煤矿低浓度瓦斯安全输送方法及输送系统

摘要

煤矿低浓度瓦斯安全输送方法及输送系统，其特征是在地面正压瓦斯输送管道内，水流环绕输送管道的内壁连续流动，形成环形水流，低浓度瓦斯气体流动在所述环形水流所形成的环形水封中，沿所述瓦斯气体的输送方向上每隔一段以柱状水团隔断气流，形成气流的端面水封，低浓度瓦斯气体在所述环形水流及端面水封中形成间歇性柱塞气流。本发明输送系统的设置相对简单、易操作、能耗低、供气压力稳定、富余瓦斯自动放散、可以保障抽采泵正常运行、安全可靠、脱水效果好。

说明书

技术领域

本发明涉及瓦斯的安全输送方法及输送系统，更具体地说是用于对煤矿低浓度瓦斯进行有效利用所采用的低浓度瓦斯的安全输送方法及输送系统。

背景技术

煤矿瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患，同时也是煤田的伴生资源和洁净能源，瓦斯抽采是控制煤矿瓦斯灾害的治本途径。对煤矿瓦斯进行科学合理地治理、开采和利用，既可降低煤矿瓦斯灾害事故，又可变害为宝，创造经济价值。

对于煤矿瓦斯的治理、开采和利用都需要将瓦斯进行安全输送，而低浓度瓦斯更是安全输送的难点。

由于浓度范围在5％～16％的瓦斯具有爆炸危险，出于安全考虑，通常被禁止直接利用。《煤矿安全规程》规定，煤矿瓦斯进行利用时，甲烷浓度不得低于30％。据统计，2005年我国煤矿瓦斯抽采量达30多亿m³，其中至少三分之二为甲烷浓度低于30％的低浓度瓦斯，这部分瓦斯由于被禁止利用而排空放散，既浪费资源又危害环境，也是煤矿瓦斯利用率较低的主要原因。然而能做功的瓦斯浓度恰恰就是在5％～16％之间，不管是燃烧，还是在汽缸内爆燃均如此，即便是高浓度瓦斯或天然气，也必须与空气充分混合或接触后才能形成燃烧和爆燃。

显然，煤矿低浓度瓦斯虽可被利用，但却因存在着输送中的安全问题带来极大的困难，至今仍是世界上尚未彻底解决的一大难题，发达国家始终把内燃式瓦斯发电浓度规定在＞30％。若将煤矿低浓度瓦斯的输送转化为本质安全型，无疑是瓦斯利用中的一大突破，瓦斯利用量和利用率将会大幅度提高，社会经济效益将十分显著。

目前，已经通过工业性试验的煤矿低浓度瓦斯本质安全型输送有细水雾安全输送方式，淮南谢一矿低浓度瓦斯发电站利用细水雾安全输送正式运行，其低浓度瓦斯细水雾输送及发电运行参数：瓦斯浓度为7％～16％，瓦斯压力为0.01Mpa，细水雾的水源压力为1Mpa。实践证明这是一种本质安全型输送方式，并且低浓度瓦斯发电较之高浓度瓦斯发电的运行会更加平稳。但是，细水雾安全输送存在有如下问题：

1、脱水效果直接影响发电效率，细水雾安全输送脱水相对困难，实际应用中虽然经过二级脱水后，却依然存在凝结水，制冷和旋风脱水理论上可以解决问题，但系统过于复杂。

2、低浓度瓦斯在输送中可能处于爆炸范围区间，严禁建罐缓冲储存，但由于瓦斯抽采泵抽采量与瓦斯利用设施利用量之间存在不匹配性，实际应用中既要把多余的瓦斯放散，又要保证瓦斯利用设施的供气压力，两者不能互为协调。

