一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统及方法

摘要

本发明公开了一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统及方法，将预先抽真空的装填吸附剂的甲烷吸附罐和脱水装置与煤矿井下瓦斯抽采支管连通，压差作用下低浓度瓦斯经除尘装置、气水分离器后进入负压状态的脱水装置和甲烷吸附罐中，甲烷被吸附剂优先吸附，之后利用煤矿井下低负压抽采系统将甲烷吸附罐中自由空间游离的氮气和氧气抽离，然后利用煤矿井下高负压抽采系统对甲烷吸附罐和脱水装置抽真空，使吸附剂上吸附的甲烷脱附以获取高浓度瓦斯，同时吸水剂和甲烷吸附剂再生。本发明利用煤矿已有的高负压和低负压抽采系统，不需额外增加动力设备，即可大幅增加高负压抽采系统的瓦斯浓度，安装灵活，适用广泛。

权利要求

1.一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产方法，其特征在于，实现该方法的系统包括瓦斯抽采支管（2）、除尘装置（3）、气水分离器（4）、脱水装置（5）、甲烷吸附罐（6）、煤矿井下低负压抽采系统（7）和煤矿井下高负压抽采系统（8），所述瓦斯抽采支管（2）的一端与煤矿井下瓦斯抽采孔（1）连接，瓦斯抽采支管（2）的另一端依次与除尘装置（3）、气水分离器（4）连接，气水分离器（4）再经控制阀V1与脱水装置（5）底部通气口连接，脱水装置（5）顶部通气口分两路，一路经控制阀V2与甲烷吸附罐（6）底部第一通气口连接，另一路与甲烷吸附罐（6）顶部通气口并接后经控制阀V5与煤矿井下低负压抽采系统（7）连接，脱水装置（5）顶部通气口与甲烷吸附罐（6）顶部通气口之间的并接管路上还安装有控制阀V3，脱水装置（5）底部通气口与甲烷吸附罐（6）底部第二通气口并接后经控制阀V4与煤矿井下高负压抽采系统（8）连接，所述脱水装置（5）顶部安装有压力表Ⅰ（5.1），脱水装置（5）中装填吸水剂，所述甲烷吸附罐（6）顶部安装有压力表Ⅱ（6.1），甲烷吸附罐（6）中装填选择性吸附甲烷的吸附剂；

循环进行如下操作步骤：

1）进气吸附：打开控制阀V1和控制阀V2，关闭控制阀V3、控制阀V4和控制阀V5，处于负压状态的甲烷吸附罐（6）、脱水装置（5）与煤矿井下瓦斯抽采孔（1）、瓦斯抽采支管（2）、除尘装置（3）、气水分离器（4）连通，瓦斯抽采孔（1）和瓦斯抽采支管（2）内低浓度瓦斯气体在压差作用下首先依次经除尘装置（3）和气水分离器（4）去除粉尘和液态水，低浓度瓦斯气体中甲烷体积浓度小于16%，之后分别从底部依次进入脱水装置（5）和甲烷吸附罐（6），在脱水装置（5）内低浓度瓦斯中的水蒸气首先被吸水剂吸收，之后在甲烷吸附罐（6）内低浓度瓦斯中甲烷被吸附剂选择性吸附，甲烷吸附罐（6）自由空间内主要剩余氧气和氮气；

2）抽出游离气体：当甲烷吸附罐（6）内相对压力由负压上升为零时，关闭控制阀V1、控制阀V2和控制阀V4，打开控制阀V3和控制阀V5，利用煤矿井下低负压抽采系统（7）从顶部将脱水装置（5）中部分水汽和甲烷吸附罐（6）自由空间内游离气体抽出，进入煤矿井下低负压抽采系统（7）的瓦斯中甲烷浓度小于5%；

