至低温恒温箱中，避免瓦斯水合物升温分解。