煤礦采動(dòng)區(qū)煤層氣井地面抽采設(shè)備體系成套化研究

何慶宏 趙祉友

(1.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 048000；2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 048000；3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 048000)

煤礦采動(dòng)區(qū)煤層氣井地面抽采設(shè)備體系成套化研究

何慶宏1,2趙祉友3

(1.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 048000；2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 048000；3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 048000)

地面鉆井抽采煤礦采動(dòng)區(qū)和采空區(qū)瓦斯是近年來逐步發(fā)展起來的瓦斯抽采新技術(shù)，是快速降低煤礦瓦斯最直接有效的途徑。針對(duì)目前抽采現(xiàn)場(chǎng)受道路、場(chǎng)地等因素制約、在運(yùn)輸、安裝等方面存在困難以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置分散、不利管理和維護(hù)等問題，提出設(shè)備成套化的理論體系。該體系主要有真空泵、發(fā)電機(jī)、循環(huán)水箱、防火防爆等設(shè)備，所有設(shè)備撬裝組合成一體式抽采設(shè)備，在有效解決以上問題的同時(shí)還具有對(duì)地形適應(yīng)性強(qiáng)、占地面積小、減少設(shè)備安裝及回收時(shí)間，提高工作效率、節(jié)約設(shè)備運(yùn)輸、安裝及回收成本等優(yōu)勢(shì)，便于現(xiàn)場(chǎng)操作與管理。

煤礦采動(dòng)區(qū) 煤層氣 抽采設(shè)備 設(shè)備成套化

地面采動(dòng)區(qū)井抽采是一種快速抽采瓦斯、解決煤礦井下瓦斯超限難題的新方法。該技術(shù)在地面施工，在采區(qū)回采前便可完成，不影響煤炭回采，可連續(xù)進(jìn)行采動(dòng)影響區(qū)抽采和采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)(采空區(qū))抽采，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層瓦斯的全過程抽采和控制。地面鉆井抽采采動(dòng)影響/穩(wěn)定區(qū)域瓦斯技術(shù)是從地面施工鉆井至開采煤層，通過地面泵站抽采本煤層和鄰近煤層受采動(dòng)影響產(chǎn)生的卸壓瓦斯，以及遺留煤體和采空區(qū)殘留瓦斯。針對(duì)礦井瓦斯綜合治理總體要求，在采煤工作面合理位置布置地面井用于抽采采動(dòng)區(qū)和采空區(qū)瓦斯。實(shí)踐表明，鉆井的合理位置、穩(wěn)定性和抽采負(fù)壓是影響抽采效果的主要因素。煤礦采動(dòng)區(qū)井煤層氣抽采設(shè)備的選擇一般是根據(jù)單井最大氣產(chǎn)量來確定，其主要設(shè)備包括：井口設(shè)備、壓縮機(jī)或真空泵、氣水分離器、計(jì)量系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、氣體輸送管線和壓縮站等。

目前國(guó)內(nèi)在采動(dòng)區(qū)井地面布井、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和抽采效果評(píng)估等方面已做過不少研究，但地面安全抽采研究較少。晉城礦區(qū)是我國(guó)能源生產(chǎn)的重要基地，中煤科工集團(tuán)重慶研究院借助國(guó)家科技重大專項(xiàng)在晉城礦區(qū)研究采動(dòng)區(qū)井抽采技術(shù)多年，但采動(dòng)區(qū)地面井抽采尚有一些技術(shù)問題亟待完善，如提高防止地面井損毀的技術(shù)可靠性、解決山區(qū)地面井施工的問題等。結(jié)合煤礦采動(dòng)影響，地面井布井、鉆完井、防護(hù)、排采技術(shù)等均需要進(jìn)行精細(xì)研究和試驗(yàn)探索。

根據(jù)晉城礦區(qū)采動(dòng)區(qū)井現(xiàn)狀設(shè)計(jì)出配套的設(shè)備，再進(jìn)行流程設(shè)計(jì)及組裝設(shè)計(jì)，最終總結(jié)出一套設(shè)備成套化設(shè)計(jì)方案。該技術(shù)已申請(qǐng)專利《一種煤礦采動(dòng)區(qū)地面井集成式抽采系統(tǒng)》，有效解決了煤礦地形條件復(fù)雜或距離間隔較遠(yuǎn)時(shí)，不宜采用鋪設(shè)管道的方法進(jìn)行抽采的問題。