3、细水雾安全输送的喷嘴决定雾化效果，但由于煤矿瓦斯管路中的冷凝水含有钙离子，易造成喷嘴结垢，堵塞喷嘴，影响雾化效果，严重时将使细水雾失效。

4、细水雾安全输送使用盘式阻火器阻火，其通过间隙小，正常使用时阻力损失大，一旦结垢或尘埃堵塞，将使系统失效。

理论研究已经得到证明水蒸汽安全输送方式。在煤矿瓦斯中加入30％以上体积分数的水蒸汽，瓦斯浓度无论为何值，都将失去燃烧和爆炸的特性。利用这一特性，可以实现煤矿低浓度瓦斯水蒸汽本质安全型输送。具体应用可以是利用瓦斯发电的余热获取水蒸汽，添加到瓦斯输送管道中去，以达到本质安全型输送的目的。再利用瓦斯发电余热制冷获取冷量，对瓦斯和水蒸气的混合气体进行脱水，恢复瓦斯的燃爆性质，供给瓦斯发电机组发电。但是，实际应用的系统配套相当复杂，需要装备余热制水蒸气系统、余热制冷系统，而且瓦斯发电机组启动运转前还必须有充足的水蒸气和电制冷装置。目前尚无实际应用范例。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种气水二相流煤矿低浓度瓦斯安全输送方法；本发明同时提供设置相对简单、易操作、能耗低、供气压力稳定、富余瓦斯自动放散、可以保障抽采泵正常运行、安全可靠、脱水效果好便于利用的煤矿低浓度瓦斯安全输送系统。

本发明解决技术问题采用如下技术方案。

本发明煤矿低浓度瓦斯安全输送方法的特点是在地面正压瓦斯输送管道内，水流环绕输送管道的内壁连续流动，形成环形水流，低浓度瓦斯气体流动在所述环形水流所形成的环形水封中，沿所述瓦斯气体的输送方向上每隔一段以柱状水团隔断气流，形成气流的端面水封，低浓度瓦斯气体在所述环形水流及端面水封中形成间歇性柱塞气流。

本发明煤矿低浓度瓦斯安全输送系统的结构特点是：

煤矿瓦斯抽采动力设备采用水环式真空泵，矿井瓦斯出口通过串联设置的铜网式阻火器和前段防回火器接入水环式真空泵的入口；

自水环式真空泵的出口到瓦斯利用设备的正压输送干管上，在瓦斯抽采泵站侧的输送起始段依次设置输入段气水分离器、输入段防爆防回火器、输入段稳压放散装置、瓦斯排空管、控制阀、柱塞流装置和环流装置；

在低浓度瓦斯气水二相流安全输送管道起始段设置前段透明观察管，终点段设置后段透明观察管；

在瓦斯利用设备侧的输送终点段依次设置防爆阻火式气水分离器、输出段稳压放散装置、计量装置和阻火卸压放水排渣装置，阻火卸压放水排渣装置的输出端接入瓦斯利用设备，输出段气水分离器的回水经回水管进入水环式真空泵冷却水循环水池。

与已有技术相比，本发明方法的有益效果体现在：

1、对于从泵的出口到瓦斯利用装置进行瓦斯正压输送的方式，管道内的瓦斯容易泄漏到管外，受地面环境的影响较大，泄漏后的瓦斯遇明火则有可能传播到管道内，并形成灾变；同时，瓦斯利用设备也可能产生回火，波及管道内的瓦斯产生灾变，严重时会危及抽采泵的正常运行。本发明采用气水二相流正压输送的方式，可以有效解决这一问题。水封的状况是本质安全型的输送方式。借助于低浓度瓦斯输送环流和柱流装置，低浓度瓦斯气体在环形水封及端面水封中形成间歇性柱塞气流，使低浓度瓦斯失去爆燃特性，通过设置瓦斯气体和水流的压力、流量等相关参数，即可有效保证全管路的水封效果，极易形成和保持。而且由于气和水为二个相态，脱水也较为方便，效果易于保证。

