一种地下煤炭气化排气管道温升保护结构技术领域
本发明涉及矿井地下煤炭气化和工程钻探相关技术领域，具体的说，是涉及一种
地下煤炭气化排气管道温升保护结构。
背景技术
地下煤炭气化技术是将采煤工作面布置成封闭的气化工作面(相当于气化炉)，通
过点火燃烧地下煤炭，产生主要含一氧化碳的可燃煤气，供给工业和居民使用。地下煤炭气
化技术可充分利用煤炭资源，减少环境污染。不仅提高安全质量，还优于地面气化设备所产
生煤气的成本。
地下煤炭燃烧所需的氧气和产生的煤气都要通过连接地下和地面之间的管道输
送。这些管道都是通过钻孔安装的，即下入钻孔内的钢质套管。
煤气排气管在使用中，高温煤气会使排气管道温度升高，促使其膨胀延展，排气管
道的热胀冷缩对其质量产生严重影响，会使焊缝破裂，一旦造成煤气泄漏，就会出现安全事
故。
因此，如何设计一种能够对现有进行燃气排气管道进行降温或温度控制的装置，
使输气管道的焊缝保持良好的密封性，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种地下煤炭气化排气管道温
升保护结构。本发明通过设计全新的结构，能够对现有埋地输气管道进行降温，保证管道整
体及管道焊缝处不会因高温造成损坏。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种地下煤炭气化排气管道温升保护结构，包括：
置于地下的排气管，该排气管的上端凸出于地面；
所述排气管的外侧，与外套管密闭连接，外套管与排气管之间形成用于容纳冷却
水的冷却室；
所述排气管的下端位于煤层下的岩石内，且为封闭结构；
排气管的管体部分具有集气口；
位于地下的煤气经集气口进入管体内部，然后从排气管的上端流出，煤气在流经
集气管的过程中，传递至管体及焊缝的热量被冷却水冷却。
优选的，所述外套管与排气管形成完全密闭的冷却室，以防止水沸腾飞溅。
优选的，所述岩石内设有伸缩腔，伸缩腔内填充有密封物，密封物将排气管的下端
密封。
优选的，所述密封物包括细沙层，细沙层上部具有黏土层。
优选的，所述排气管与地下岩体之间具有密封体。
优选的，所述外套管底部通过止水垫与排气管密闭连接。
优选的，所述冷却室内具有温度传感器，温度传感器将信号传递位于冷却室外部
的温度显示仪进行显示。
优选的，所述冷却室分别与给水管和排水管连通，冷却水从给水管进水，热水从排
水管排出。
优选的，所述给水管和排水管通过水泵形成水循环系统。
优选的，所述排气管为多根钢管焊接而成，至少一个焊缝位于所述冷却室当中。
在提供上述结构方案的同时，本发明还提供了上述温升保护结构的施工工艺，主
要包括如下步骤：
A、进行钻孔至设计深度，然后安装外套管，密封外套管与岩石之间空隙；
B、在外套管内继续钻孔，在煤层下岩石内形成伸缩腔，在伸缩腔内填充密封物；
C、安装排气管，令排气管的下端被密封物密封，同时将外套管与排气管的结合处
以及排气管与岩石之间空隙密封；
D、在排气管上开设集气口。
上述方法中，优选的是，在完成步骤D后，在冷却室内安装给水管、排水管及温度传
感器。
上述方法中，优选的是，排水管安装完成后，清理内部的残留物。
本发明的有益效果是：
通过对排水管上部的水循环冷却，实现了对排水管上部的温度控制，下端设置伸
缩腔，能实现排水管下部的自由伸缩，防止了排水管温度升高后管体本身应力的分布不均
而引发的排水管的变形，尤其是在焊缝处出现裂缝，造成煤气的泄露而引发安全事故。
附图说明
图1钻孔后安装外套管后结构示意图；
图2施工钻孔后安装排气管、伸缩腔及其内充填密封材料、封固排气管示意图；
图3在对应煤层处的排气管上割集气口示意图；
图4排气管道温升保护结构安装完成后的结构示意图；
其中：1、给水管，2、温度显示仪，3、密封盖，4、外套管，5、温度传感器，6、围岩，7、密
