瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測裝置研制及應(yīng)用

巴全斌

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災(zāi)害和保障煤礦安全的根本措施，也是開發(fā)煤層氣資源的主要技術(shù)手段，具有安全、環(huán)保和節(jié)能等多種意義。國家提出了“先抽后采、能抽盡抽、以用促抽”指導(dǎo)方針，各煤礦企業(yè)也在加大瓦斯抽采力度，擴大抽采范圍，把瓦斯抽采提升到“生命工程和資源工程”高度[1]。瓦斯抽采效果的監(jiān)測、評價及監(jiān)管是各煤炭企業(yè)、監(jiān)管機構(gòu)著重考察的內(nèi)容，是日常生產(chǎn)必不可少的工作內(nèi)容[2-4]。

抽采鉆孔是保證瓦斯抽采效果的源頭，鉆孔孔周裂隙和封孔段空隙形成的漏氣通道直接制約著礦井瓦斯抽采效果[5]。鄭其堂等[6]研究了抽采鉆孔漏氣機制，通過檢測鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚沽髁拷o出了漏氣量和漏氣比例計算式，為確定漏氣位置提供了理論依據(jù)。張許樂等[7]介紹了一種瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量和漏氣位置檢測方法和裝置，采用硬質(zhì)軟管作為取氣管件，通過檢測瓦斯?jié)舛群统椴韶搲簩崿F(xiàn)封孔質(zhì)量檢測。張永鵬[8]研發(fā)了智能化抽采鉆孔封孔質(zhì)量檢測儀并在井下應(yīng)用，采用紅外甲烷傳感器、壓阻式傳感器和數(shù)字溫度傳感器對鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛取⒊椴韶搲汉蜏囟冗M行監(jiān)測，從而確定抽采鉆孔漏氣通道。

為更加有效快速地檢測抽采鉆孔漏氣通道，本文基于管流流體力學(xué)理論和漏氣檢測判別方法，研制了抽采鉆孔漏氣通道檢測裝置，采用高穩(wěn)壓阻式壓力傳感器、激光甲烷傳感器和熒光氧氣傳感器實現(xiàn)抽采負壓、瓦斯?jié)舛群脱鯕鉂舛葏?shù)檢測，通過快速檢測分析抽采鉆孔不同深度的氣樣參數(shù)及其分布規(guī)律來確定鉆孔漏氣失效原因及通道位置，為有針對性地調(diào)整封孔方式和相關(guān)參數(shù)及后續(xù)改進工作提供依據(jù)。

1 瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測技術(shù)

1.1 檢測原理

根據(jù)圍巖松動圈理論和巷道“三帶”應(yīng)力分布特征[9]，巷道兩側(cè)和抽采鉆孔孔周裂隙發(fā)育，導(dǎo)致煤巖層原生裂隙和再生裂隙相互溝通，此外抽采鉆孔封孔段密封效果差，普遍存在封孔深度不足、封孔材料無法有效填充煤巖裂隙和封堵管路破損等問題，形成抽采鉆孔的漏氣通道[10]，從源頭上降低了瓦斯抽采濃度，直接制約了礦井瓦斯抽采效果。

根據(jù)相關(guān)專家學(xué)者研究成果和管流流體力學(xué)原理[11-12]，在正常抽采狀態(tài)下，抽采鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛妊劂@孔深度變化基本保持一致，抽采負壓沿鉆孔深度變化呈線性衰減，且原始煤巖層中沒有氧氣成分存在。因此，可以通過檢測抽采狀態(tài)下沿鉆孔深度變化不同位置處抽采負壓、瓦斯?jié)舛群脱鯕鉂舛鹊姆植记闆r來判定抽采鉆孔漏氣情況，進而分析鉆孔漏氣類型和通道位置。