2、本发明正压输送系统通过调整低浓度瓦斯气水二相流输送系统的供气压力、流量及供水压力、流量，使其形成环流和柱塞流。整个输送系统无需外加动力设备，输送动力来源于水环式真空泵出口压力，供水来源于水环式真空泵配套的供水泵，气水二相流系统输送的低浓度瓦斯在进入利用设施前，经防爆阻火式气水分离器进行气水分离，脱水后的瓦斯气源可直接利用，脱水后的水，流回水泵供水池循环使用，系统设置相对简单、易于操作、能耗低、安全可靠。

3、本发明系统通过稳压放散装置自动释放富余瓦斯，达到瓦斯抽采量与利用量的自行匹配，实现了对泵的有效的超压保护；通过阻火器、防爆防回火装置和稳压放散装置的卸压作用实现了对泵的有效的灾变保护。

4、低浓度瓦斯在输送中可能处于爆炸浓度范围区间，严禁建罐缓冲储存，但由于瓦斯抽采泵抽采量与瓦斯利用设施利用量之间存在不匹配性，多余的瓦斯会造成压力升高，危及抽采泵的安全运行。本发明采用稳压放散装置，在实际应用中既能把多余的瓦斯放散，又能保证瓦斯利用设施的需要供气压力，安全有效地解决了这一实际问题。

5、脱水效果直接影响瓦斯利用效率，制冷和旋风脱水理论上可以解决问题，但系统过于复杂。本发明防爆阻火式气水分离器采用了气水二个方向流的原理进行脱水，不仅提高了脱水效果，有利于提高瓦斯利用效率，而且兼具阻火功能，安全上更加可靠。

6、本发明可以通过在采掘工作面抽采管出口处、在采区抽采管路出口处、在干管入井下口设置分别设置阻火卸压放水排渣装置。把井下瓦斯抽采管网划分成区块，使之相互独立，一旦灾变发生即可实现多级阻火，将灾变控制在最小范围。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图。

图中标号：1输入段防爆防回火器、2输入段稳压放散装置、3瓦斯排空管、4控制阀、5柱塞流装置、6环流装置、7前段透明观察管、8后段透明观察管、9防爆阻火式气水分离器、10输出段稳压放散装置、11计量装置、12阻火卸压放水排渣装置、13冷却水循环水池、14水环式真空泵、15铜网式阻火器、16前段防爆防回火器、17输入段气水分离器、18井下阻火卸压放水排渣装置。

图2为本发明系统中环流装置结构示意图。

图3为本发明系统中柱塞流装置结构示意图。

图4(a)为本发明系统中瓦斯正压输送稳压放散装置结构示意图。

图4(b)为图4(a)所示装置稳压原理示意图

图5为本发明系统中防爆阻火式气水分离器结构示意图。

图6为本发明系统中阻火卸压放水排渣装置结构示意图。

具体实施方式

参见图1，煤矿瓦斯抽采动力设备采用水环式真空泵14，矿井瓦斯出口通过串联设置的铜网式阻火器15和前段防回火器16接入水环式真空泵14的入口；自水环式真空泵14的出口到瓦斯利用设备的正压输送干管上，在瓦斯抽采泵站侧的输送起始段依次设置输入段气水分离器17、输入段防爆防回火器1、输入段稳压放散装置2、瓦斯排空管3、控制阀4、柱塞流装置5和环流装置6；在低浓度瓦斯气水二相流安全输送管道中，位于起始段设置前段透明观察管7，终点段设置后段透明观察管8；在瓦斯利用设备侧的输送终点段依次设置防爆阻火式气水分离器9、输出段稳压放散装置10、计量装置11和阻火卸压放水排渣装置12，阻火卸压放水排渣装置12的输出端接入瓦斯利用设备，输出段气水分离器9的回水经回水管进入水环式真空泵冷却水循环水池13。

参见图2，系统中环流装置的结构形式是分段设置的瓦斯输送管道以前段管为内环套a4、后段管为外环套a3形成相互之间具有环形间隙的相互套叠，在其套叠位置处，位于管道的外周设置与环形间隙连通的配水环a7，配水环a7上设置注水口a1。

