溫壓惰氣增透瓦斯抽采系統技術探析

李 墨

(河南平寶煤業有限公司)

1 低透氣性煤層瓦斯抽采現狀

近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，開采條件越來越復雜，礦井瓦斯成為制約安全生產的關鍵問題。我國煤儲層構造復雜，滲透率普遍較低，許多高瓦斯煤層均屬于低透氣性煤層，且隨著煤礦開采深度的逐步加大、應力增高，煤層的透氣性系數進一步降低。在透氣性差的礦井進行未卸壓煤層瓦斯預抽，效果都不理想，因此，煤層卸壓增透技術顯得尤為必要［1］?，F階段，我國煤層卸壓瓦斯抽采技術主要有:保護層開采、水力壓裂、水力割縫和深孔爆破等，其優缺點見表1。

國內外在煤層瓦斯抽采理論和技術方面進行了相關研究，但針對松軟、低透、突出煤層，研究結果都存在一定的局限性。在高瓦斯松軟低透氣性煤層增透過程中，利用惰氣溫度和壓力的耦合作用，構建溫壓惰氣增透瓦斯抽采系統，是提高松軟低透煤層瓦斯抽采率的有效辦法。

表1 現有卸壓瓦斯抽采技術優缺點

2 煤層溫壓惰氣增透技術

根據松軟煤層遇水易泥化、瓦斯解吸困難、不利于瓦斯抽采和在松軟突出煤層高壓壓裂極易誘導突出的問題，且溫度自20℃升高到60℃，瓦斯的解吸速度可以增加1～2倍的特點，提出了具有“溫壓效應”的中溫中壓惰氣增透技術，即在工作面煤層中部布置增透孔，在以增透孔為中心的等邊三角形頂點上布置瓦斯抽采孔，逐一對增透孔注入溫壓惰性氣體。惰氣通過“水浴”升溫裝置，使其溫度升高到50～80℃，為瓦斯解吸提供動能，從而增高煤層瓦斯的解吸速度;再經過增壓設備，惰氣壓力增加到1.6～5 MPa，防止了壓裂增透過程中誘突現象出現。通過溫壓惰性氣體的“溫度+壓力”的耦合作用，惰性氣體壓開煤體小尺度裂隙，使煤體中原始閉合裂隙展開、擴展，且不誘導突出，加快瓦斯脫離煤體速度，使煤體中難以解吸的瓦斯轉化為游離瓦斯，便于瓦斯被大流量、快速抽采。增透介質為氣體，增透后氣體會通過裂隙通道排出煤體，不會堵塞瓦斯流動通道，為瓦斯抽采提供了條件。

2.1 溫壓惰氣增透研究思路

綜合運用礦山工程力學、巖石力學、傳熱學、采礦工程、災變學、流體力學和安全工程等多學科及其交叉前沿理論，采用理論研究、實驗室試驗、數值模擬、現場測試等多種方法，開展高瓦斯松軟低透氣性煤層增透影響區范圍的瓦斯解吸與流動規律的系統研究，解析溫壓惰氣增透技術的“溫壓效應”作用機制及提高抽采效率的作用原理，建立高瓦斯松軟低透氣性煤層整體增透的理論判據，為提高高瓦斯松軟低透氣性煤層瓦斯抽采效率，實現高瓦斯松軟低透氣性煤層的安全開采提供條件?？傮w研究思路如圖1所示。

2.2 溫壓惰氣增透技術關鍵點

2.2.1 惰氣氣源的選擇

圖1 溫壓惰氣增透技術研究思路

煤對氣體吸附能力由強到弱的順序是CO2＞CH4＞N2，CO2，注入煤層后，雖然可以大量地置換吸附游離狀態的CH4，但存在以下3個方面的不足:①CO2注入煤層后，吸附大量CO2的煤體具有更強的突出危險性;②CO2氣體進入抽采管路會影響煤層氣的純度;③CO2的制取成本較高。在具有煤自燃傾向性的礦井，能采用制氮機制氮。因此，從防誘突、瓦斯利用和注氣氣源獲取方面考慮，惰性氣體選用 N2比較合適［2］。

2.2.2 密封鉆孔蓄壓

密封鉆孔蓄壓是實施溫壓惰氣增透的基礎，只有鉆孔內惰氣壓力達到一定值，才能達到增透的目的。采用高壓注漿固孔，封孔深度20～30 m，封孔深度要保證在巷道松動圈以外。

2.2.3 惰氣升溫

煤礦井下氮氣升溫的前提是保證安全，升溫裝置要求具有防爆性。通過綜合考慮，決定采用“水浴”加熱方式，具有受熱均勻，容易控制溫度的優點;氮氣升溫設備由保溫層、溫度控制器、水層和電加熱器組成，保證了氮氣溫度能夠穩定在50～80℃。

2.2.4 惰氣增壓

氮氣增壓設備要求具有防爆性，且能有效控制壓力范圍。為了能實時監控進入鉆孔氮氣的溫度和流量，在增透孔入口處安裝了溫度計和流量計，在鉆孔內設有測壓裝置，實時觀測孔內壓力。其構建的系統如圖2所示。