3）抽取高浓度甲烷气体：当甲烷吸附罐（6）内相对压力降低至‑1kPa ‑5kPa时，关闭控~

制阀V1、控制阀V2、控制阀V3和控制阀V5，打开控制阀V4，利用煤矿井下高负压抽采系统（8）从底部对脱水装置（5）和甲烷吸附罐（6）抽真空至甲烷吸附罐（6）内相对压力降低至‑20kPa‑40kPa，甲烷吸附罐（6）内吸附的甲烷和脱水装置内吸收的水汽脱附进入煤矿井下高负压~

抽采系统（8），吸水剂和吸附剂实现再生，进入煤矿井下高负压抽采系统（8）的瓦斯中甲烷浓度大于16 %。

2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产方法，其特

3 3

征在于，所述瓦斯抽采支管（2）内瓦斯总流量为0.5m/min 5m/min。

~

3.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产方法，其特征在于，所述选择性吸附甲烷的吸附剂包括活性炭、分子筛或离子液沸石中任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产方法，其特

3 3

征在于，所述脱水装置（5）的容积为0.05 0.3m ，所述甲烷吸附罐（6）的容积为0.1 1m ，甲烷~ ~

吸附罐（6）的高径比为1 3。

~

5.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产方法，其特征在于，所述除尘装置（3）采用湿式除尘装置。

6.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产方法，其特征在于，所述吸水剂包括活性氧化铝、硅胶、氯化钙中任意一种或多种。

说明书

一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及煤矿瓦斯抽采和提浓技术领域，具体涉及一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统及方法。

背景技术

[0002] 煤矿瓦斯又称煤层气，是一种重要的非常规天然气资源，我国煤矿瓦斯储量非常3
丰富，2000m以浅地质资源量达到36.8万亿m。然而，由于我国煤矿瓦斯赋存条件复杂、煤层
透气性差，地面抽采效果不佳，目前约70％煤矿瓦斯来源于井下瓦斯抽采。受到采掘活动影
响，井下煤层存在大量漏风裂隙，负压抽采作用下大量空气沿裂隙进入抽采钻孔，导致井下
瓦斯抽采浓度普遍偏低。目前甲烷浓度高于8％的低浓度瓦斯可通过内燃机发电技术加以
利用，但甲烷浓度低于8％的瓦斯难以利用，被直接排放到大气中，造成了巨大的能源浪费
和大气温室效应。另外，甲烷浓度为5％～16％的低浓度瓦斯具有爆炸危险性，在瓦斯抽采
管路传输过程中具有燃爆的安全隐患。采取相应技术措施提高井下抽采瓦斯浓度，有利于
提高瓦斯利用率，从而避免清洁能源浪费和甲烷温室气体排放。为提高低浓度瓦斯的利用
价值，目前主要通过在地面建立瓦斯提浓系统提高瓦斯中甲烷浓度。例如中国发明专利申
请CN103205297A公开的“一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法”、中国
发明专利申请CN85103557公开的“变压吸附法富集煤矿瓦斯气中甲烷”、中国发明专利申请
CN101596391A公开的“一种低浓度瓦斯变压吸附分级浓缩的方法”均是在地面建立大型集
中式变压吸附系统，配置额外的增压泵或真空泵提供变压吸附动力，该方法投资额巨大、能
耗高且容错性差，系统中某一部分出现故障将导致整个系统停机，并且将大量低浓度瓦斯
聚集于较小区域进行处理具有较高的安全隐患。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统，可以利用煤矿井下现有的高、低负压抽采系统进行井下分布式瓦斯提浓增产，降低瓦斯提浓的
运行成本。

[0004] 本发明的另一目的是提供基于上述用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统的增产方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统，包括瓦斯抽采支管、除尘装置、气水分离器、脱水装置、甲烷吸附罐、
煤矿井下低负压抽采系统和煤矿井下高负压抽采系统；

