煤礦采動區煤層氣井地面抽采設備體系成套化研究

何慶宏 趙祉友

(1.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 048000；2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 048000；3.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西 048000)

煤礦采動區煤層氣井地面抽采設備體系成套化研究

何慶宏1,2趙祉友3

(1.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 048000；2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 048000；3.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西 048000)

地面鉆井抽采煤礦采動區和采空區瓦斯是近年來逐步發展起來的瓦斯抽采新技術，是快速降低煤礦瓦斯最直接有效的途徑。針對目前抽采現場受道路、場地等因素制約、在運輸、安裝等方面存在困難以及現場設備布置分散、不利管理和維護等問題，提出設備成套化的理論體系。該體系主要有真空泵、發電機、循環水箱、防火防爆等設備，所有設備撬裝組合成一體式抽采設備，在有效解決以上問題的同時還具有對地形適應性強、占地面積小、減少設備安裝及回收時間，提高工作效率、節約設備運輸、安裝及回收成本等優勢，便于現場操作與管理。

煤礦采動區 煤層氣 抽采設備 設備成套化

地面采動區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。該技術在地面施工，在采區回采前便可完成，不影響煤炭回采，可連續進行采動影響區抽采和采動穩定區(采空區)抽采，從而可實現對煤層瓦斯的全過程抽采和控制。地面鉆井抽采采動影響/穩定區域瓦斯技術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影響產生的卸壓瓦斯，以及遺留煤體和采空區殘留瓦斯。針對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區和采空區瓦斯。實踐表明，鉆井的合理位置、穩定性和抽采負壓是影響抽采效果的主要因素。煤礦采動區井煤層氣抽采設備的選擇一般是根據單井最大氣產量來確定，其主要設備包括：井口設備、壓縮機或真空泵、氣水分離器、計量系統、監控系統、氣體輸送管線和壓縮站等。

目前國內在采動區井地面布井、井身結構優化和抽采效果評估等方面已做過不少研究，但地面安全抽采研究較少。晉城礦區是我國能源生產的重要基地，中煤科工集團重慶研究院借助國家科技重大專項在晉城礦區研究采動區井抽采技術多年，但采動區地面井抽采尚有一些技術問題亟待完善，如提高防止地面井損毀的技術可靠性、解決山區地面井施工的問題等。結合煤礦采動影響，地面井布井、鉆完井、防護、排采技術等均需要進行精細研究和試驗探索。

根據晉城礦區采動區井現狀設計出配套的設備，再進行流程設計及組裝設計，最終總結出一套設備成套化設計方案。該技術已申請專利《一種煤礦采動區地面井集成式抽采系統》，有效解決了煤礦地形條件復雜或距離間隔較遠時，不宜采用鋪設管道的方法進行抽采的問題。

1 采動區井概述

地面鉆井抽采煤礦采動區和采空區瓦斯是近年來逐步發展起來的瓦斯抽采新技術，是一種通過在采場地表施工垂直鉆井到煤層采動可能形成的覆巖裂隙帶或煤層內，通過預裂或者采動影響增強煤層的透氣性，從而使得瓦斯能夠盡可能多地經由煤巖體的裂隙網絡通道和鉆孔直接抽采到地表，以達到降低回采工作面瓦斯涌出量，緩解瓦斯超限壓力和開發煤層氣的目的。地面采動區井一般均可做到采動影響區井(采動井)抽采和采動穩定區井(采空井)抽采，“一井兩用”；采動影響區抽采主要是利用回采工作面對煤巖體擾動提高其透氣性的特點增強瓦斯抽采率、緩解通風壓力；采動穩定區抽采方案主要是降低回采工作面推過后采空區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。該方法是提前將預采高瓦斯煤層中的瓦斯進行釋放并加以利用，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 現場條件

一般煤礦井下瓦斯抽采有2種方式，一是從井下泵站進行瓦斯抽采，再集輸至地面儲氣罐；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域。地面采動區井也可從地面鉆井，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區井之間的位置有很大關系。若距離太遠，則需要鋪設較長管道，經濟可行性不高。因此，對一些偏遠地區，或者交通、道路、供電等輔助工程尚不完善的地區，對采動區井抽采設備就有了更高的要求。而往往煤礦采動區井都位于這樣的地方，目前一般都采用真空泵負壓抽采，需要較多零碎的配套設備，抽采現場還存在受道路、場地、時間等因素制約，在運輸、安裝等方面都存在很大困難，井場設備安裝和回收過程繁瑣、耗時、費力，現場設備擺放分散、雜亂，不利于管理和維護。