1 采動(dòng)區(qū)井概述

地面鉆井抽采煤礦采動(dòng)區(qū)和采空區(qū)瓦斯是近年來逐步發(fā)展起來的瓦斯抽采新技術(shù)，是一種通過在采場(chǎng)地表施工垂直鉆井到煤層采動(dòng)可能形成的覆巖裂隙帶或煤層內(nèi)，通過預(yù)裂或者采動(dòng)影響增強(qiáng)煤層的透氣性，從而使得瓦斯能夠盡可能多地經(jīng)由煤巖體的裂隙網(wǎng)絡(luò)通道和鉆孔直接抽采到地表，以達(dá)到降低回采工作面瓦斯涌出量，緩解瓦斯超限壓力和開發(fā)煤層氣的目的。地面采動(dòng)區(qū)井一般均可做到采動(dòng)影響區(qū)井(采動(dòng)井)抽采和采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)井(采空井)抽采，“一井兩用”；采動(dòng)影響區(qū)抽采主要是利用回采工作面對(duì)煤巖體擾動(dòng)提高其透氣性的特點(diǎn)增強(qiáng)瓦斯抽采率、緩解通風(fēng)壓力；采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)抽采方案主要是降低回采工作面推過后采空區(qū)瓦斯向回采工作面涌出的量，解決回采工作面瓦斯超限的難題。該方法是提前將預(yù)采高瓦斯煤層中的瓦斯進(jìn)行釋放并加以利用，降低煤層中的瓦斯含量，從根本上解決工作面瓦斯事故。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)條件

一般煤礦井下瓦斯抽采有2種方式，一是從井下泵站進(jìn)行瓦斯抽采，再集輸至地面儲(chǔ)氣罐；二是從煤礦地面抽放泵站抽放，直接連接至井下瓦斯抽放區(qū)域。地面采動(dòng)區(qū)井也可從地面鉆井，通過管道連接至煤礦抽放泵站，并且可以集成片管理，但是這與地面泵站和采動(dòng)區(qū)井之間的位置有很大關(guān)系。若距離太遠(yuǎn)，則需要鋪設(shè)較長(zhǎng)管道，經(jīng)濟(jì)可行性不高。因此，對(duì)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，或者交通、道路、供電等輔助工程尚不完善的地區(qū)，對(duì)采動(dòng)區(qū)井抽采設(shè)備就有了更高的要求。而往往煤礦采動(dòng)區(qū)井都位于這樣的地方，目前一般都采用真空泵負(fù)壓抽采，需要較多零碎的配套設(shè)備，抽采現(xiàn)場(chǎng)還存在受道路、場(chǎng)地、時(shí)間等因素制約，在運(yùn)輸、安裝等方面都存在很大困難，井場(chǎng)設(shè)備安裝和回收過程繁瑣、耗時(shí)、費(fèi)力，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備擺放分散、雜亂，不利于管理和維護(hù)。

1.2 存在問題

(1)運(yùn)輸困難。由于采動(dòng)區(qū)井大多位置偏遠(yuǎn)，多位于山區(qū)，交通不便，且地面易受采動(dòng)影響遭受破壞，對(duì)于人員看守、消耗品運(yùn)輸?shù)确矫娲嬖谥T多不便，對(duì)于大型設(shè)備，如發(fā)電機(jī)，還需要雇傭?qū)ｉT吊車進(jìn)行搬運(yùn)，同時(shí)設(shè)備運(yùn)輸?shù)陌踩缘貌坏奖Ｕ?，耗時(shí)耗工。

(2)安裝費(fèi)時(shí)。目前采動(dòng)區(qū)井所有抽采設(shè)備零散，需要現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)安裝，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，往往造成有些井還來不及安排抽采，井下工作面就已經(jīng)掘進(jìn)過了鉆孔位置，造成很大的浪費(fèi)，所以采動(dòng)區(qū)井對(duì)于設(shè)備安裝有著很強(qiáng)的時(shí)間要求。

(3)回收不易。對(duì)于安裝后的單個(gè)設(shè)備回收，需要逐個(gè)拆卸，再重新搬運(yùn)、安裝。反復(fù)拆卸與安裝，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、精力和物力，且對(duì)設(shè)備耗損大，部分設(shè)備長(zhǎng)期擱置，將導(dǎo)致精密儀器失準(zhǔn)，重復(fù)使用率會(huì)大幅降低。

2 抽采設(shè)備集成設(shè)計(jì)

為提高采動(dòng)區(qū)井抽采設(shè)備運(yùn)輸、安裝和回收效率，簡(jiǎn)化施工環(huán)節(jié)，節(jié)省人力物力，增加設(shè)備二次利用，需研究采動(dòng)區(qū)井集成式、撬裝化抽采設(shè)備。