在瓦斯输送过程中，水流a2自注水口a1注入，在配水环a7中经由外环套a3和内环套a4形成的环形间隙形成环形水流a5进入瓦斯输送管道，并在瓦斯输送管道的内壁上形成水膜，低浓度的瓦斯气流a6在水膜中流动。以环流水膜阻断输送管道外部环境中的火源传播进入管路内，避免管路内发生灾变；当瓦斯输送管道有泄漏时，首先发生漏水，这一情况便于检查维修，从而确保低浓度瓦斯的安全输送。

参见图3，系统中柱塞流装置的结构形式是设置带有进气管b3的储水腔b9，储水腔b9的顶部通过注水口b1与水源管相通，储水腔b9的底部设置注流管b8，在柱流管b8的管口上设置先导式膜片阀，先导式膜片阀是由橡胶膜b5与密封盖b4构成先导腔b6，橡胶膜b5位于柱流管b8的管口上方，密封盖b4上设有与储水腔b9相通的进水口b10，在密封盖b4与柱流管b8之间以虹吸管b2相通，虹吸管b2的管径大于进水口b10的直径。

水流经注水口b1注入储水腔b9，并通过密封盖b4上预留的进水口b10进入先导腔b6，当储水腔b9中的水位超过处在先导腔b6中虹吸管b2的管口高度时，先导腔b6内的水经虹吸管b2向注流管b8中排放，由于在密封盖b4上预留的进水口b10的直径小于虹吸管b2的管径，在先导腔b6内因虹吸形成负压，于是橡胶膜b5向上抬起，注流管b8的管口被打口，储水腔b9中的水随之在柱流管b8中形成流入瓦斯输送管b11中的柱流b7。

在瓦斯输送过程中，本装置产生间歇性的疏松水团柱塞流，将瓦斯输送管道中的流动的低浓度瓦斯分割成小段，避免瓦斯利用设施回火时火焰进入低浓度瓦斯输送管路产生灾变，进而实现煤矿低浓度瓦斯气水二相流本质安全型输送。

参见图4(a)和图4(b)，系统中稳压放散装置的结构形式是在瓦斯抽采管c14和瓦斯排空管c15之间设置由水封槽外管壁c2、内管壁c19、隔板管c12、扩散罐c3和放散管c1共同构成直立槽式水封稳压放散装置，在槽式水封稳压放散装置中，位于水封面的上方设置可以常开的注水阀c11，在水封面的上限位置处设置溢水口c8，在与溢水口c8连通的溢水管c7的底部设置U型管c6，U型管c6以其管口朝上浸没在水池c5的液面以下，在槽式水封稳压装置的上方，以扩散罐c3承接，扩散管c3的顶部通过放散管c1以直通的方式接入排空管c15。

具体实施中，按常规设置瓦斯抽采管c14、排空管c15、排空阀c16、输送阀c17以及输送管c18。水封槽外管壁c2是通过底座盘c10与瓦斯抽采管c14的侧孔进行装配，在外管壁c2上应设置水位计c4，并在外管壁c2的底部设置排水阀c13，限压阀c9打开、溢水口即处于限压阀c9的位置。

工作过程中，注水阀c11处于常开状态，水流进入水封槽中，当水位c20高于溢水口c8时自动流出，并经溢水管c7和U型管c6进入水池c5中，形成连续循环供水。通过设定溢水口c8的溢水高度，可调整水封槽的水位c20。

图4(b)所示的槽式水封稳压原理示意图中，水封槽中的水位c20位置为正常工作状态下所在的位置。

瓦斯抽采管c14的供气压力大小是由瓦斯利用输送管c18的阻力而定，增大供气压力，可提高管道输送距离，但最大供气压力必须小于0.2kg，即水环式真空泵最大出口压力不大于0.2kg。