[0006] 所述瓦斯抽采支管的一端与煤矿井下瓦斯抽采孔连接，瓦斯抽采支管的另一端依次与除尘装置、气水分离器连接，气水分离器再经控制阀V1与脱水装置底部通气口连接，脱
水装置顶部通气口分两路，一路经控制阀V2与甲烷吸附罐底部第一通气口连接，另一路与
甲烷吸附罐顶部通气口并接后经控制阀V5与煤矿井下低负压抽采系统连接，脱水装置顶部
通气口与甲烷吸附罐顶部通气口之间的并接管路上还安装有控制阀V3，脱水装置底部通气
口与甲烷吸附罐底部第二通气口并接后经控制阀V4与煤矿井下高负压抽采系统连接，所述
脱水装置顶部安装有压力表Ⅰ，脱水装置中装填吸水剂，所述甲烷吸附罐顶部安装有压力表
Ⅱ，甲烷吸附罐中装填选择性吸附甲烷的吸附剂。

[0007] 作为本发明的进一步改进，所述瓦斯抽采支管内瓦斯总流量为0.5m3/min～5m3/min。

[0008] 作为本发明的进一步改进，所述选择性吸附甲烷的吸附剂为活性炭、分子筛、离子液沸石等。

[0009] 作为本发明的进一步改进，所述脱水装置的容积为0.05～0.3m3，所述甲烷吸附罐3
的容积为0.1～1m，甲烷吸附罐的高径比为1～3。

[0010] 作为本发明的进一步改进，所述除尘装置采用喷雾降尘等湿式除尘装置。

[0011] 作为本发明的进一步改进，所述吸水剂为氧化铝、硅胶、氯化钙等。

[0012] 本发明还提供一种基于上述用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统的增产方法，需循环进行如下操作步骤：

[0013] 1)进气吸附：打开控制阀V1、控制阀V2，关闭控制阀V3、控制阀V4和控制阀V5，处于负压状态的甲烷吸附罐、脱水装置与煤矿井下瓦斯抽采孔、瓦斯抽采支管、除尘装置、气水
分离器连通，瓦斯抽采孔和瓦斯抽采支管内低浓度瓦斯气体在压差作用下首先依次经除尘
装置和气水分离器去除粉尘和液态水，低浓度瓦斯气体中甲烷体积浓度小于16％，之后分
别从底部依次进入脱水装置和甲烷吸附罐，在脱水装置内低浓度瓦斯中的水蒸气首先被吸
水剂吸收，之后在甲烷吸附罐内低浓度瓦斯中甲烷被吸附剂选择性吸附，甲烷吸附罐自由
空间内主要剩余氧气和氮气；

[0014] 2)抽出游离气体：当甲烷吸附罐内相对压力由负压上升为零时，关闭控制阀V1、控制阀V2和控制阀V4，打开控制阀V3和控制阀V5，利用煤矿井下低负压抽采系统从顶部将脱
水装置中部分水汽和甲烷吸附罐自由空间内游离气体抽出，进入煤矿井下低负压抽采系统
的瓦斯中甲烷浓度小于5％；

[0015] 3)抽取高浓度甲烷气体：当甲烷吸附罐内相对压力降低至‑1kPa～‑5kPa时，关闭控制阀V1、控制阀V2、控制阀V3和控制阀V5，打开控制阀V4，利用煤矿井下高负压抽采系统
从底部对脱水装置和甲烷吸附罐抽真空至甲烷吸附罐内相对压力降低至‑20kPa～‑40kPa，
甲烷吸附罐内吸附的甲烷和脱水装置内吸收的水汽脱附进入高负压抽采系统，吸水剂和吸
附剂实现再生，进入煤矿井下高负压抽采系统的瓦斯中甲烷浓度大于16％。

[0016] 与现有技术相比，本发明具有如下优势：

[0017] (1)利用煤矿井下现有运行的高低负压抽采系统(《煤矿瓦斯抽采工程设计标准GB 50471‑2018》中要求)，无需另外增加动力设备，即可实现井下抽采瓦斯提浓，降低了变压吸
附提浓的能耗成本；