封体，8、排气管，9、密封物，10、集气口，11、煤气，12、燃烧的煤层，13、止水垫，14、冷却室，
15、地面，16、排水管，17、伸缩腔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明。
实施例：一种地下煤炭气化排气管道温升保护结构，其结构如图1-4所示，包括：
置于地下的排气管8，该排气管8的上端凸出于地面，与集气装置或用户侧连通。
排气管8的外侧，具有外套管4；二者的顶部，通过密封盖3密闭连接，底部通过止水
垫13密闭连接。该结构使得外套管4与排气管8之间形成用于容纳冷却水的冷却室14。
所述排气管8的下端位于煤层下的岩石内；排气管8的管体部分位于燃烧的煤层12
中。煤层底部的岩石内，具有凹陷的伸缩腔17，伸缩腔17内填充有密封物9，密封物9包括细
沙层及位于细沙层上面的黏土层。
因为排气管8位于地下，因此排气管8的外侧为围岩6。所述排气管8与地下围岩6之
间具有密封体7。
在冷却室14的内部具有温度传感器5，温度传感器5将信号传递位于冷却室14外部
的温度显示仪2进行显示。
所述密封盖3上安装有给水管1和排水管16，冷却水从给水管1进水，热水从排水管
16排出。给水管1和排水管16在具有水泵的情况下即可形成水循环系统。
所述排气管8为多根钢管焊接而成，至少一个焊缝位于所述冷却室14当中。
在提供上述结构方案的同时，本发明还提供了一种形成上述结构的施工方法，主
要步骤为：
1、施工钻孔，安装外套管4。先施工大口径钻孔，到设计深度后，下入外套管4，对外
套管4与围岩6之间的间隙进行封固，候凝。外套管4封固浆液采用42.5R普通硅酸盐水泥浆,
水泥浆水灰比为0.8：1。
2、施工钻孔形成伸缩腔17。候凝结束后，在外套管4内施工钻孔，钻孔深度超过煤
层底板5m。在煤层底板以下形成深度5m的伸缩腔17。然后在伸缩腔17内充填细沙，充填厚度
为2m，在细沙上面再充填粘土1m。充填的细沙和粘土作为排气管8下端的密封材料。
3、安装排气管8。在钻孔内下入排气管8，排气管8下端插入伸缩腔内17的黏土层
上。对排气管8外与围岩6之间的间隙进行注浆封固，形成排气管外的密封体7。
该密封体7即为冷却室底部的止水垫13和排气管8与岩石之间的密封体，防止冷却
室14里面的水沿管壁渗漏。要求止水垫高度为3m。封固后候凝。
4、在排水管内重新下钻头，扫除排水管内因为封固排水管残留的水泥等杂物。
5、在煤层工作面内找到排气管8后，在排气管8相应位置开口，形成集气口10。
6、外套管4、排气管8和止水垫13共同形成冷却室。在冷却室内下入给水管1，给水
管1下端口距离止水垫上表面不超过2m。
7、在冷却室14内安装温度传感器5，温度传感器5和温度显示仪2连接。
8、安装排水管16，安装密封盖3。
本发明中：
1、在外套管4内施工钻孔时，要保证钻孔轴心和外套管4的轴心重合。也就是保证
施工的钻孔在外套管4的中心线上。
2、外套管4与岩石之间的间隙的封固浆液采用42.5R普通硅酸盐水泥浆,水泥浆水
灰比为0.8：1。排水管16外与围岩6之间的间隙的封固浆液为水泥-粘土浆液。水泥采用425#
复合水泥，水泥浆水灰比0.8:1，配浆时，按照水泥重量比的20％添加粘土，并充分搅拌，水
泥中加入一定量的粘土可以改善水泥浆浆液的粘度、可塑性和微膨胀性。该浆液固结后比
普通硅酸盐水泥浆液固结后的收缩率明显减少，渗透性明显降低。
3、采用伸缩腔17的设计以及伸缩腔内充填细沙和粘土，主要目的是当高温煤气通
过集气口10经排气管内向上运行时，其高温会使排气管升温，排气管8出现热涨现象。排气
管8下端设计为自由端，能满足排气管8下端部会向下伸长，排气管8降温后又会收缩。伸缩
腔17就是提供排气管8下端伸缩的空间。伸缩腔内充填细沙和粘土就是保持伸缩腔内排气
管伸缩后仍能保持密封。
4、冷却室14的作用是给上部处于冷却室位置的排气管升温后降温。工作原理是通
