煤礦瓦斯負(fù)壓抽采管網(wǎng)檢漏技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用

劉延保

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤礦瓦斯負(fù)壓抽采管網(wǎng)檢漏技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用

劉延保1，2

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

摘要：為了解決煤礦井下瓦斯負(fù)壓抽采管網(wǎng)檢漏難的問題，研發(fā)了一種基于超聲波檢漏原理的瓦斯抽放管道檢漏技術(shù)和檢漏儀。利用該儀器在山西霍爾辛赫礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，共巡檢管道9155m，鉆孔746個，共檢測出泄漏點(diǎn)52處，檢漏結(jié)果基本符合現(xiàn)場應(yīng)用需求；獲得了試驗(yàn)礦井抽采管網(wǎng)泄漏點(diǎn)的分布規(guī)律，提出了引起抽采管道泄漏的原因及堵漏措施；分析了影響儀器檢漏準(zhǔn)確性的多種因素，為瓦斯集輸管網(wǎng)檢漏提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：瓦斯；抽采管網(wǎng)；泄漏；超聲波；檢漏儀

煤礦井下瓦斯抽采管網(wǎng)是煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)的井下管網(wǎng)部分，主要起兩方面作用：一是連接抽采泵和井下抽采鉆孔，將地面瓦斯抽采泵運(yùn)行形成的抽采負(fù)壓傳遞至井下各抽采區(qū)域的抽采鉆孔內(nèi)；二是將抽采的煤層瓦斯集中、輸送至地面進(jìn)行排空或利用?？梢姡峦咚钩椴晒芫W(wǎng)是煤礦瓦斯治理、開采和利用的一個重要環(huán)節(jié)。然而，由于瓦斯抽采管道不可避免老化、腐蝕及其他的自然、人為的損壞等原因，管道泄漏時有發(fā)生。當(dāng)泄漏發(fā)生后，外部空氣被負(fù)壓吸入管道內(nèi)，使管道內(nèi)瓦斯氣體濃度降低。一方面，造成瓦斯輸送安全隱患，如果管道瓦斯?jié)舛忍幵诒ǚ秶鷥?nèi)，一旦出現(xiàn)事故，對礦井帶來的后果是非常嚴(yán)重的；另一方面，造成管道內(nèi)瓦斯?jié)舛却蠓档?，不能直接利用或利用成本增加。因此，?zhǔn)確地判斷和定位瓦斯抽采管網(wǎng)泄漏產(chǎn)生的位置，不但對保障瓦斯輸送管道的安全性，而且對提高瓦斯利用率，增加抽采效率，降低抽采系統(tǒng)能耗等都具有重大的意義。

傳統(tǒng)的泄漏檢測方法如絕對壓力法、壓差法、氣泡法等，操作復(fù)雜并且對技術(shù)人員要求較高。目前，工業(yè)上廣泛利用泄漏產(chǎn)生超聲波的原理來進(jìn)行泄漏檢測。然而，對于煤礦負(fù)壓抽采管道而言，由于管道內(nèi)負(fù)壓一定，內(nèi)外壓差小，氣體泄漏所發(fā)出的超聲波強(qiáng)度是極其微弱的；同時，煤礦井下環(huán)境噪聲較大，對測量容易產(chǎn)生干擾。因此，利用超聲波檢漏原理對抽采管網(wǎng)進(jìn)行泄漏檢測提出了更高的技術(shù)要求。YJL40C煤礦用瓦斯抽放管道檢漏儀是基于超聲波檢漏原理研制的煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)專用檢漏儀器。本文對該設(shè)備及方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并在山西霍爾辛赫礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果，為井下瓦斯集輸管網(wǎng)檢漏提供了技術(shù)支撐。

1檢漏原理及設(shè)備

1.1檢漏原理

超聲波檢漏的基本原理是通過檢測泄漏點(diǎn)的氣體流動產(chǎn)生的超聲波信號源，從而精確定位氣體泄漏點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓抽采管路在線泄漏檢測。

