專利名稱：一種瓦斯災害的化學防治方法及其專用設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種煤礦生產(chǎn)開采中瓦斯災害治理方法及其專用設備。
背景技術：
眾所周知，在煤炭開采過程中的瓦斯危害一直是人類迄今未能處理好的問題，百余年來，因其爆炸事故造成的傷亡的總人數(shù)不亞于一場世界級的大戰(zhàn)。近年來，國內(nèi)外煤炭業(yè)重大傷亡事故屢屢發(fā)生。目前，國內(nèi)、外煤炭工業(yè)所采取的瓦斯災害治理方法全部是綜合物理法，具體體現(xiàn)在采煤工藝上可作以下描述第一步抽氣先行。在開采之前，在地面與井下向待采煤層中布置抽氣管網(wǎng)，然后將煤層中的瓦斯抽出，用于發(fā)電或民用。第二步為向待采煤層注水。一般來說，引起爆炸事故的禍首是瓦斯，但最大幫兇是煤塵。注水可增加煤的濕度，既防止了煤塵危害又改善了工人的作業(yè)環(huán)境。第三稀釋。通過強化通風確保瓦斯按足夠倍率加以稀釋，并通過回風巷最終排出井下；第四“熱點”隔離。由于氣體可能到處亂跑并彌漫到所有井下巷道，造成危害。只好被動地將所有可能引起爆炸的“熱點”空間與外環(huán)境封堵隔離，全部電器設備一律要求防爆類型。按防爆型設計，其外殼都必須用可承受8公斤/平方厘米的厚重的鋼板制成，設備的所有接合面也必須按嚴格的標準規(guī)程設計及加工為隔爆接合面。對于超級瓦斯煤礦連工人用的錘頭也須銅質的，以防產(chǎn)生打擊火花。強化通風以及防爆設計只是增加了生產(chǎn)成本，工人們嚴格按照作業(yè)規(guī)程、以犧牲工作效率為代價的小心謹慎工作，即使這樣仍不能徹底防范它的危害，一次次重大事故的發(fā)生又增加它的社會成本，以致社會上出現(xiàn)“血煤”說法，給煤炭工業(yè)蒙上血光之色，瓦斯成了煤炭開采業(yè)名副其實的惡性腫瘤。現(xiàn)有瓦斯治理方法的重大缺陷就在于太被動。一邊讓它四處逃竄作惡，一邊處處圍堵，反而會防不勝防。經(jīng)過抽氣之后，如果將每噸煤炭中剩余瓦斯體積千倍的縮小，變成液體，可能僅僅不過數(shù)十滴而已，之所以難治理，就在于它是看不見、摸不著且難以束縛的氣體，才使人類這樣不得安寧。
現(xiàn)代醫(yī)學對惡性腫瘤的醫(yī)療，既有主動地“以毒攻毒”，又有誘變癌細胞，使其改惡從良之策。在瓦斯治理問題上完全可以借鑒。如果在嚴格規(guī)范及操作可控的范圍內(nèi)，主動的運用遠比瓦斯還要活潑的“噬氫”類毒氣注入煤層，利用瓦斯所含豐富H元素的薄弱點，將躲藏在煤層中的瓦斯強制性地驅趕出來排到地面，對極少數(shù)剩余頑固分子實在趕不出來的，可就地捕捉，二毒相互化合為液體，都無法四處逃竄，逼瓦斯“從良”，危害就能夠徹底解除。對于個別化合氣體成分，如果雖不能將其轉化為液體，但只要它的沸點提高，水溶性增大，使之能夠完全溶解在煤的含水里，既使這水不怎么好，由于它分散在碎煤表面，并隨即被煤炭運輸?shù)降孛妫瑒t瓦斯危害基本上就化而了之。為防止注入的毒氣從煤層中逸出傷人，在化學治理時可以采取依靠負壓在煤層內(nèi)定向導引，還可以結合傳統(tǒng)治理的一些措施，如在煤層外嚴格監(jiān)測、加強通風、局部巷道臨時性封閉等，均可以防止“毒藥”傷人?；瘜W防治法雖說可單獨使用。但新方法如果與原綜合物理防治體系結合，既可降低原方法的治理成本，也可以節(jié)省化學治理的成本，其中真空泵、儲氣罐與部分管網(wǎng)均可不用再添置，也減少了煤層鉆孔作業(yè)，使治理之效果倍增，這樣，瓦斯就不可能再“驚天動地”地去危害人類了。