1.2 存在問題

(1)運輸困難。由于采動區井大多位置偏遠，多位于山區，交通不便，且地面易受采動影響遭受破壞，對于人員看守、消耗品運輸等方面存在著諸多不便，對于大型設備，如發電機，還需要雇傭專門吊車進行搬運，同時設備運輸的安全性得不到保障，耗時耗工。

(2)安裝費時。目前采動區井所有抽采設備零散，需要現場臨時安裝，費工費時，往往造成有些井還來不及安排抽采，井下工作面就已經掘進過了鉆孔位置，造成很大的浪費，所以采動區井對于設備安裝有著很強的時間要求。

(3)回收不易。對于安裝后的單個設備回收，需要逐個拆卸，再重新搬運、安裝。反復拆卸與安裝，需要耗費大量的時間、精力和物力，且對設備耗損大，部分設備長期擱置，將導致精密儀器失準，重復使用率會大幅降低。

2 抽采設備集成設計

為提高采動區井抽采設備運輸、安裝和回收效率，簡化施工環節，節省人力物力，增加設備二次利用，需研究采動區井集成式、撬裝化抽采設備。

2.1 抽采設備

采動區煤層氣井抽采的主要設備包括：水環真空泵、泄爆器、防回火器、氣水分離器、放空器、循環水箱、循環水泵、發電機、分流管路系統等。為了對地面煤層氣抽采過程中的安全性和抽采效率進行實時監控，對抽采狀態進行跟蹤和有效控制，需要在抽采管路上安設一系列監控設備，主要有孔板流量計、GD4型瓦斯抽放多參數傳感器、氧氣傳感器、CO傳感器、監控分站和直流穩壓電源等。

2.2 設備組裝

根據晉城礦區采動區井現狀，設計出符合要求的抽采設備進行搭配，采用撬裝的方式，將所有設備組裝在一起。主要設備有泄爆器與防回火裝置、真空泵、氣水分離器、放空管、發電機、柴油桶、高低位水箱、監測設備等，以及各種連接的管材，通過合理布局整體焊接，實現設備集成一體化。所有設備均采用防爆式，鋼制管材均為無縫鋼管。撬裝式抽采設備可裝至行走車上，也可運至現場后卸下另行固定，以下以撬裝式抽采設備裝至行走車上為例進行說明。

抽出氣體從井口經過阻燃裝置被吸入真空泵，經過參數監測設備后通過阻燃裝置進入放空管或集輸管。為了調整抽放負壓，在真空泵兩端設計調整分流管路。經過對各單件設備尺寸、運輸車輛尺寸進行測量(8.6m×2.5m)，規劃出合理的撬裝體內部布局，提高運輸效率，減小安裝空間。

(1)水環真空泵、氣水分離器之間通過無縫鋼管連接，水環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監測監控儀器，氣水分離器出口管線連接有放空管或集輸管(放空管在現場采用管道聯接，與抽采設備保持安全距離)，并安裝避雷針，氣水分離器內設有氧氣傳感器。

(2)金屬波紋管的兩連接端處均安裝有閥門。多參數監測監控儀器與水環真空泵之間、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型直聯真空泵，其長×寬×高為3050mm×660mm×1400mm，柴油發電機功率為120kW，其長×寬×高為2800mm×1050mm×1550mm，設計撬裝式整體結構是長×寬×高為7m×3m×2.5m，在整體布局緊湊，且所有設備能完全放置，設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。水環真空泵的兩連接端并聯有分流系統，分流系統的管路上安裝有閥門。

(4)采用2臺發電機并聯為發電機組，一開一備，均采用配電箱控制，放置2個柴油桶存放燃料，每個容量為700L，連續運行時，每桶油可用約24h；在進線電路配電箱和電動機之間安裝自耦降壓啟動柜，降低發電機啟動電流；柴油桶與發電機組連接，發電機組與配電箱連接，配電箱與水環真空泵連接。