[0018] (2)由于抽采孔存在大量漏风通道，因此直接对抽采孔抽真空难以达到较大的真空度，而本方法首先对密封严密的脱水装置和甲烷吸附罐抽真空达到较大真空度，再利用
脱水装置和吸附罐真空腔对瓦斯抽采孔实施负压抽采，达到短时间高负压抽采效果，有利
于抽出距离抽采孔较远的瓦斯；

[0019] (3)通过本发明可实现钻孔抽采负压的间歇式和周期性变化，进气吸附阶段抽采孔的孔口负压绝对值由较大值逐步减小为零，抽出游离气体和抽取高浓度甲烷气体阶段抽
采孔的孔口负压为零，可避免长期持续高负压抽采引起的钻孔严重漏风，为瓦斯向钻孔流
动富集提供条件，有利于提高钻孔孔口瓦斯浓度；

[0020] (4)常规连续抽采时抽采孔口瓦斯浓度小于16％，经过该方法处理后进入高负压抽采系统的瓦斯气体中甲烷浓度达到16％以上，进入低负压抽采系统的瓦斯中甲烷浓度小
于5％，因此输送管路内瓦斯气体不具有爆炸危险性，保障瓦斯输送安全；

[0021] (5)通过除尘、气水分离和脱水装置去除粉尘和水分，避免杂质对甲烷吸附提浓的影响，并且不需要加压，提高了变压吸附的安全性；

[0022] (6)本发明提供的瓦斯提浓系统可安装在井下不同抽采区域，灵活可靠，避免井上集中式瓦斯提浓系统高风险、高投资难题，且本方法可应用于煤矿井下顺层钻孔、穿层钻
孔、采空区、高位钻孔和高抽巷等抽采瓦斯的提浓增产。

附图说明

[0023] 图1是本发明的用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统示意图；

[0024] 图中：1、瓦斯抽采孔；2、瓦斯抽采支管；3、除尘装置；4、气水分离器；5、脱水装置；5.1、压力表Ⅰ；6、甲烷吸附罐；6.1、压力表Ⅱ；7、煤矿井下低负压抽采系统；8、煤矿井下高负
压抽采系统。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0026] 如图1所示，本发明提供一种用于煤矿井下的抽采瓦斯变压吸附提浓增产系统，包括瓦斯抽采支管2、除尘装置3、气水分离器4、脱水装置5、甲烷吸附罐6、煤矿井下低负压抽
采系统7和煤矿井下高负压抽采系统8。本实施例中，所述除尘装置3采用喷雾降尘式湿式除
3 3
尘装置，所述脱水装置5容积为0.05～0.3m ，甲烷吸附罐6容积为0.1～1m。此外甲烷吸附罐
6高度和直径比的合理选择对于低浓度瓦斯分离浓缩具有重要影响，本实施例中甲烷吸附
罐6高径比为1～3。

[0027] 煤矿井下一条工作面巷道内布置有大量的瓦斯抽采孔1，所述瓦斯抽采支管2的一3 3
端与煤矿井下瓦斯抽采孔1连接，抽采支管2内瓦斯总流量为0.5m/min～5m/min，瓦斯抽采
支管2的另一端依次与除尘装置3、气水分离器4连接，气水分离器4再经控制阀V1与脱水装
置5底部通气口连接，脱水装置5顶部通气口分两路，一路经控制阀V2与甲烷吸附罐6底部第
一通气口连接，另一路与甲烷吸附罐6顶部通气口并接后经控制阀V5与煤矿井下低负压抽
采系统7连接，脱水装置5底部通气口与甲烷吸附罐6底部第二通气口并接后经控制阀V4与
煤矿井下高负压抽采系统8连接，所述煤矿井下低负压抽采系统7、煤矿井下高负压抽采系
统8分别与地面的水环真空泵配套连接。