當(dāng)負(fù)壓抽采管道存在泄漏點(diǎn)時，具有一定壓差的氣體流過泄漏孔，氣體將從層流變?yōu)橥牧?，湍流會在漏孔附近產(chǎn)生一定頻率的聲波，如圖1所示。聲波振動的頻率與泄漏孔尺寸有關(guān)，泄漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲，泄漏孔較小且聲波頻率大于20kHz時，人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。因此，主要能找到超聲波信號源，就能準(zhǔn)確判定泄漏點(diǎn)的位置。

圖1負(fù)壓抽采管道泄漏流示意圖

1.2檢漏設(shè)備

YJL40C煤礦用瓦斯抽放管道檢漏儀是中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司專門針對煤礦負(fù)壓抽放管路泄漏檢測而專門研發(fā)的一種便攜式礦用本質(zhì)安全型儀器。該儀器采用高精度、高分辨率的超聲波傳感頭準(zhǔn)確檢測氣體泄漏點(diǎn)，并由液晶屏實(shí)時顯示泄漏處的超聲波頻率；泄漏程度可由儀器面板上的LED指示燈顯示；采用彈簧線、測量手柄及金屬軟管來連接機(jī)身與傳感頭，可對傳感頭隨意拉伸或彎曲至任意角度，現(xiàn)場檢測非常方便；采用本安型電路設(shè)計，防爆等級達(dá)到Exib I Mb；儀器主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　儀器的主要技術(shù)參數(shù)

2工藝工業(yè)性試驗(yàn)

2.1礦井概況

山西霍爾辛赫礦屬高瓦斯礦井，生產(chǎn)能力為4.0Mt/a。礦井采用立井，單一水平分區(qū)式開拓，井底水平標(biāo)高+415m。井田范圍內(nèi)劃分七個盤區(qū)，礦井采用由井筒向邊界推進(jìn)的開采順序。3#煤層為礦井主采煤層，位于山西組下部，煤層厚4.49～7.17 m，平均厚5.65 m。目前主要開采3#煤層一、二盤區(qū)。

礦井瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計抽采規(guī)模200 m3/min，其中高負(fù)壓抽采系統(tǒng)170 m3/min，低負(fù)壓抽采系統(tǒng)30 m3/min，采用以本煤層瓦斯抽采為主，預(yù)抽與邊采邊抽、邊掘邊抽及采空區(qū)抽采相結(jié)合的綜合瓦斯抽采方法。當(dāng)前礦井瓦斯抽采主要集中在3210、3202、3101工作面，3210工作面正準(zhǔn)備回采，回采工作面采用邊采邊抽與頂板裂隙帶抽采相結(jié)合的方式，保障礦井安全生產(chǎn)。

2.2試驗(yàn)巡檢線路

根據(jù)霍爾辛赫抽掘采接替情況，確定本次井下巡檢線路。目前井下瓦斯預(yù)抽管路主要服務(wù)于二盤區(qū)的3210工作面和一盤區(qū)的3101工作面，三盤區(qū)預(yù)抽管路已拆除，因此本次巡檢路線干管主要為東回風(fēng)大巷高、低負(fù)壓管路，回風(fēng)集中巷高、低負(fù)壓管路和南翼回風(fēng)集中巷高、低負(fù)壓管路；支管主要為二盤區(qū)進(jìn)風(fēng)巷預(yù)抽管路；3210工作面回風(fēng)順槽預(yù)抽管路；3101工作面回風(fēng)順槽預(yù)抽管路。具體巡檢線路見表2。

2.3試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，在地面完成對儀器的充電和儀器校檢。對儀器校檢時，打開GS400超聲波信號發(fā)生器，調(diào)節(jié)檢漏儀的靈敏度旋鈕至最大靈敏度，當(dāng)液晶屏顯示40kHz左右的頻率，超聲波檢測的指示燈全部點(diǎn)亮并伴隨有蜂鳴器的響聲時，調(diào)節(jié)完畢。

