智能化鉆場抽采負(fù)壓裝置的研究與設(shè)計(jì)

張偉龍

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司神東煤炭技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315)

0 引言

瓦斯是礦井的主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著井下的安全生產(chǎn)。隨著抽采工藝和抽采設(shè)備的不斷更新，井下瓦斯抽采技術(shù)日趨成熟，逐漸形成了一套先抽后采、綜合治理的瓦斯治理模式[1-5]。但是在瓦斯含量較高、有突出危險(xiǎn)的區(qū)域施工抽采鉆孔時(shí)，常常會(huì)從鉆孔中涌出大量的煤渣、水、瓦斯，導(dǎo)致瓦斯超限事故，嚴(yán)重威脅作業(yè)地點(diǎn)鉆孔施工人員的安全。

針對(duì)目前打鉆噴孔存在的問題[6]，國內(nèi)研究人員開展了一系列的研究。萬軍[7-8]結(jié)合直通式防噴裝置和封堵式防噴裝置的優(yōu)點(diǎn)提出了常閉煤礦防噴裝置的設(shè)計(jì)；此外，還將機(jī)、電、液進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，通過電控系統(tǒng)、液控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了防噴裝置的自動(dòng)化操控；甄龍洋[9]通過對(duì)打鉆噴孔機(jī)理、規(guī)律的調(diào)研，完成了高負(fù)壓自動(dòng)抽排噴孔瓦斯裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)；周志飛[10]把水環(huán)密封與軟性物質(zhì)和硬性物質(zhì)進(jìn)行配合，研發(fā)了一種干式鉆孔防噴裝置；王國飛[11]根據(jù)定向鉆孔的施工特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種防噴孔裝置使得打鉆過程中排放的水、氣、渣得到有效分離。龔大銀等[12]采用環(huán)形雙回路系統(tǒng)研發(fā)了新型防噴孔裝置，有效地提高了抽采系統(tǒng)的利用效率。

以上研究為解決抽采鉆孔施工過程中防止瓦斯超限提供了有益參考。為了避免鉆孔施工過程中瓦斯超限，提高抽放系統(tǒng)瓦斯?jié)舛龋瑴?zhǔn)確設(shè)定邊打邊抽時(shí)的抽放負(fù)壓，在前人研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種智能化控制鉆場抽采負(fù)壓防止瓦斯超限的裝置。

1 工程背景

高瓦斯以及具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井主要通過施工各種類型的瓦斯鉆孔來降低煤層瓦斯?jié)舛然蛘呦怀鑫ｋU(xiǎn)。為了避免鉆孔施工過程中噴孔造成瓦斯超限，在鉆孔施工過程中一般在孔口安設(shè)各種類型的防噴孔裝置。目前井下使用鉆孔防噴孔裝置時(shí)，其裝置體積和抽采負(fù)壓的大小常常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，人為隨意性大，且不能及時(shí)根據(jù)鉆孔瓦斯涌出量做到及時(shí)調(diào)整。當(dāng)噴孔時(shí)產(chǎn)生的煤渣、瓦斯和水超出孔口緩存裝置和抽采負(fù)壓的抽采能力范圍時(shí)，大量的瓦斯沿著孔口緩存裝置溢出到巷道內(nèi)，導(dǎo)致瓦斯超限，如果抽采系統(tǒng)負(fù)壓閥門開啟角度過大又會(huì)導(dǎo)致大量的空氣進(jìn)入瓦斯抽采系統(tǒng)，降低瓦斯抽采系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛?，不利于瓦斯清潔利用?/p>

2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)大量的現(xiàn)場實(shí)測，當(dāng)鉆孔孔口防噴緩沖裝置內(nèi)抽放負(fù)壓保持在-0.4 kPa時(shí)，既能保證鉆孔內(nèi)的瓦斯涌出鉆孔后及時(shí)被瓦斯抽采系統(tǒng)抽走，又能保證煤渣、水不過多混入瓦斯抽放系統(tǒng)，以水汽狀態(tài)混入瓦斯抽采系統(tǒng)的水分液化后被抽采系統(tǒng)各級(jí)的自動(dòng)放水器排出，避免積水對(duì)抽采系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。該研究主要是通過監(jiān)測孔口防噴緩沖裝置內(nèi)部的負(fù)壓變化情況來及時(shí)調(diào)整抽采系統(tǒng)負(fù)壓控制閥門，當(dāng)大量瓦斯涌出鉆孔時(shí)，孔口防噴緩沖裝置內(nèi)部壓力升高，監(jiān)測傳感器按照設(shè)定程序開啟閥門，保證負(fù)壓為-0.4 kPa左右，避免瓦斯溢出孔口防噴緩沖裝置導(dǎo)致巷道瓦斯超限。

