一種全自動煤層氣穩(wěn)壓排采裝置的設計應用

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1 煤層氣開發(fā)利用的現(xiàn)狀分析

煤層氣俗稱“瓦斯”，熱值是通用煤的2-5倍，且燃燒后潔凈，幾乎不產生任何廢氣，可用于工業(yè)、發(fā)電和居民生活燃料。賀文陽[1]在進行煤炭開采時，如果部對其進行控制處理，當瓦斯超標時會發(fā)生瓦斯事故，對工作人員的生命安全和煤炭企業(yè)經(jīng)濟造成威脅。為消除煤與瓦斯突出隱患，礦井通常采用在煤層中打鉆孔預抽瓦斯[2]，煤礦瓦斯爆炸率將降低70%到85%。

以往在煤炭開采過程中多運用邊挖煤邊抽采瓦斯的方式，或開采一段距離后等瓦斯擴散完畢，抽采設備將擴散到礦井中的瓦斯抽盡后再開采的方法。這種方式容易導致短時間抽取不及時導致瓦斯超限，造成人員中毒窒息或遇火爆炸的危險。陳久福[3]等利用分離技術對氣體中的煤塵與瓦斯進行了分離治理，但仍然難以治理煤層氣開采中瓦斯中含有的三種形態(tài)的氣、水、渣。

2 全自動煤層氣穩(wěn)壓排采裝置的設計思路

現(xiàn)在開采煤炭過程多采用鉆探負壓抽采方式，即用鉆機在煤層中鉆孔用于安裝管道，抽采煤層中的瓦斯氣體，瓦斯抽盡后再開采煤層的方法。但是煤層氣在開采時，其流量極為不穩(wěn)定，對開采設備與收集、分離設備的沖擊較大，容易發(fā)生設備損壞，造成安全事故等問題。對此開發(fā)研究的排采裝置能夠對開采出的煤層氣進行緩沖與壓力自調節(jié)，使煤層氣的流量更平穩(wěn)，減少對設備的沖擊，減少安全事故的發(fā)生概率，能夠自動泄放氣水渣，節(jié)省了人力。

3 裝置結構及工作原理

全自動煤層氣穩(wěn)壓排采裝置，包括設備本體、自控系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。設備本體包括采油樹、緩沖罐、分離罐、瓦斯和水綜合記錄儀、連接管路。自控系統(tǒng)包括傳感器、控制器、執(zhí)行器、自力式調節(jié)閥、顯示器等。監(jiān)控系統(tǒng)包括現(xiàn)場防爆聲像采集儀、傳輸系統(tǒng)和顯示器。

本排采裝置，采油樹的輸出口、緩沖罐、自力式調節(jié)閥與分離罐依次通過管道串連。通過串接緩沖罐，可以對流量不穩(wěn)的煤層氣開采進行緩沖，達到削峰填谷的效果，減少煤層氣對設備的沖擊。通過串接自力式調節(jié)閥，可以根據(jù)輸送管道內的壓力自行調節(jié)閥門的開閉程度，從而對管道內的壓力進行調節(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)壓的效果。采油樹的每個輸入、輸出口均法蘭連接閥門。采油樹的至少一個輸入端連接排采氣管道，若排采管道具有多個，也可根據(jù)流量計算，在不超過本裝置最大承載流量的前提下，在采油樹上連接多個排采管道，從而通過一套設備完成多組煤層氣開采管道的煤層氣開采。所述采油樹相當于一個大多通接頭，對若干的排采管道進行匯集。

緩沖罐輸入端、自力式調節(jié)閥輸入端與輸出端、分離罐均安裝壓力傳感器，可以觀察采集各位置壓力值。分離罐用于對煤層氣排采的氣水渣混合體進行三相分離。

分離罐為本裝置的核心配件，其上部設粉塵捕捉網(wǎng)，中部設分離傘，中上部設、頂部、底部、腰部分別設具有遠程開關功能的混合氣進氣口、排氣口、排渣口和排水口。

排氣口串接瓦斯綜合記錄儀，可以對煤層氣的開采量進行統(tǒng)計與記錄，為后續(xù)煤層氣的凈化與后續(xù)開采提供數(shù)據(jù)參考。

排水口串聯(lián)數(shù)采液體流量計，對排采出的水進行流量記錄，為后續(xù)的煤層氣排采、煤炭挖掘提供數(shù)據(jù)參考。

排水口上設置具有閥門的水樣取樣口，可以對液體輸出通道的液體進行成分分析，從而為煤層氣的后續(xù)排采提供參考。

自控系統(tǒng)由壓力、液位等傳感器采集信號值后傳輸給控制器，控制器做出相應指令，控制各排氣、排水、排渣閥門開啟與開度。

監(jiān)控系統(tǒng)將現(xiàn)場聲像資料傳至控制室進行保存，便于技術人員后期對資料進行分析。

全部配件置于鋼制撬塊上，整體安裝試壓，底部設叉車口便于運輸。井下安裝完畢后只需對設備前后密封面進行密閉性試驗，無需對設備進行二次密閉性試驗。

圖1 全自動煤層氣穩(wěn)壓排采裝置示意圖

4 現(xiàn)場試驗及效果分析

該全自動煤層氣穩(wěn)壓排采裝置加工完成后在山西省忻州市保德縣保德煤礦進行現(xiàn)場組裝試驗。經(jīng)現(xiàn)場技術人員對各數(shù)據(jù)進行采集分析后，能夠對瓦斯氣中三種形態(tài)的氣、水、渣進行有效分離。其中瓦斯排放采樣分析表面，氣體潔凈度完全符合民用及發(fā)電設備使用。

5 特點和結論

煤層氣的開發(fā)利用具有一舉多得的功效：潔凈能源，商業(yè)化能產生巨大的經(jīng)濟效益。本裝置通過緩沖裝置與自力式壓力調節(jié)閥配合，可以對開采的煤層氣進行緩沖與穩(wěn)壓調節(jié)，減少煤層氣因為流量不穩(wěn)定對設備造成的沖擊，減少設備被沖擊損壞的概率，減少安全事故的發(fā)生。