过给水管向冷却室14内注入冷水，冷水充满冷却室后沿排水管排出，冷却室14内循环的水
能携带排水管升温后产生的热量，保持该部分排水管的温度在一个合理的范围内。当温度
探测仪探测到冷却室内水温达到一定限度后，开动给水泵通过给水管向冷却室内给冷水，
冷水就会通过给水管进入冷却室底部，上部热水通过排水管排出，冷热水的循环形成一个
交换作用，保持排水管温度的相对恒定。当水循环较慢难以快速降温时，可以使用吸水泵通
过排水管吸水，给水泵通过给水管给水，以增加冷却室内热交换的速度。
5、密封盖的作用是防止冷却室内一旦形成高温水，高温水溅出伤人。
6、对排水管16上部冷却，下端留有伸缩腔的目的是防止排水管温度升高后管体本
身应力分布不均，会引起排水管的变形，尤其是在焊缝处出现裂缝，造成煤气的泄露而引发
安全事故。
应用例：原曹庄煤矿在某个采煤工作面内实施了地下煤炭气化工程，设计施工了2
对进排气钻孔(2进气孔为输氧孔，向煤层工作面内输送空气中的氧气；2个排气孔，套管作
为排气管，排出煤炭燃烧后产生的煤气)，排气孔中的煤气温度对排气管影响较大，排气管
的热胀冷缩会产生管体变形甚至出现在焊缝连接处的开裂现象，造成煤气的泄漏，不仅破
坏周围环境，还会引发安全事故。
为较好解决排气管在升温后变形及开裂问题，发明并实施了地下煤炭气化排气管
道温升保护装置，取得较好效果。
结合实施例对本发明进行进一步说明。
1、施工钻孔，安装外套管4。先施工直径为500mm的钻孔，到设计深度后，下入规格
为425×4.5mm的外套管4，对外套管4与围岩6之间的间隙进行封固，候凝。外套管4封固浆液
采用42.5R普通硅酸盐水泥浆,水泥浆水灰比为0.8：1。
2、施工钻孔形成伸缩腔17。候凝结束后，在外套管4内施工钻孔，钻孔深度超过煤
层底板5m。在煤层底板以下形成深度5m的伸缩腔17。然后在伸缩腔17内充填细沙，充填厚度
为2m，在细沙上面再充填粘土1m。充填的密封物9(即细沙层和粘土层)作为排气管8下端的
密封材料。在外套管4内施工钻孔时，要保证钻孔轴心和外套管4的轴心重合。也就是保证施
工的钻孔在外套管4的中心线上。
3、安装排气管8。在钻孔内下入排气管8，排气管8下端座在伸缩腔内的密封沙和粘
土上。对排气管8外与围岩6之间的间隙进行注浆封固，形成排气管8外的封固体。该封固体
即为冷却室14底部的止水垫13和排气管8与围岩6之间的密封体7，防止冷却室14里面的水
沿排气管8壁渗漏。要求止水垫13高度为3m。封固后候凝。排水管16外与围岩6之间的间隙的
封固浆液为水泥-粘土浆液。水泥采用425#复合水泥，水泥浆水灰比0.8:1，配浆时，按照水
泥重量比的20％添加粘土，并充分搅拌，水泥中加入一定量的粘土可以改善水泥浆浆液的
粘度、可塑性和微膨胀性。该浆液固结后比普通硅酸盐水泥浆液固结后的收缩率明显减少，
渗透性明显降低。
4、在排水管16内重新下钻头，扫除排水管16内因为封固排水管残留的水泥等杂
物。
5、在煤层工作面内找到排气管8后，在排气管相应位置开口，形成集气口10。
6、排水管16、外套管4和止水垫13共同形成冷却室14。在冷却室14内下入给水管1，
给水管1下端口距离止水垫13上表面不超过2m。
7、在冷却室14内安装温度探测仪5，温度探测仪和温度显示仪2连接。
8、安装排水管16，安装密封盖3，完成整体密封。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般
原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明
和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文
所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。