理論上，在較短區(qū)域內(nèi)抽采負壓的變化通常不明顯，而在單位時間內(nèi)鉆孔所提供的瓦斯涌出量相對恒定。當存在漏氣通道時，在抽采負壓的作用下，涌入抽采鉆孔的空氣會導(dǎo)致瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)階梯式下降，即瓦斯?jié)舛葧l(fā)生突變[13]。因此，根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊耐蛔兒脱鯕鉂舛惹闆r來判定兩點之間的漏氣狀態(tài)，進而分析其漏氣原因及漏氣強度是科學(xué)、可行的。

1.2 漏氣通道位置判定及原因分析

在正常抽采條件下，通過測定抽采鉆孔內(nèi)不同深度的負壓、瓦斯?jié)舛群脱鯕鉂舛鹊瓤梢缘玫綑z測參數(shù)隨鉆孔深度的分布變化規(guī)律，從而分析判斷抽采鉆孔的漏氣原因和漏氣通道位置。檢測段測點布置及可能漏氣通道位置如圖1所示，其中C0—C4表示瓦斯?jié)舛?，P1—P4表示可能漏氣通道位置。以瓦斯?jié)舛葹橹?、抽采負壓和氧氣濃度為輔進行漏氣通道判定，判定方法見表1。若抽采鉆孔內(nèi)不同鉆孔深度的瓦斯?jié)舛然颈３植蛔兓虿▌臃秶^小，抽采負壓呈線性衰減，且氧氣濃度較低，表明抽采效果較好；若孔內(nèi)的負壓和瓦斯?jié)舛仍谀程幊霈F(xiàn)階梯式下降，而氧氣濃度驟增，則表明抽采鉆孔該處存在漏風(fēng)通道[14]。

圖1 測點布置及可能漏氣通道位置

表1 瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測判定方法

2 檢測裝置設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

瓦斯抽采鉆孔漏氣檢測裝置設(shè)計要求：① 檢測主機設(shè)計：優(yōu)化檢測主機內(nèi)部結(jié)構(gòu)并盡量減小體積和質(zhì)量，結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶。② 取氣管件設(shè)計：適應(yīng)抽采鉆孔不同深度，要求質(zhì)量小,便于攜帶。③ 傳感器選型：包括抽采負壓傳感器、甲烷傳感器和氧氣濃度傳感器選型。

2.2 檢測主機設(shè)計

檢測主機主要包括電源、真空泵、傳感器部件、過濾器、顯示屏、操作按鍵、面板、電路控制板、主機箱體等。考慮各參數(shù)的測量順序及傳感器安裝方便，傳感器連接順序為進氣接頭-氧氣傳感器-甲烷傳感器-出氣接頭；負壓接頭-壓力傳感器。電源采用質(zhì)量小的鋰電池，并利用固定膠密封在電池盒內(nèi)。主機箱體增加碰撞部位的結(jié)構(gòu)強度，主要包括電池盒體和泵殼體的基座，避免井下碰撞破損。

檢測主機信號處理流程如圖2所示。傳感器采集的信號經(jīng)過信號調(diào)理單元進行放大，通過單片機控制多路開關(guān)，選擇相應(yīng)的傳感器輸入通道；AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過量化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的參數(shù)值，直接與單片機交換數(shù)據(jù)；單片機采集完參數(shù)后，根據(jù)設(shè)定的測量深度自動保存數(shù)據(jù)，并通過儀器顯示屏顯示測量結(jié)果；測量完所有測點數(shù)據(jù)后，自動繪制數(shù)據(jù)曲線，并利用無線模塊上傳測量數(shù)據(jù)至配套數(shù)據(jù)管理軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、分析及打印。

圖2 檢測主機信號處理流程

2.3 取氣管件及三通裝置設(shè)計

目前，煤礦常用的抽采管直徑范圍為50～75 mm，薄壁不銹鋼管具有質(zhì)量小、表面光滑、受壓不易變形的優(yōu)勢，因此，取氣管件采用直徑為25 mm的薄壁不銹鋼管，每節(jié)1.5 m，設(shè)計長度為30 m。為方便井下操作，取氣接頭兩端與取氣管件采用快插式連接方式，并用活動螺紋進行連接固定，接頭最大直徑為32 mm。