圖2 溫壓惰氣增透系統

2.3 現場試驗

2.3.1 鉆孔布置

試驗過程分4組:增透孔孔深分別為35，55，75和95 m，對應抽采孔孔深為40，60，80和100 m(如圖3所示)。圖3中心為增透孔，當孔深為35和55 m時，直徑42 mm，封孔深度8 m;當孔深為75 m和95 m時，直徑為75 mm，封孔深度8 m。周圍布置8個抽采孔，直徑75 mm，封孔深度6 m，聚氨酯封孔，其中1-1和1-2的抽采孔距增透孔50 cm;2-1和2-2的抽采孔距增透孔100 cm;3-1和3-2的抽采孔距增透孔150 cm;4-1和4-2的抽采孔距增透孔200 cm。間距變化布置有助于確定增透孔的影響范圍，以指導下一步溫壓惰氣增透的增透孔和抽采孔布置。

圖3 鉆孔布置(單位:cm)

2.3.2 試驗要求及安全措施

①增透前要檢查系統的氣密性和抗壓性，防止漏氣和不安全因素出現;②增透前抽采孔必須密封完畢;③密封后開始注氣，注氣壓力由小到大逐漸增加，直到目標壓力，注氣過程中密切關注有無異?，F象(突出預兆);④增透結束后拆除增透系統，增透孔按抽采孔要求進行封孔抽采瓦斯;⑤每班測定增透孔和抽采孔的瓦斯流量和濃度，并詳細記錄測定時間。

2.3.3 溫壓惰氣增透試驗

系統連接后，打開制氮機，保持連續制氮;體積分數達到97%的氮氣進入“水浴”增溫裝置，氮氣溫度上升到50～80℃，中溫氮氣進入氮氣增壓機，壓力達1.6～5.0 MPa;通過溫度計測量氣體溫度，流量計測量進入鉆孔的氮氣流量，進入鉆孔的氮氣對煤體進行增透，表2為數據記錄表。

表2 溫壓惰氣增透記錄表

2.4 現場試驗效果考察

采用CJZ70瓦斯抽放綜合參數測定儀，對單孔瓦斯抽采流量和濃度進行考察，見圖4。

圖4 CJZ70瓦斯抽放綜合參數測定儀

3 增透設備

3.1 升溫設備

通過綜合考慮，決定采用“水浴”加熱的方式，具有受熱均勻，容易控制溫度;水浴升溫設備設計為圓柱形，左面為入氣口，右邊為出氣口，中間留有自由空間，以保證進、出氣溫度均勻;采用浸入式電加熱器，時刻維持“水浴”的溫度，插入水浴部分產生的熱能100%的傳遞給水介質，熱效率極高，電氣接線部分設計為隔爆結構，可在Ⅰ區、Ⅱ區爆炸性氣體場所安全工作。溫度控制器通過熱電偶傳感控制水浴的溫度，保證氣體溫度在要求范圍內;保溫層使設備內氣體處于良好的蓄熱環境，且防止現場人員被升溫設備燙傷。設計原理如圖5。

圖5 升溫設備加熱原理

3.2 增壓設備

氣驅增壓泵采用大直徑氣體驅動活塞與小直徑加壓活塞連接在一起，利用兩個活塞的面積比產生壓力比，通過壓力比可以計算出最大輸出壓力。增壓設備設計為單級增壓，增壓動力為氣體，防爆。為達到所需壓力氣體，輸入氣壓需要一定程度的預增，因達到的最大壓力不同而開發出5種不同增壓比設備，見表3。工作時，驅動活塞向高壓柱塞端反向運動時，入口處的單向閥打開，出口處單向閥關閉，將介質吸入泵內。當活塞反向運動時，在介質一側會形成一定壓力，壓力會將進口單向閥關閉，出口處單向閥打開，將高壓介質輸出。增壓泵通過一個兩位四通氣控滑閥和一個兩位兩通先導閥，實現連續運行，兩位兩通先導閥控制滑閥。先導閥由空氣驅動的活塞來控制，先導閥不斷的填充和排空氣控滑閥室，使驅動氣體交替作用于活塞的底部表面和頂部表面，從而實現了泵的連續工作。圖6為增壓設備示意圖［3］。

表3 增壓設備型號及性能

4 結語

我國松軟低透氣性煤層比例高，現場抽放效率一直處于較低水平，因此打破傳統思路，采取新技術，變瓦斯低效抽放為高效抽采，不僅可大大減少工程質量，還能及早降低煤層瓦斯含量，在保障安全生產的同時，將創造顯著的經濟和社會效益。

圖6 增壓設備示意

［1］ 余長林.提高低透氣性煤層鉆孔抽放瓦斯量的途徑［J］.煤礦安全，1999(5):35-36.

［2］ 唐書恒，郝多虎，湯達禎.煤對二元氣體等溫吸附過程中的組分分餾效應［J］.科學通報，2004(S1):64-69.

［3］ 高黎明，郝福利.氮氣增壓設備故障維修［J］.設備管理與維修，2010(11):15-16.