2.1 抽采設(shè)備

采動(dòng)區(qū)煤層氣井抽采的主要設(shè)備包括：水環(huán)真空泵、泄爆器、防回火器、氣水分離器、放空器、循環(huán)水箱、循環(huán)水泵、發(fā)電機(jī)、分流管路系統(tǒng)等。為了對(duì)地面煤層氣抽采過程中的安全性和抽采效率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)抽采狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和有效控制，需要在抽采管路上安設(shè)一系列監(jiān)控設(shè)備，主要有孔板流量計(jì)、GD4型瓦斯抽放多參數(shù)傳感器、氧氣傳感器、CO傳感器、監(jiān)控分站和直流穩(wěn)壓電源等。

2.2 設(shè)備組裝

根據(jù)晉城礦區(qū)采動(dòng)區(qū)井現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出符合要求的抽采設(shè)備進(jìn)行搭配，采用撬裝的方式，將所有設(shè)備組裝在一起。主要設(shè)備有泄爆器與防回火裝置、真空泵、氣水分離器、放空管、發(fā)電機(jī)、柴油桶、高低位水箱、監(jiān)測(cè)設(shè)備等，以及各種連接的管材，通過合理布局整體焊接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備集成一體化。所有設(shè)備均采用防爆式，鋼制管材均為無縫鋼管。撬裝式抽采設(shè)備可裝至行走車上，也可運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后卸下另行固定，以下以撬裝式抽采設(shè)備裝至行走車上為例進(jìn)行說明。

抽出氣體從井口經(jīng)過阻燃裝置被吸入真空泵，經(jīng)過參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備后通過阻燃裝置進(jìn)入放空管或集輸管。為了調(diào)整抽放負(fù)壓，在真空泵兩端設(shè)計(jì)調(diào)整分流管路。經(jīng)過對(duì)各單件設(shè)備尺寸、運(yùn)輸車輛尺寸進(jìn)行測(cè)量(8.6m×2.5m)，規(guī)劃出合理的撬裝體內(nèi)部布局，提高運(yùn)輸效率，減小安裝空間。

(1)水環(huán)真空泵、氣水分離器之間通過無縫鋼管連接，水環(huán)真空泵利用金屬波紋管與撬裝式外的井口連接，且該連接管路中間安裝有多參數(shù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控儀器，氣水分離器出口管線連接有放空管或集輸管(放空管在現(xiàn)場(chǎng)采用管道聯(lián)接，與抽采設(shè)備保持安全距離)，并安裝避雷針，氣水分離器內(nèi)設(shè)有氧氣傳感器。

(2)金屬波紋管的兩連接端處均安裝有閥門。多參數(shù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控儀器與水環(huán)真空泵之間、氣水分離器出口管線處連接有泄爆器與防回火裝置。

(3)選用的真空泵為2BE1203型直聯(lián)真空泵，其長(zhǎng)×寬×高為3050mm×660mm×1400mm，柴油發(fā)電機(jī)功率為120kW，其長(zhǎng)×寬×高為2800mm×1050mm×1550mm，設(shè)計(jì)撬裝式整體結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)×寬×高為7m×3m×2.5m，在整體布局緊湊，且所有設(shè)備能完全放置，設(shè)備均采用地角螺栓固定于箱底，若不能直接固定的，如柴油桶，則采用其他固定方式，如焊置鐵圍欄，再將其放置其中。水環(huán)真空泵的兩連接端并聯(lián)有分流系統(tǒng)，分流系統(tǒng)的管路上安裝有閥門。

(4)采用2臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)為發(fā)電機(jī)組，一開一備，均采用配電箱控制，放置2個(gè)柴油桶存放燃料，每個(gè)容量為700L，連續(xù)運(yùn)行時(shí)，每桶油可用約24h；在進(jìn)線電路配電箱和電動(dòng)機(jī)之間安裝自耦降壓?jiǎn)?dòng)柜，降低發(fā)電機(jī)啟動(dòng)電流；柴油桶與發(fā)電機(jī)組連接，發(fā)電機(jī)組與配電箱連接，配電箱與水環(huán)真空泵連接。

(5)低位水箱長(zhǎng)×寬×高為3m×2m×2m，總體積12m3，高位水箱長(zhǎng)×寬×高為7.0m×3.0m×0.6m，總體積約為12.6m3。在不考慮漏失的情況下，正常消耗約3天，定期補(bǔ)充；高位水箱與低位水箱之間采用潛水泵連接，潛水泵放置于低位水箱里，高位水箱與低位水箱分別與真空泵相連，由此高差產(chǎn)生壓力，從而使真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，根據(jù)真空泵的水量消耗預(yù)測(cè)，潛水泵排量大致定為1m3/h，潛水泵的動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)組提供。