為保證在正常抽采狀態(tài)下進行參數(shù)檢測，需在抽采管與接抽管中間加裝三通裝置，如圖3所示。該三通裝置右端與抽采管路連接，下端與接抽管連接，用于正常瓦斯抽采。取氣管通過三通外端進行下放和回收操作，實現(xiàn)不同鉆孔深度的氣樣抽取。為方便井下安裝，三通尾端設(shè)計成卡扣式，連接瓦斯抽采管道，具有較好的密封效果。

圖3 取氣管件及三通裝置的連接

2.4 氣體檢測傳感器選型

(1)壓力傳感器。采用MPM281高穩(wěn)壓阻式OEM壓力傳感器，該傳感器是一種帶隔離并經(jīng)過精密補償?shù)母叻€(wěn)定性硅壓阻式壓力測量儀器，其中硅壓阻式敏感元件選用高穩(wěn)定性擴散硅元件，通過精密修調(diào)后的厚膜電路對壓力敏感元件進行寬溫度范圍的溫度補償和零點偏差修正[15]。被測壓力經(jīng)過隔離膜片和內(nèi)部介質(zhì)傳遞到硅壓阻式敏感元件上，實現(xiàn)壓力到電信號的精確轉(zhuǎn)換。該傳感器壓力測量范圍為0～120 kPa，精度等級達到0.1級，誤差為±1.5% F·S。

(2)甲烷傳感器。為避免抽采鉆孔內(nèi)氣樣中其他氣體成分影響，采用非色散激光甲烷傳感器。該傳感器采用光譜吸收原理測量甲烷濃度[16]，具有工作穩(wěn)定、測量精度高和功耗低的特點；測量范圍為0～100%，分辨率為0.01%(0～1%)和0.1%(1%～100%)，誤差為±0.06%(0～1%)F·S和真值±6%(1%～100%)F·S；適用于煤礦井下有瓦斯、煤塵爆炸危險的環(huán)境，工作環(huán)境溫度為0～+40 ℃，大氣壓力為80～116 kPa，工作電壓為9～24 V，工作電流≤100 mA/18 V DC。

(3)氧氣傳感器。采用熒光氧氣傳感器LuminOx，其具有尺寸小、功耗低的優(yōu)勢；測量范圍為0～25%(O2%)，誤差為±2%F·S，響應(yīng)時間小于15 s，工作電壓為4.75～5.25 V(推薦5 V)，平均電流小于6 mA。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

3.1 試驗礦井概況

新疆焦煤(集團)有限責(zé)任公司二一三〇煤礦生產(chǎn)能力為1.20 Mt/a，主采4—6號煤層，煤層厚度為0.4～9.77 m，煤層傾角為35～43°，煤的堅固性系數(shù)為0.3～0.5，煤層透氣性系數(shù)為0.029～0.594 m2/(MPa2·d)，煤層瓦斯壓力為0.6～2.0 MPa，礦井絕對瓦斯涌出量為10.92～29.53 m3/min，相對瓦斯涌出量為5.86～30.05 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井。

礦井瓦斯抽采主要以鉆孔預(yù)抽和采空區(qū)抽采為主，采用本煤層鉆孔和底板巷穿層鉆孔方式。其中，25213工作面軌道巷抽采鉆孔傾角為19°左右，孔徑為94 mm，孔深為41～47 m，封孔材料采用水泥注漿，鉆孔孔口使用馬麗散封堵，利用抽采管自然返漿，封孔深度為9 m。該區(qū)域鉆孔單孔濃度低、衰減較快，抽采效果不理想。

3.2 現(xiàn)場檢測操作步驟

在二一三〇煤礦25213工作面軌道巷進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗，瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測分析操作步驟：