3 工程設(shè)計(jì)

該抽采鉆孔負(fù)壓智能化控制裝置主要包括：煤氣水分離裝置、集氣裝置和智能負(fù)壓控制系統(tǒng)3個(gè)部分。

3.1 裝置構(gòu)成

煤氣水分離裝置安裝在鉆孔孔口，前端和鉆孔孔口的法蘭盤連接，中部預(yù)留鉆桿通過位置，裝置內(nèi)部加設(shè)過濾煤渣的濾網(wǎng)，側(cè)面通過抽放管路與集氣裝置連接，下側(cè)留有煤渣和水排泄的出口。

集氣裝置主要包括集氣箱和二次除渣放水裝置，一側(cè)通過抽放管路與煤氣水分離裝置相連，另一側(cè)接入礦井抽采主管路系統(tǒng)。主要對(duì)煤氣水分離裝置涌出的瓦斯進(jìn)行抽采，并把跟隨瓦斯氣流一起涌入到抽采系統(tǒng)中的煤渣、水與瓦斯氣體進(jìn)行二次分離處理。

智能化抽采負(fù)壓控制系統(tǒng)主要由壓差傳感器，電控閘閥、可視化電控箱、電源以及連接線路等組成。在連接煤氣水分離裝置與集氣裝置的抽放管路上安裝一個(gè)電控閘閥，并且在煤氣水分離裝置上或者其與電控閘閥中部的預(yù)抽管路上安設(shè)一個(gè)壓差傳感器(該傳感器壓力值為預(yù)抽管路內(nèi)部與鉆場周圍的壓差，以下內(nèi)容提到的壓力值為此概念)。電控閘閥開啟到最大或者動(dòng)作受阻時(shí)有停止動(dòng)作的能力，避免燒壞電機(jī)，并在顯示器上顯示故障狀態(tài)。壓差傳感器和電控箱通過信號(hào)線路連接。電控箱與電源、電控閘閥通過電纜相連。電控箱包含啟動(dòng)(初始化)按鈕、關(guān)閉按鈕、預(yù)設(shè)工作壓力調(diào)整按鈕(上和下)，自動(dòng)和手動(dòng)換向桿(自動(dòng)模式下電源送電后該系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行初始化作業(yè)，無需人工干預(yù)；手動(dòng)模式下需要重新按下“啟動(dòng)”按鈕，確保設(shè)備再次進(jìn)行初始化作業(yè))，確認(rèn)和返回按鈕。整個(gè)系統(tǒng)(從監(jiān)測到壓力變化到主機(jī)計(jì)算，最后到閘閥開始動(dòng)作)的反應(yīng)時(shí)間小于10毫秒。另外考慮到氣流喘動(dòng)引起的壓力波動(dòng)，預(yù)設(shè)工作壓力在設(shè)置時(shí)包含2部分，即基礎(chǔ)值與波動(dòng)值，比如基礎(chǔ)值設(shè)置為-0.4 kPa，波動(dòng)值設(shè)置為±0.1 kPa，則預(yù)設(shè)的工作壓力為-0.3～-0.5 kPa。電控閘閥為DN100(也可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整)。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，可視化電控箱界面如圖2所示。

圖1 抽采鉆孔負(fù)壓智能化控制裝置Fig.1 Intelligent control device of negative pressure of extraction borehole

圖2 可視化電控箱界面Fig.2 Interface of visual electronic control box

3.2 各種工況設(shè)備的操作

初始化：電源送電后點(diǎn)擊電控箱“啟動(dòng)”按鈕進(jìn)行初始化作業(yè)，閘閥從當(dāng)前狀態(tài)關(guān)閉，然后再開啟至最大狀態(tài)，然后逐漸變小，直到壓力監(jiān)測設(shè)備反饋為預(yù)設(shè)工作壓力(預(yù)設(shè)工作壓力可以通過電控箱設(shè)置)后閘閥停止動(dòng)作，完成初始化作業(yè)。此動(dòng)作達(dá)到了檢測壓力傳感器是否正常，標(biāo)定閘閥角度，調(diào)整達(dá)到預(yù)設(shè)工作壓力時(shí)的閘閥角度3個(gè)目的。

