一种采用新型催化剂转化煤层瓦斯的方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采领域，具体涉及一种采用新型催化剂转化煤层瓦斯的方法。

背景技术

瓦斯又称“煤层气”是煤矿安全生产的主要灾害之一，近些年随着我国煤矿的开采强度和开采深度不断增大，受高地应力、高瓦斯压力及高瓦斯含量的影响，煤矿瓦斯灾害逐渐成为矿井灾害的主要内容，同时，瓦斯又作为一种能源物质，由于收集难度大，储存危险性高等因素影响，使得瓦斯的利用率极低，造成能源物质的大量浪费。瓦斯抽采作为防范瓦斯事故的重要手段，不仅可以大幅降低煤层瓦斯含量，还可以将瓦斯这种资源收集起来加以利用。

目前我国常用的瓦斯抽采手段有：水压致裂，深孔预裂爆破和瓦斯抽放钻孔，其中，水压致裂由于向煤体注入大量水导致工作面回采时湿度太大，影响生产效率；深孔预裂爆破需要使用炸药，容易产生明火导致瓦斯灾害；瓦斯抽放孔通过煤体内外压差抽采瓦斯，对游离状态的瓦斯抽采效率较高，而对于附着于煤体的瓦斯，抽采效果则大幅降低。

综上所述，现有瓦斯抽采办法存在不能有效解决安全高效抽采瓦斯，同时对后续采煤环境造成影响等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用新型催化剂转化煤层瓦斯的方法，不仅可以安全高效抽采煤层瓦斯，降低瓦斯的危险性，而且可以改善工作面生产条件，为后续开采提供良好的作业环境。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种采用新型催化剂转化煤层瓦斯的方法，包括以下步骤：

(1)在待开采煤层布置一系列钻场，通过钻场向煤层布置顺层钻孔；

(2)通过催化剂注入系统将含有催化剂的溶液沿钻孔注入待开采煤层，在催化作用下将煤层内瓦斯直接氧化为甲醇并溶于催化剂溶液中，所述催化剂为含有2-甲基菲咯啉配体的铱催化剂；

(3)通过抽液设备将含有催化剂的甲醇溶液从煤层中抽取出来，再通过井下分离系统将其中的催化剂与甲醇溶液分离开，分离后的催化剂溶液再次注入煤体，实现催化剂的循环利用，甲醇溶液提纯后储存到甲醇储存罐中。

进一步地，步骤(1)在待开采工作面掘进巷中布置一系列钻场，操作步骤为：①在待开采工作面一侧布置一系列钻场，在钻场内布置一系列注液孔，用于将含有催化剂的溶液注入煤体，②催化剂溶液注射完成后，通过高压泵将新鲜空气注入煤体，为瓦斯转化为甲醇提供物质条件；③在待开采工作面的另一侧布置一系列钻场，在钻场内布置一系列抽液孔，用于将与煤体瓦斯反应完成的含有甲醇的催化剂溶液抽取出来。

进一步地，所述催化剂注入系统包括原料制备设备、混料设备、泵送设备和注液设备，所有设备均位于轨道大巷硐室内。其中所述原料制备设备包括催化剂制取设备和给水设备，所述混料设备包括搅拌池和搅拌机，所述泵送设备包括高压泵和泵送控制器，催化剂制取设备和给水设备的输出端分别连通搅拌池的进料端，搅拌池连接搅拌机，搅拌池的出料口通过管道连接高压泵的入口，高压泵的出口通过管道连接注液设备，泵送控制器设置在高压泵与注液设备之间的管道上。

优选的，所述井下分离系统包括分离设备和提纯设备，分离设备的入口连接抽液设备，分离设备的液相出口连接提纯设备的入口，提纯设备的出口连接甲烷存储罐。

优选的，所述提纯设备为精馏提纯设备。

本发明所述的含有2-甲基菲咯啉配体的铱催化剂，其工作原理为依靠铱断开甲基中的三个碳氢键中的一个，即，剪掉一个甲基中的氢原子，然后插入一个硼化合物，而这种硼化合物可以轻易被其他更复杂化学基团取代，这种新的催化剂易于操作，它所产生的催化反应几乎能让将各种化学物质附着在任何类型的碳氢键上。该催化剂能够将甲烷直接催化氧化为甲醇。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明将含有催化剂的溶液通过高压泵注入煤体，一方面增大煤体裂隙，使催化剂溶液与待开采工作面瓦斯充分反应；另一方面催化剂溶液通过裂隙与煤体内的瓦斯充分反应，提高瓦斯抽采效率。