(1)拆除用于連接抽采管和匯流管的連接管，安裝三通裝置，并與抽采管和匯流管連接。

(2)將取氣管件依次連接，并從三通裝置末端送到鉆孔內(nèi)預(yù)定的取氣位置，并將取氣管件與氣體檢測裝置連接。

(3)在正常抽采狀態(tài)下，啟動檢測裝置，開始檢測抽采鉆孔預(yù)定取氣位置的抽采負壓、瓦斯?jié)舛群脱鯕鉂舛龋涗洸Υ嫦嚓P(guān)測試數(shù)據(jù)。

(4)循環(huán)步驟(1)—(2)，待所有的測點都測定完成后，撤出取氣管件，拆除三通裝置，重新將抽采管與匯流管連接，恢復(fù)抽采。

(5)分析數(shù)據(jù)，檢測完成后自動生成參數(shù)變化曲線，獲得鉆孔內(nèi)瓦斯流動規(guī)律，進而分析判斷漏氣類型和通道位置。

3.3 試驗效果分析

礦井抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料顯示，試驗區(qū)域鉆孔瓦斯體積分數(shù)普遍較低，日平均瓦斯體積分數(shù)為10%～20%，整體抽采效果一般。對試驗區(qū)域抽采濃度在平均水平以下的鉆孔進行漏氣通道檢測分析，以查找鉆孔漏氣原因及漏氣通道位置。試驗鉆孔采用水泥砂漿和聚氨酯封堵工藝，封孔深度為9 m，試驗裝置檢測深度為30 m，起始檢測位置距孔口6 m，依次增加3 m設(shè)置檢測點，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 抽采鉆孔檢測參數(shù)變化曲線

由圖4可知，在原封孔工藝和封孔深度下，距孔口0～9 m范圍內(nèi)，瓦斯和氧氣體積分數(shù)較穩(wěn)定，抽采負壓近似于線性衰減，說明抽采管未發(fā)生破損或接口漏氣等，抽采管密封效果較好；而在距孔口9～18 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的瓦斯和氧氣體積分數(shù)突變情況。根據(jù)抽采鉆孔漏氣通道檢測方法，該區(qū)段存在漏氣通道，最大漏氣通道在距孔口9～12 m范圍內(nèi)，說明原封孔深度不足，原封孔工藝無法有效密封漏氣通道。

綜合考慮封孔成本和封孔難度，對比試驗后，將封孔深度增加至12 m，并采用“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝，改進后的抽采鉆孔檢測參數(shù)變化曲線如圖5所示。由圖5可知，在改進封孔工藝和封孔參數(shù)后，試驗鉆孔整體抽采效果大幅改善，孔口瓦斯體積分數(shù)提升至55%以上；在距孔口12～15 m范圍內(nèi)，瓦斯和氧氣體積分數(shù)變化較穩(wěn)定；而在距孔口15～18 m范圍內(nèi)仍然存在漏氣情況，但是突變幅度不大；在距孔口18 m以深范圍內(nèi)瓦斯體積分數(shù)變化穩(wěn)定，氧氣體積分數(shù)近乎為0，此時漏氣通道減少。

圖5 改進后的抽采鉆孔檢測參數(shù)變化曲線

根據(jù)上述對比檢測分析結(jié)果，建議將試驗區(qū)域封孔深度增加至12 m，并推廣應(yīng)用“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝，以提高瓦斯抽采率，改善瓦斯抽采效果。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)管流流體力學(xué)原理，分析了抽采鉆孔漏氣原因，闡述了鉆孔漏氣位置的判別方法，研制了一種適用于煤礦井下的瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測裝置。

(2)采用非色散激光甲烷傳感器和熒光氧氣傳感器，提高了裝置的檢測精度和可靠性；采用1.5 m/節(jié)快接式25 mm薄壁不銹鋼管，鉆孔檢測深度達30 m。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置能夠準確檢測抽采鉆孔漏氣通道位置，通過分析得到漏氣原因，可為煤礦改進封孔工藝、提高封孔質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。