正常打鉆狀態(tài)：在正常施工抽采鉆孔時(shí)，電控閘閥開啟，壓差傳感器監(jiān)測壓力為預(yù)設(shè)工作壓力(此處以預(yù)設(shè)工作壓力為-0.3～0.5 kPa為例，預(yù)設(shè)工作壓力可根據(jù)抽采系統(tǒng)的負(fù)壓與實(shí)際施工情況決定，并通過電控箱調(diào)整)。此時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)抽采鉆孔的邊打邊抽。

噴孔狀態(tài)：此時(shí)大量的瓦斯氣體通過鉆孔涌入抽放管路，導(dǎo)致抽放管路內(nèi)的壓力突然增大。當(dāng)壓力傳感器監(jiān)測到抽放管路壓力大于-0.3 kPa時(shí)，電控箱的控制裝置啟動(dòng)，控制電控閘閥逐漸增大，保證抽放管路的壓力恢復(fù)到-0.3～-0.5 kPa，從而避免煤氣水分離器內(nèi)的瓦斯泄露到巷道中。①噴孔結(jié)束或者噴孔強(qiáng)度減弱時(shí)，煤氣水分離裝置下側(cè)的抽放管路內(nèi)部壓力小于-0.5 kPa，并持續(xù)30 s時(shí)(默認(rèn)此時(shí)噴孔結(jié)束或者噴孔強(qiáng)度減弱)，電控箱控制減小電動(dòng)閥門開啟角度，確保抽放管路壓力恢復(fù)到-0.3～-0.5 kPa，以此循環(huán)直至穩(wěn)定；②噴孔強(qiáng)度突然變大時(shí)，煤氣水分離裝置下側(cè)的抽放管路內(nèi)部壓力大于-0.3 kPa，電控箱立即控制增加電動(dòng)閥門開啟角度，確保抽放管路壓力恢復(fù)到-0.3～-0.5 kPa，避免煤氣水分離裝置處的瓦斯泄露到巷道內(nèi)。

抽放主管路：當(dāng)抽放主管路負(fù)壓變大時(shí)(例如瓦斯抽采泵站頻率改變)，此時(shí)抽放管路內(nèi)壓力小于-0.5 kPa，并持續(xù)30 s時(shí)電控箱的控制裝置啟動(dòng)，逐漸減小電控閘閥開啟程度，保證工作壓力范圍為-0.3～-0.5 kPa，避免過多的水和空氣進(jìn)入抽采系統(tǒng)；當(dāng)抽放主管路負(fù)壓變小時(shí)，此時(shí)抽放管路內(nèi)壓力大于-0.3 kPa，電控箱的控制裝置立即啟動(dòng)，逐漸增加電控閘閥開啟程度，保證工作壓力范圍為-0.3～-0.5 kPa，避免煤氣水分離裝置處的瓦斯泄露到巷道內(nèi)。

電控閘閥：電控閘閥開啟角度在手動(dòng)模式或者斷電情況下可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，保證特殊情況下可以人工控制。

鉆場鉆孔施工完畢拆卸設(shè)備前點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕，閘閥關(guān)閉切斷負(fù)壓，然后將設(shè)備調(diào)為手動(dòng)擋，搬家過程中手動(dòng)模式下設(shè)備不會(huì)動(dòng)作，避免設(shè)備誤動(dòng)作導(dǎo)致?lián)p壞。再到新鉆場第1次使用時(shí)點(diǎn)擊“開始”按鈕調(diào)為自動(dòng)擋，通過此操作可以保證鉆場作業(yè)期間非正常停電后再次送電時(shí)該系統(tǒng)能夠不要人工干預(yù)就正常工作。

3.3 電控箱主要功能介紹

記錄提前預(yù)設(shè)的程序：包括顯示屏，能夠顯示壓力傳感器實(shí)時(shí)傳回的壓力值、預(yù)設(shè)的工作壓力、自動(dòng)或手動(dòng)模式、電控閘閥開啟百分比、故障提示；能夠調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)工作壓力，考慮到氣流喘動(dòng)引起的壓力波動(dòng)，預(yù)設(shè)工作壓力在設(shè)置時(shí)包含2部分，即基礎(chǔ)值與波動(dòng)值，比如基礎(chǔ)值設(shè)置為-0.4 kPa，波動(dòng)值設(shè)置為±0.1 kPa，則預(yù)設(shè)的工作壓力為-0.3～-0.5 kPa。操作區(qū)域功能包括啟動(dòng)、關(guān)閉、確認(rèn)、返回、上和下6個(gè)按鈕，自動(dòng)和手動(dòng)模式換向桿。