采用槽式水封进行稳压，循环供水。当供气压力超出水封槽设置的稳定压力时，气从水封槽中通过并自动从排空管排放，排放的气体从水槽中带走的水可由循环供水自动补给，循环供水还可以防止冬季上冻而致稳压放散装置失效。

参见图5，系统中防爆阻火式气水分离器的结构形式是呈倾斜设置气水二相团流输入管d3，气水二相团流输入管d3进入防爆阻火式气水分离器缓冲罐前呈枝叉状分成两路输出，一路是连接在其底口上的水流管d4，另一路是连接在其腰部的一级脱水气流管d2；呈直立设置防爆阻火式气水分离器缓冲罐阻火筒d1，一级脱水气流管d2接入位于缓冲罐阻火筒d1上部侧壁的气流入口，在气流入口的内侧壁上，设置对进入缓冲罐阻火筒d1中一级脱水气流形成封挡的二级脱水档板d6，在经二级脱水挡板d6之后形成二级脱水气流d7；水流管d4接入在缓冲罐阻火筒d1底部，脱水气流输出管d5的口部设置在缓冲罐阻火筒d1顶部，回水管d8位于缓冲罐阻火筒d1侧壁，回水管d8的管口与一级脱水气流管d2的入口高度一致。

具体实施中，在防爆阻火式气水分离器缓冲罐阻火筒d1顶部或任意一侧，设置气流稳压放散装置阀，脱水气流输出管d5的端口为气流稳压放散装置阀的稳压输出口。

利用重力进行脱水，并采用水封式阻火，脱水后的气体相对湿度在95％±3范围内，不含凝结水，完全满足瓦斯利用设施的供气要求。

参见图6，系统中阻火卸压放水排渣装置的结构形式是由上下两部分组成，上部为阻火器，下部为放水器。其中，上部阻火器设置有上下两个气流通道。

上气流通道的中部为可沿气流方向双向移动的平板阀芯e8，平板阀芯e8的两侧各设一道堵板e9，堵板e9上设有圆形通道e10，平板阀芯e8有两个状态，一是平板阀芯e8处在两侧堵板e9之间并与两侧堵板e9相分离，平板阀芯e8的外周与堵板e9中部圆形通道形成上部气流通道；另一是平板阀芯e8因受气压冲击与一侧堵板e9形成贴靠，上部气流通道则关闭；

下气流通道为水封通道，并承接在上气流通道的下方，在下气流通道中，分别设置有注水阀e2、排渣阀e4和与上气流通道连通的水腔e3。

阻火的功能是利用瓦斯气体爆炸冲击波传播速度比火焰传播速度快的原理。上气流通道为一双向阀门，当气流压力大于设定值时自动关闭；下气流通道采用水封，正常状态抽采瓦斯气体通过上气流通道，如管道中产生冲击气流关闭了上气流通道阀门，随后到来的火焰气流只能通过水封通道，实现阻火。

下部放水器e5位于下部气流通道的底部，当管路中流入水腔e3中的水超过水位线e12时，水从入水管e13流入放水器e5，放水器e5内积聚一定水量后，放水口e15自动打开将多余的水排放。

具体实施中，卸压功能的实现是在上部气流通道中设置有泄压口e6，以泄压膜e7对泄压口e6形成封堵，在管道中的气流压力超过一定值后(通常设定为＞1kg)，卸压模e7被气压顶破，气流从卸压口e6中流出达到卸压目的。平板阀芯e8是以上方悬架14悬吊设置，排渣是在停气状态下以人工打开排渣阀e4并打开注水阀e2冲水排渣。投入使用前，首先打开注水阀e2向装置内注水，直至放水器e5的放水口e15开始自动放水为止。装置在正常使用中，水腔e3中的水可由抽采管道中的水进行补充，多余的水可通过放水器e5的放水口e15自动排放。

具体实施中，阻火卸压放水除渣装置需要分别设置在在井下采掘工作面抽采管出口处、采区抽采管路出口处，以及干管入井下口等。将井下瓦斯抽采管网划分成区块。