表2　巡檢管道路線及鉆孔

試驗(yàn)時，巡檢人員手持YJL40C檢漏儀對抽采管道進(jìn)行逐段檢測。根據(jù)檢測需要可以對探頭部分彎曲并盡量縮短探頭與可疑泄漏點(diǎn)間的距離以提高檢測效果。在檢漏儀自動發(fā)出報警時，即發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，面板上的LED指示燈顯示出該點(diǎn)的泄漏程度，液晶屏顯示泄漏點(diǎn)的超聲波頻率。確認(rèn)泄漏點(diǎn)后，記錄泄漏點(diǎn)參數(shù)，采用配套的堵漏工具箱進(jìn)行在線堵漏處理。檢漏儀的巡檢如圖2所示。

圖2檢漏儀巡檢示意圖

3檢漏結(jié)果及分析

3.1泄漏點(diǎn)統(tǒng)計分析

本次現(xiàn)場試驗(yàn)共巡檢瓦斯抽采管道9155m，鉆孔746個。共檢測出泄漏點(diǎn)52處，其中主管泄漏點(diǎn)7處，抽采鉆孔連接處泄漏點(diǎn)45處。根據(jù)巡檢結(jié)果統(tǒng)計得出泄漏點(diǎn)的分布情況，見圖3。

從圖3可以看出，泄漏點(diǎn)多數(shù)出現(xiàn)在鉆孔至匯流管之間的接頭處，其中，鉆孔抽采管連接處占檢測出的泄漏點(diǎn)一半以上；其次是導(dǎo)流管、匯流管以及三通連接處。鉆孔至匯流管處的易泄漏點(diǎn)如圖4所示。主管和支管的泄漏點(diǎn)占總泄漏點(diǎn)數(shù)量的13%，都出現(xiàn)在法蘭連接處，由于管道的管壁破損造成的泄漏未有檢測到。

針對不同漏氣點(diǎn)的泄漏程度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：漏氣較嚴(yán)重的是主管及支管的法蘭連接處，如3210回風(fēng)巷檢測到4處嚴(yán)重的法蘭泄漏點(diǎn)；3202進(jìn)風(fēng)巷檢測到2處法蘭泄漏點(diǎn)。而鉆孔與匯流管之間各處的接頭泄漏一般為輕微泄漏。

圖3井下管路易泄漏處統(tǒng)計概率圖

圖4井下瓦斯抽采管路易泄漏點(diǎn)示意圖

3.2泄漏原因及堵漏措施

通過對泄漏點(diǎn)的分析，提出引起抽采管道泄漏的原因及堵漏措施。

主管及支管法蘭連接處的泄漏主要是由于緊固法蘭的螺栓松動、法蘭之間的密封墊老化造成。對于螺栓松動的情況，只需擰緊螺栓即可；密封墊老化造成的泄漏則需要采用專門的堵漏工具，向法蘭之間注入堵漏劑，完成在線堵漏。

鉆孔處抽采管路的泄漏主要集中在連接瓦斯抽采管的軟管、三通、導(dǎo)流管以及匯流管的接頭處，主要是由于沒有密封嚴(yán)實(shí)或連接軟管松動造成泄漏。抽采管與軟管之間配合較親密的，可在內(nèi)部涂密封膠即可；兩者之間隙較大的，可在接頭外部加一層橡膠套，連接軟管后再用抱箍擰緊。

3.3檢漏儀使用情況分析

對于檢漏儀的使用情況，分3種情況進(jìn)行分析。

1)泄漏處的超聲波信號強(qiáng)弱直接影響檢漏準(zhǔn)確性。當(dāng)泄漏處的超聲波信號較強(qiáng)時，如主管的法蘭連接處，往往由于主管內(nèi)的負(fù)壓較高能達(dá)到20kPa以上，且泄漏處環(huán)境條件較好(巷道內(nèi)沒有很強(qiáng)的氣流聲，環(huán)境噪音較少等因素。)而使得泄漏時產(chǎn)生較大的漏氣聲音，對于此類泄漏往往容易檢測；當(dāng)泄漏處的超聲波信號較弱時，如瓦斯抽采連接管處，此處管內(nèi)負(fù)壓相對于主管來說要小只有15kPa左右，泄漏時可能能夠產(chǎn)生較弱的漏氣聲，當(dāng)干擾因素較多時，需要仔細(xì)進(jìn)行檢測。