2.本发明将气态的瓦斯转化为液态的甲醇溶液，抽采安全性显著提高，注入的催化剂溶液不仅可以和游离态的甲烷分子反应，而且还可以和附着在煤体表面的甲烷分子反应，使得瓦斯抽采效率显著提高；含催化剂的溶液注入煤体，提高了煤体的湿度，降低了煤体的火灾危险性，同时水分吸热，降低了瓦斯灾害的危险性。

附图说明

图1为催化剂抽放系统平面布置图；

图2为待开采工作面钻场布置剖面图；

图中：1-轨道上山、2-运输上山、3-工作面轨道巷、4-胶带运输大巷、5-轨道大巷、6-甲醇储存罐、7-提纯设备、8-分离设备、9-搅拌池、10-搅拌机、11-高压泵、12-泵送控制器、13-给水设备、14-催化剂制取设备、15-注液设备、16-钻机、17-封孔材料、18-抽液设备、19-空气加压泵、20-硐室、21-联络巷、22-工作面运输巷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种采用新型催化剂转化煤层瓦斯的方法，包括：(1)在待开采煤层布置一系列钻场，通过钻场向煤层布置顺层钻孔；(2)通过催化剂溶液注入系统将含有催化剂的溶液沿钻孔注入待开采煤层，将煤层内瓦斯催化为甲醇并溶于催化剂溶液中；(3)通过抽液设备将含有甲醇的催化剂溶液从煤层中抽取出来，通过井下分离系统将其中的甲醇与催化剂溶液分离开，分离后的催化剂溶液再次注入煤体，实现催化剂溶液的循环利用，甲醇溶液提纯后储存到甲醇储存罐中。

具体地，在瓦斯抽采之前先在轨道大巷硐室内布置催化剂抽放系统，如图1-图2所示，其包括催化剂注入系统、抽液设备、井下分离系统和甲醇存储罐6。所述催化剂注入系统包括原料制备设备、混料设备、泵送设备和注液设备15，其中所述原料制备设备包括催化剂制取设备14和给水设备13，所述混料设备包括搅拌池9和搅拌机10，用于混合水和催化剂，所述泵送设备包括高压泵11和泵送控制器12，用于泵送催化剂溶液。所述井下分离系统包括分离设备8和提纯设备7，分离设备8用于将催化剂和反应后的甲醇溶液分离，提纯设备7用于甲醇溶液提纯。

催化剂制取设备14和给水设备13的输出端分别连通搅拌池9的进料端，搅拌池9连接搅拌机10，搅拌池的出料口通过管道连接高压泵11的入口，高压泵11的出口通过管道连接注液设备15，注液设备15通过管道连接注液口，泵送控制器12设置在高压泵11与注液设备15之间的管道上，所述抽液设备18的入口通过管道连接抽液口，抽液设备18的出口连接分离设备8，分离设备8的液相出口连接提纯设备7的入口，提纯设备7的出口连接甲烷储存罐6。

催化剂溶液注入系统路线为：硐室→联络巷→胶带运输大巷→运输上山→工作面运输巷；催化剂溶液抽离系统路线为：工作面轨道巷→轨道上山→轨道大巷→硐室，以此形成一个闭合的循环系统。

具体步骤：

(1)催化剂制取设备14与给水设备13分别将催化剂与水注入搅拌池9，打开搅拌机10开关，使二者充分混合，制得含有催化剂的溶液，打开高压泵11与泵送控制器12，将含有催化剂的溶液通过硐室20、联络巷21、胶带运输大巷4、运输上山2、工作面运输巷22注入待开采煤体；

(2)预先在待开采工作面一侧布置一系列钻场，通过钻机16在钻场布置顺层钻孔Ⅰ即注液孔，将含有催化剂的溶液通过注液设备15注入待开采工作面，完成注液后，通过空气加压泵19将新鲜空气注入煤体，完成以后用封孔材料17封闭注液孔，防止含有催化剂的溶液及空气外流；

(3)反应一段时间后，在待开采工作面另一侧布置钻场和顺层钻孔Ⅱ即抽液口，抽液设备18通过钻孔将含有催化剂的甲醇溶液抽出并依次经过工作面轨道巷3、轨道上山1、轨道大巷5、硐室20送入分离设备8，通过分离设备8将甲醇溶液和催化剂分离开，催化剂重新注入搅拌池9，分离设备8分离出的甲醇进一步注入提纯设备7，提高甲醇浓度，并将高浓度的甲醇储存到甲醇储存罐6中。

从甲醇水溶液中回收甲醇一般采用精馏提纯方式，提纯设备7优选精馏提纯设备。