以上便是本發(fā)明的基本思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過化學處理的方法進行瓦斯災害治理，并提供此方法的相關專用設備。本化學防治法的特征在于對煤層抽取瓦斯之后，通過專用設備及管網(wǎng)向仍存有瓦斯的煤層中注入高于大氣壓的氯氣，通過氯氣與瓦斯的混合氣體化學氯代反應，來改變瓦斯的性質以降低或消除其可爆性。在本發(fā)明化學反應系統(tǒng)中，是將待處理的煤層既看作“虛擬瓦斯儲存罐”同時又是系統(tǒng)中的“虛擬管道”，為了使氯氣能夠驅逐、捕捉煤層中的瓦斯又不致于泄出煤層，可先在煤層中建立瓦斯抽氣，以形成氯氣定向驅趕瓦斯的氣流通道。在氯氣向煤層的注入點與瓦斯抽氣點不是同一鉆孔的情況下，可通過設備及管閥系統(tǒng)形成的閉環(huán)回路來反反復復地對煤層中的瓦斯進行氯化反應處理。還可通過管閥系統(tǒng)，定時互換注氣點與抽氣點，使煤層內(nèi)壓力及溫度均發(fā)生正、負交替變化，促進煤層中剩余瓦斯加快釋放，以便縮短化學治理時間。在結束化學處理之前，應再用抽氣機將煤層中的各種化合氣體盡量抽出，以減少遺害，抽出的氣體通過分離、濃縮可提取出化工產(chǎn)品。專用設備則主要包括抽氣裝置、氯氣發(fā)生裝置、氣體壓縮機裝置、儲氣罐及監(jiān)測系統(tǒng)、管網(wǎng)系統(tǒng)，其次還包括化學反應裝置、管道功能互換裝置、廢氣化學回收系統(tǒng)等所構成。其中氯氣發(fā)生裝置可以用氯化鈉產(chǎn)生氯氣或直接將液氯轉化為氯氣；抽氣裝置可由化學氣體真空泵承擔；化學氣體壓縮機裝置則可以完成氯氣的壓力調(diào)節(jié)與注入管網(wǎng)；監(jiān)測系統(tǒng)則為各種裝置的調(diào)控提供各種數(shù)據(jù)采集。僅注入氯氣的化學反應是微乎其微的。可增設化學反應裝置，該裝置除了普通化學催化反應外，可采用各種光照、加熱、超聲波、微波同位素輻射中的一種或多種組合催化方式以加快反應。反應裝置的溫度較高，為提高效能，一些設備與管網(wǎng)需采用隔熱及保溫處理。設備制造除了地面使用的固定式以外，還可以制造成移動式或撬裝式，以方便在井下巷道中運輸及使用。凡在井下應用的上述移動裝備，其設計、生產(chǎn)制造都必須嚴格按隔爆要求并符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。對于小片局部煤層，若在巷道中沿煤層走向橫向鉆孔，也可以采用同心內(nèi)外雙通道管道形式，在一個鉆孔內(nèi)設置注氣與抽氣(參見

圖1)，這樣，可以減少對煤層的鉆孔作業(yè)，同時也可以對部分處理工藝作簡化處理?；瘜W回收裝置可以將化學處理后的“廢氣”分離、濃縮、等提取工藝轉化為化工產(chǎn)品(如鹽酸、二氯甲烷等)。
對于經(jīng)濟技術指標，可按快速、有效、低成本、和安全最大化、遺毒最小化來考量。根據(jù)瓦斯氯化原理，反應時可產(chǎn)生(一、二、三、四)氯甲烷及氯化氫，基于上述考量，不希望出現(xiàn)一、三、四氯甲烷。
為了對本發(fā)明的社會實踐性負責，下面用一定篇幅寫一些說明書題外話。癌癥的“毒療”是為了保命，藥物的毒性，放射化療的毒性，均很傷身體，但二害相比取其輕。對于甲烷氯代反應產(chǎn)生的化合物，在常溫下，一氯甲烷仍為氣體，三、四氯甲烷雖為液體但毒性較大，只有二氯甲烷不僅爆炸極限與甲烷(5％～16％)相比，增寬為(14％～25％)，低限增大近二倍，而且為液體，常溫下，不能四處逃竄，其毒性也較弱，工業(yè)上常作為溶劑使用。故氯代反應以100％轉化為二氯甲烷為理想情況，盡量不要出現(xiàn)一氯甲烷與四氯甲烷。氯代反應中氯化氫是少不了的，但它的水溶度很大，易被煤的運輸帶走。在反應過程中，一旦在抽氣管網(wǎng)中檢測到三氯甲烷成分，就表明瓦斯治理的目的已基本達到了，過分地延長處理時間只會造成時間與金錢無端的浪費。