2)環(huán)境噪音干擾檢漏儀檢漏效果。對現(xiàn)場分析表明，環(huán)境噪音的產(chǎn)生是多方面，在進(jìn)行主管檢測時，當(dāng)巷道內(nèi)風(fēng)速較大，會對檢測結(jié)果造成一定的影響；在支管或鉆孔檢測時，放水器、匯流管上的閘閥未關(guān)好易造成較大的氣流聲，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)檢漏方式的影響。負(fù)壓越大，泄漏信號越強(qiáng)，越容易檢測到；檢測方向與泄漏方向夾角越大，越容易檢測到；泄漏孔越大，泄漏信號越強(qiáng)，越容易檢測到；檢測探頭距離泄漏處距離越近，越容易檢測到；巷道風(fēng)速越小及環(huán)境噪音越小，對儀器的干擾越小，越容易檢測到。

4結(jié)論

1)基于超聲波檢漏原理研制了YJL40C煤礦用瓦斯抽放管道檢漏儀。利用該儀器在山西霍爾辛赫礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，共巡檢管道9155m，鉆孔746個。共檢測出泄漏點(diǎn)52處，其中瓦斯抽放主管有泄漏點(diǎn)7處，瓦斯鉆孔有泄漏點(diǎn)45處。檢漏結(jié)果基本符合現(xiàn)場應(yīng)用需求。

2)獲得了試驗(yàn)礦井抽采管網(wǎng)泄漏點(diǎn)的分布規(guī)律。泄漏點(diǎn)多數(shù)出現(xiàn)在鉆孔至匯流管之間的軟管、導(dǎo)流管、匯流管以及三通接頭處，泄漏一般為輕微泄漏；主管和支管的泄漏點(diǎn)占總泄漏點(diǎn)數(shù)量的13%，都出現(xiàn)在法蘭連接處，漏氣較嚴(yán)重。同時，通過對泄漏點(diǎn)的分析，提出了引起抽采管道泄漏的原因及堵漏措施。

3)YJL40C檢漏儀在使用過程中受到多重因素的影響，泄漏處的超聲波信號強(qiáng)弱、環(huán)境噪音、使用方式都會影響檢漏準(zhǔn)確性。下一步擬采用數(shù)字濾波和頻譜分析技術(shù)，對儀器進(jìn)行完善。

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Leakage detector technology of coal mine gas drainage pipeline and field application

LIU Yan-bao1，2

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037，China；2.Chongqing Research Institute Co.，Ltd.，China Coal Technology and Engineering Group，Chongqing 400037，China)

Abstract:In order to solve the problem of the leakage detection of gas drainage pipelines in coal mines，a leakage detection technology and a corresponding leakage detection device for gas drainage pipelines based on ultrasonic inspection were developed.The detection device was used for the industrial test in Huoerxinhe Mine.A total of 9155m gas drainage pipeline and 746 drilling holes were inspected，and 52 leak sites have been detected.The application results are consistent with the needs of field applications.Distribution laws of gas drainage pipelines leaks locations wereobtained，and proposed drainage caused by pipeline leakage and plugging measures.Analysis of the various factors that affect the accuracy of leak detection device，for underground gas drainage pipeline leak detection provides technical support.

Key words：gas；gas drainage pipeline；leakage；ultrasonic wave；leakage detector

收稿日期：2015-09-07

作者簡介：劉延保(1981-)，男，山東淄博人，副研究員，博士，2009年畢業(yè)于重慶大學(xué)，主要從事煤礦瓦斯災(zāi)害治理及煤層氣開發(fā)研究工作。

中圖分類號：TD712

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0156-04