[0028] 所述脱水装置5顶部通气口与甲烷吸附罐6顶部通气口之间的并接管路上还安装有控制阀V3，所述脱水装置5顶部安装有压力表Ⅰ5.1，脱水装置5中装填吸水剂，例如活性氧
化铝、硅胶、氯化钙等，所述甲烷吸附罐6顶部安装有压力表Ⅱ6.1，甲烷吸附罐6中装填选择
性吸附甲烷的吸附剂，例如活性炭、分子筛或离子液沸石等。

[0029] 本系统可安装在井下不同抽采区域，实现井下分布式瓦斯抽采提浓增产。

[0030] 基于上述提浓增产系统进行抽采瓦斯变压吸附提浓增产的方法，需循环进行以下步骤：

[0031] 1)进气吸附：打开控制阀V1和控制阀V2，关闭控制阀V3、控制阀V4和控制阀V5，处于负压状态的甲烷吸附罐6、脱水装置5与煤矿井下瓦斯抽采孔1、瓦斯抽采支管2、除尘装置
3、气水分离器4连通，瓦斯抽采孔1和瓦斯抽采支管2内低浓度瓦斯气体在压差作用下首先
依次经除尘装置3和气水分离器4去除粉尘和液态水，低浓度瓦斯气体中甲烷体积浓度小于
16％，之后分别从底部依次进入脱水装置5和甲烷吸附罐6，在脱水装置5内低浓度瓦斯中的
水蒸气首先被吸水剂吸收，之后在甲烷吸附罐6内低浓度瓦斯中甲烷被吸附剂选择性吸附，
甲烷吸附罐6自由空间内主要剩余氧气和氮气；

[0032] 2)抽出游离气体：当甲烷吸附罐6内相对压力由负压上升为零时，关闭控制阀V1、控制阀V2和控制阀V4，打开控制阀V3和控制阀V5，利用煤矿井下低负压抽采系统7从顶部将
脱水装置5中部分水汽和甲烷吸附罐6自由空间内游离气体抽出，进入煤矿井下低负压抽采
系统7的瓦斯中甲烷浓度小于5％；

[0033] 3)抽取高浓度甲烷气体：当甲烷吸附罐6内相对压力降低至‑1kPa～‑5kPa时，关闭控制阀V1、控制阀V2、控制阀V3和控制阀V5，打开控制阀V4，利用煤矿井下高负压抽采系统8
从底部对脱水装置5和甲烷吸附罐6抽真空至甲烷吸附罐6内相对压力降低至‑20kPa～‑
40kPa，甲烷吸附罐6内吸附的甲烷和脱水装置内吸收的水汽脱附进入煤矿井下高负压抽采
系统8，吸水剂和吸附剂实现再生，进入煤矿井下高负压抽采系统8的瓦斯中甲烷浓度大于
16％。

[0034] 以上方法首先对吸附罐和脱水装置抽真空达到较大真空度，再利用吸附罐和脱水装置的真空腔对瓦斯抽采孔实施负压抽采，可实现短时间的高负压抽采，有利于抽出距离
抽采孔较远的瓦斯。另外，本方法使瓦斯抽采孔的孔口负压发生周期性变化，进气吸附阶段
抽采孔的孔口负压绝对值由较大值逐步减小为零，抽出游离气体和抽取高浓度甲烷气体阶
段抽采孔的孔口负压为零，可避免长时间持续高负压抽采引起的抽采孔严重漏风。负压为
零阶段瓦斯向抽采孔流动富集，利用真空腔高负压抽采阶段可将抽采孔周边较大范围内富
集的瓦斯抽入孔内，有利于提高钻孔孔口瓦斯浓度和提高瓦斯抽采量。

[0035] 常规连续抽采时抽采孔口瓦斯浓度小于16％，经过本方法处理后进入高负压抽采系统的瓦斯气体中甲烷浓度达到16％以上，进入低负压抽采系统的瓦斯中甲烷浓度小于
5％，因此管路内瓦斯气体不具有爆炸危险性。

[0036] 本方法可广泛适用于煤矿井下顺层钻孔、穿层钻孔、采空区、高位钻孔和高抽巷等抽采瓦斯的提浓增产。