(6)撬裝式還可采用或加裝“人”字形頂棚，便于雨水滑落，內(nèi)部頂棚配備照明系統(tǒng)，由發(fā)電機(jī)組提供電力。

(7)撬裝式左右兩側(cè)可采用推拉門設(shè)計(jì)，可有效阻隔噪聲，各自對(duì)半分開，以車頭為前方，車廂左邊便于水箱加水以及柴油桶添加柴油，車廂右邊便于讀取多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)，以及控制真空泵閥門；也可不設(shè)置門，直接敞開，便于通風(fēng)散熱。

(8)多參數(shù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控儀器能夠連接電腦，可直接對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)，便于一次性提取數(shù)據(jù)，也可時(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，方便管理，安全性更高。

(9)GD4型瓦斯抽放多參數(shù)傳感器安裝時(shí)，氣體從井口方向進(jìn)來，經(jīng)由溫度傳感器、壓力傳感器、濃度傳感器后，進(jìn)入真空泵中，而后通過氣水分離器后，設(shè)有氧氣傳感器，最后進(jìn)入放空管或集輸管。

2.3 注意細(xì)節(jié)

抽采管路采用架空方式，一般距離地表1.5m；排空管路距離井口及抽采設(shè)備應(yīng)大于30m；抽采主管路必須保持直線型管段；真空泵基座高度一般20～30cm，上部安設(shè)減震墊；

泄爆器與水環(huán)真空泵之間的管路按0.5°/m的斜度安設(shè)；氣水分離器與放空管之間的管路按0.5°/m的斜度安設(shè)；管道上的2個(gè)放水龍頭安設(shè)在管道正下方；各參數(shù)監(jiān)測(cè)孔應(yīng)按照監(jiān)測(cè)要求規(guī)格焊接在管路上；此撬裝式組裝在局部連接時(shí)需根據(jù)實(shí)際具體情況進(jìn)行調(diào)整。

3 設(shè)備優(yōu)勢(shì)分析

(1)本撬裝式抽采設(shè)備裝置行走車上，能集運(yùn)輸、抽采、供電、居住等功能為一體，結(jié)構(gòu)緊湊，能有效適用于地形條件復(fù)雜或間隔距離遠(yuǎn)的地形。

(2)所有設(shè)備撬裝組合在一起，實(shí)現(xiàn)采動(dòng)區(qū)井穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，并節(jié)約設(shè)備運(yùn)輸、安裝及回收成本。

(3)減少設(shè)備安裝及回收時(shí)間，安裝時(shí)間由原來的7 d變成1～2 d，增加采動(dòng)區(qū)井有效抽采時(shí)間；減少設(shè)備占地面積，由原來各設(shè)備單獨(dú)雜亂放置，變成設(shè)備撬裝一體化，方便現(xiàn)場(chǎng)操作與管理。

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(責(zé)任編輯 桑逢云)

Research on Complete Sets of Surface Extraction Equipment of CBM Well in Coal Mining Subsidence Areas

HE Qinghong1,2, ZHAO Zhiyou3

(1.Shanxi Lanyan Coalbed Methane Group Co., Ltd., Shanxi 048000;2.State Key Laboratory of Coal and CBM Co-Mining, Shanxi 048000;3. Shanxi JIncheng Anthracite Mining Group Co., Ltd., Shanxi 048000)

Gas drainage through surface well drilling in coal mining subsidence areas and goaf areas is a new technology that has been developed rapidly in recent years, and it is also the most direct and effective way to rapidly reduce gas emission in coal mines. To resolve the current problems occurred in the drainage sites, such as the restricted factors by road and space, difficulties in the transport and installation, and poor management and maintenance caused by dispersed equipment layout, the paper proposes a theoretical system of complete sets of equipment. The system is mainly composed of vacuum pumps, generators, circulating water tank, fire and explosion-proof equipment, etc., with all the equipment assembly into an integrated extraction equipment. The system can resolve all the above problems effectively, also has such advantages as great adaptability to the topography , small coverage area, reducing the time of equipment installation and recovery, improving the efficiency, saving cost of equipment transportation, installation and recovery etc, and it is easy for site operation and management.

Coal mining subsidence area; CBM; extraction equipment; complete sets of equipment

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05063)、山西省科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(20111101001)和山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(MQ2014-13)。

何慶宏，男，助理工程師，工程碩士，現(xiàn)從事煤層氣開發(fā)工作。