采用本化學處理法，只要對待采煤層進行足夠細的分片處理，基本上應可徹底制止爆炸性危害，但對于化學法治理后最后遺留在煤體中的微量氯烷類化合物之害，確有幾分擔憂。作為原創(chuàng)性發(fā)明，也不可能找一個敢吃第一只“螃蟹”的煤礦企業(yè)拿眾多生命來實驗。在沒經(jīng)過實驗，沒有化學法治理后煤層中究竟會遺留多少有害物質的實驗數(shù)據(jù)的情況下，只能根據(jù)現(xiàn)有的資料對安全性作一些分析評估與推測。
根據(jù)表4，發(fā)明人認為，與原處理方法中CH4、CO被吸入體內(nèi)有副作用一樣，新方法處理后遺留物揮發(fā)后吸入體內(nèi)同樣有害。只是由于一氯甲烷、二氯甲烷及氯化氫沸點、水溶性等性能的變化，它雖具有生理毒性，但已經(jīng)有所下降，作為液體大部分吸附在煤體表面、隨煤炭運輸帶走，短暫時間所揮發(fā)出來的極其微量且又被空氣稀釋，呼吸后其生理副作用可以控制在一定的范圍內(nèi)。會不會煤也發(fā)生氯化反應呢？這種擔心似乎是多余的首先化學反應器中溫度雖高，但作為虛擬管道的煤層中的空氣隙溫度并不高，只需高于二氯甲烷的沸點(39。75攝氏度)即可，主要目的是用氯氣的噬氫特性將瓦斯驅逐，使其再循環(huán)管網(wǎng)中流動起來，并不期望在虛擬管道中就能生成出多少化合物。另外在反應時間上設有限制，一旦在抽氣中發(fā)現(xiàn)三氯甲烷即可終止，此時煤層氣隙中的溫度也僅僅60多攝氏度。這種控制下的反應只能是煤層中甲烷被反應，輪不到到煤，不可能出現(xiàn)數(shù)百度高溫才可能發(fā)生的煤的氯化加成反應，可參考(郭崇濤，煤化學化學工業(yè)出版社，1992)。
附圖、表說明圖1為一種利用了原綜合物理治理法部分設施(圖中以點劃線隔開)的化學治理系統(tǒng)，該系統(tǒng)設置了廢氣回收裝置，還利用了原有的抽氣機(真空泵)及部分管網(wǎng)，雖然注氣與抽氣為雙孔布置，但利用原有一個孔，少鉆了一個煤層鉆孔。
圖2為一種化學反應裝置內(nèi)部組合催化方式示意圖。
圖3為同心雙通道管的示意圖。在功能上，可以將內(nèi)管作為注氣，外管作為抽氣使用，二管端口部位的管壁上可鉆一些小孔。
圖4為一些氣體成分的性能參數(shù)及其它。
具體實施例方式
下面結合圖1來敘述具體實施過程。將閥門4關閉，原瓦斯治理的抽氣系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，即煤層中瓦斯自B抽氣點經(jīng)閥門3、2(此時2與3處于連通狀態(tài))、瓦斯真空泵1、及閥門1進行抽氣。當真空度降至一定時，新法可考慮投入使用。
步驟一，首先將除瓦斯真空泵以外的所有機器設備處于待機狀態(tài)，作好開機準備。步驟二，關閉閥門4，8，9，13。打開閥門1，2，3，5，6，7，10，11，12并開啟氯氣發(fā)生器2及啟動壓縮機3。此時，氯氣經(jīng)混合儲氣罐7、壓縮機及管道互換裝置5注入煤層點A(或B)。步驟三，當設置在B(或A)點檢測到氯氣或氯化物，則可減低注氣流量，關閉閥門1，10，打開閥門4，8，9，啟動化學反應裝置4。此時，氯氣、甲烷等的混合氣則由混合儲氣罐7經(jīng)壓縮機3、化學反應裝置4及管道互換裝置5注入煤層A點。步驟四，可定時地啟動管道互換裝置5的電控裝置，實現(xiàn)A、B點的功能互換。步驟五，當點B(或A)檢測到微量三氯甲烷成分時，則氯氣發(fā)生器2停止工作并關閉閥5，但步驟四仍執(zhí)行。步驟六，經(jīng)過一段時間之后，壓縮機3及反應裝置4停止工作，關閉閥門6，7，8，9。步驟七，打開閥門13，啟動廢氣化學回收裝置10，將抽排出的各種氣體進行化工處理。