(5)低位水箱長×寬×高為3m×2m×2m，總體積12m3，高位水箱長×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，由此高差產生壓力，從而使真空泵產生負壓，根據真空泵的水量消耗預測，潛水泵排量大致定為1m3/h，潛水泵的動力系統由發電機組提供。

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

(7)撬裝式左右兩側可采用推拉門設計，可有效阻隔噪聲，各自對半分開，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監測儀器數據，以及控制真空泵閥門；也可不設置門，直接敞開，便于通風散熱。

(8)多參數監測監控儀器能夠連接電腦，可直接對監測數據進行讀取、存儲，便于一次性提取數據，也可時時進行監控，方便管理，安全性更高。

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

2.3 注意細節

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備應大于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，上部安設減震墊；

泄爆器與水環真空泵之間的管路按0.5°/m的斜度安設；氣水分離器與放空管之間的管路按0.5°/m的斜度安設；管道上的2個放水龍頭安設在管道正下方；各參數監測孔應按照監測要求規格焊接在管路上；此撬裝式組裝在局部連接時需根據實際具體情況進行調整。

3 設備優勢分析

(1)本撬裝式抽采設備裝置行走車上，能集運輸、抽采、供電、居住等功能為一體，結構緊湊，能有效適用于地形條件復雜或間隔距離遠的地形。

(2)所有設備撬裝組合在一起，實現采動區井穩定連續運行，并節約設備運輸、安裝及回收成本。

(3)減少設備安裝及回收時間，安裝時間由原來的7 d變成1～2 d，增加采動區井有效抽采時間；減少設備占地面積，由原來各設備單獨雜亂放置，變成設備撬裝一體化，方便現場操作與管理。

[1] 孫海濤.采動影響下地面鉆井的變形破壞機理研究[D].重慶:重慶大學,2011.

[2] 張軍,孫東玲,黃旭超,等.地面鉆井抽放采動區域瓦斯技術的試驗研究[J].礦業安全與環保,2007,34(1):1-5.

[3] 周楊洲.地面鉆井抽采瓦斯技術研究[J].煤炭技術,2013(4): 89-91.

[4] 張遂安,李艷紅.煤礦采動區井煤層氣排采技術[J].中國煤層氣,1998,2:70-72.

[5] 都新建,田永東,趙小山,等.晉城礦區采動影響區地面抽采技術[A]. 葉建平,傅小康,李五忠. 中國煤層氣技術進展—2011年煤層氣學術研討會論文集[C]. 北京:地質出版社,2011:420-433.

[6] 王洋,白建平,趙小山.晉城礦區單一厚煤層開采條件下地面采動井抽采工藝及效果分析[J].中國煤層氣, 2015, 12(4):23-27.

[7] 胡千庭,陳金華,杜子健.我國煤礦采動區地面鉆井煤層氣開發關鍵技術分析[A].國際煤層氣研討會, 2010.

[8] 孫海濤.成莊煤礦采空區煤層氣地面井抽采試驗[J].礦業安全與環保,2014,41(1):1-3.

[9] 文光才,孫海濤.煤礦采動區地面井瓦斯抽采技術[J].煤礦安全,2015, 46(z1):26-30.

[10] 李日富,文光才,司鵠.晉城礦區采動區煤層氣地面井抽采技術試驗[J].煤礦安全,2012, 8:11-14.

[11] 李日富.采動影響穩定區煤層氣儲層及資源量評估技術的研究與應用[D].重慶:重慶大學,2014.

[12] 孫東玲,孫海濤.煤礦采動區地面井瓦斯抽采技術及其應用前景分析[J].煤炭科學技術, 2014(6):49-52.

[13] 申寶宏,劉見中,雷毅.我國煤礦區煤層氣開發利用技術現狀及展望[J].煤炭科學技術, 2015,43(2):1-4.

[14] 山西藍焰煤層氣集團有限責任公司.一種煤礦采動區地面井集成式抽采系統[P].中國專利：201420382724.2,2015.01.07.

[15] 山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司.一種煤礦采動區地面井集成式抽采系統[P].中國專利：201410329635.6,2016.02.10.

(責任編輯 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

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05063)、山西省科技重大專項資助項目(20111101001)和山西省煤基重點科技攻關資助項目(MQ2014-13)。

何慶宏，男，助理工程師，工程碩士，現從事煤層氣開發工作。