顯示屏：顯示壓力傳感器實(shí)時(shí)傳回的壓力值、預(yù)設(shè)的工作壓力、自動(dòng)或手動(dòng)模式、電控閘閥開啟百分比、故障提示。

啟動(dòng)、自動(dòng)檔按鈕：點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕后，系統(tǒng)開始初始化作業(yè)，閘閥從當(dāng)前狀態(tài)關(guān)閉，開啟至最大狀態(tài)，然后逐漸變小，直到壓力監(jiān)測設(shè)備反饋實(shí)時(shí)壓力為預(yù)設(shè)壓力(預(yù)設(shè)工作壓力可以根據(jù)各個(gè)礦井情況通過電控箱設(shè)置)閘閥停止動(dòng)作，完成初始化作業(yè)。設(shè)備初始化后調(diào)為自動(dòng)擋，通過此操作可以保證鉆場作業(yè)期間非正常停電后再次送電時(shí)該系統(tǒng)無需人工干預(yù)就能正常工作。

關(guān)閉、手動(dòng)擋按鈕：鉆場鉆孔施工完畢拆卸設(shè)備前點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕，閘閥切斷負(fù)壓，然后將設(shè)備調(diào)為手動(dòng)擋；此時(shí)設(shè)備閘閥不再根據(jù)壓差傳感器反饋而動(dòng)作，以免設(shè)備搬家時(shí)意外動(dòng)作導(dǎo)致設(shè)備損壞。

上、下按鈕：上、下按鈕可以在屏幕中上下選擇需要修改和查閱的項(xiàng)目，如果涉及調(diào)整數(shù)值大小時(shí)可以增加和減小數(shù)字。

確認(rèn)、返回按鈕：“確認(rèn)”按鈕可以進(jìn)入當(dāng)前處于選擇狀態(tài)的項(xiàng)目，以便進(jìn)行修改或者查閱等操作?！胺祷亍卑粹o用于修改操作完成后回到上一級(jí)菜單。

4 結(jié)論

(1)智能化控制鉆場抽采負(fù)壓防止瓦斯超限裝置中安設(shè)于煤氣水分離裝置或者抽放管路上的壓力傳感器為壓差傳感器，用于監(jiān)測管路內(nèi)部與巷道大氣壓力的壓差值，而不是采用普通的壓力傳感器，能夠增強(qiáng)該系統(tǒng)的適應(yīng)性和操作的便捷性，避免了針對(duì)各海拔高度礦井在不同氣壓條件再次調(diào)整壓力的弊端。

(2)智能化控制鉆場抽采負(fù)壓防止瓦斯超限的裝置彌補(bǔ)了目前常用方案的弊端，采用簡單的孔口煤氣水分離裝置，簡化了孔口裝置，并且通過壓力監(jiān)測來智能調(diào)節(jié)抽放負(fù)壓的大小，最大限度地減少了空氣的吸入，并且保證了鉆孔在各種瓦斯涌出狀態(tài)下瓦斯能被及時(shí)抽入瓦斯抽放系統(tǒng)，避免了人為手動(dòng)調(diào)整負(fù)壓閥門的不及時(shí)性和隨意性，提高了鉆場瓦斯管控的科學(xué)性和可靠性。對(duì)于后期采用瓦斯發(fā)電的礦井，減少空氣進(jìn)入瓦斯抽放系統(tǒng)有利于提高瓦斯抽放系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛龋軌蛱岣咄咚沟睦寐省?/p>

(3)該裝置增加了集氣裝置，包括集氣箱和自動(dòng)放水器2個(gè)部分，能夠第2次去除瓦斯氣流中的煤渣和水分，避免煤渣和水分影響瓦斯抽采系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4)智能化控制鉆場抽采負(fù)壓防止瓦斯超限的裝置能有效處理噴孔時(shí)產(chǎn)生的煤渣、水分和瓦斯，對(duì)于減少瓦斯超限事故、保障鉆孔施工人員安全、瓦斯的清潔利用具有重要意義。