上述示意圖中1瓦斯真空泵，2氯氣發(fā)生器，3空氣壓縮機，4化學反應裝置，5管網(wǎng)互換裝置，6瓦斯儲罐，7混合氣儲罐，8檢測傳感器，9管網(wǎng)，10廢氣化學回收裝置，11化學催化反應器，12光照催化，13微波催化，14超聲催化，15同心雙通道管道。各類閥門均在括號中作排序。
權利要求
1.一種煤礦瓦斯災害治理的方法，其特征在于對煤層抽取瓦斯之后，通過專用設備及管網(wǎng)向仍存有瓦斯的煤層中注入高于大氣壓的氯氣，通過氯氣與瓦斯混合后的氣體化學反應，來改變瓦斯的性質以降低或消除其可爆性。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于上述抽氣點與注氣點之間若有距離時，可先在煤層中建立瓦斯抽氣，以形成氯氣定向驅趕瓦斯的氣流通道。若將該距離視為一段通道的話，則可通過設備及管閥系統(tǒng)形成閉環(huán)回路，對瓦斯進行氯化反應處理。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于可通過管閥系統(tǒng)，定時互換注氣點與抽氣點。
4.根據(jù)權利要求1、所述的方法，其特征在于還設置有將廢氣轉化為化工產(chǎn)品的廢氣回收系統(tǒng)。
5.根據(jù)權利要求1、3、4所述的方法，其特征在于專用設備則主要包括抽氣裝置、氯氣發(fā)生裝置、氣體壓縮機裝置、儲氣罐及監(jiān)測系統(tǒng)、管網(wǎng)系統(tǒng)、其次包括化學反應裝置、管道功能互換裝置、廢氣化學回收系統(tǒng)等所構成。其中氯氣發(fā)生裝置可以直接用氯化鈉產(chǎn)生氯氣，也可以是將液氯轉化為氯氣。
6.根據(jù)權利要求5所述的專用設備，其特征在于其化學反應裝置中采用催化劑及各種光照、加熱、超聲波、微波、同位素輻射的一種或多種組合的化學催化方式以加快反應。
7.根據(jù)權利要求5所述的專用設備，其特征在于部分設備與管網(wǎng)采用了隔熱及保溫處理。
8.根據(jù)權利要求5所述的專用設備，其特征在于設備除了固定式以外，還可以制造成移動式或撬裝式。
9.根據(jù)權利要求5所述的專用設備，其特征在于可采用內(nèi)外管同心的雙通道管，使注氣與抽氣設置在同一鉆孔內(nèi)。
10.根據(jù)權利要求5所述的專用設備，其特征在于其氯氣發(fā)生裝置、氣體壓縮裝置、化學反應裝置、監(jiān)測系統(tǒng)、廢氣化學回收裝置等均為防爆型且符合《煤礦安全規(guī)程》的要求。
全文摘要
一種防治瓦斯爆炸危害的化學治理方法及專用設備，在瓦斯抽排之后，在嚴格控制的條件下，通過專用設備向煤層注入氯氣，利用氯氣噬氫特性對瓦斯的氯代反應，使瓦斯性質改變，逼其“棄惡從良”；可將抽氣、注氣鉆孔之間的煤層視為虛擬瓦斯儲罐與虛擬管道，實行閉環(huán)的化學反應，還可將注氣與抽氣管定時功能互換，以加快對煤層中瓦斯的大清除。對反應化合物可進行廢氣回收，使之變?yōu)榛ぎa(chǎn)品。專用設備中的化學反應裝置采用多種組合化學催化方式以加速反應。除了地面大型固定設備以外，還可制造防爆型移動式設備以適應各種用戶需要。
文檔編號E21F5/08GK101074607SQ200710105589
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月15日 優(yōu)先權日2007年5月15日
發(fā)明者顏曙光 申請人:顏曙光