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1 煤層氣開(kāi)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(chǎn)生任何廢氣，可用于工業(yè)、發(fā)電和居民生活燃料。賀文陽(yáng)[1]在進(jìn)行煤炭開(kāi)采時(shí)，如果部對(duì)其進(jìn)行控制處理，當(dāng)瓦斯超標(biāo)時(shí)會(huì)發(fā)生瓦斯事故，對(duì)工作人員的生命安全和煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)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(yù)抽瓦斯[2]，煤礦瓦斯爆炸率將降低70%到85%。

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

2 全自動(dòng)煤層氣穩(wěn)壓排采裝置的設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)在開(kāi)采煤炭過(guò)程多采用鉆探負(fù)壓抽采方式，即用鉆機(jī)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(kāi)采煤層的方法。但是煤層氣在開(kāi)采時(shí)，其流量極為不穩(wěn)定，對(duì)開(kāi)采設(shè)備與收集、分離設(shè)備的沖擊較大，容易發(fā)生設(shè)備損壞，造成安全事故等問(wèn)題。對(duì)此開(kāi)發(fā)研究的排采裝置能夠?qū)﹂_(kāi)采出的煤層氣進(jìn)行緩沖與壓力自調(diào)節(jié)，使煤層氣的流量更平穩(wěn)，減少對(duì)設(shè)備的沖擊，減少安全事故的發(fā)生概率，能夠自動(dòng)泄放氣水渣，節(jié)省了人力。

3 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

全自動(dòng)煤層氣穩(wěn)壓排采裝置，包括設(shè)備本體、自控系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)備本體包括采油樹(shù)、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(diào)節(jié)閥、顯示器等。監(jiān)控系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)防爆聲像采集儀、傳輸系統(tǒng)和顯示器。

本排采裝置，采油樹(shù)的輸出口、緩沖罐、自力式調(diào)節(jié)閥與分離罐依次通過(guò)管道串連。通過(guò)串接緩沖罐，可以對(duì)流量不穩(wěn)的煤層氣開(kāi)采進(jìn)行緩沖，達(dá)到削峰填谷的效果，減少煤層氣對(duì)設(shè)備的沖擊。通過(guò)串接自力式調(diào)節(jié)閥，可以根據(jù)輸送管道內(nèi)的壓力自行調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)閉程度，從而對(duì)管道內(nèi)的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的效果。采油樹(shù)的每個(gè)輸入、輸出口均法蘭連接閥門(mén)。采油樹(shù)的至少一個(gè)輸入端連接排采氣管道，若排采管道具有多個(gè)，也可根據(jù)流量計(jì)算，在不超過(guò)本裝置最大承載流量的前提下，在采油樹(shù)上連接多個(gè)排采管道，從而通過(guò)一套設(shè)備完成多組煤層氣開(kāi)采管道的煤層氣開(kāi)采。所述采油樹(shù)相當(dāng)于一個(gè)大多通接頭，對(duì)若干的排采管道進(jìn)行匯集。

緩沖罐輸入端、自力式調(diào)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(duì)煤層氣排采的氣水渣混合體進(jìn)行三相分離。

分離罐為本裝置的核心配件，其上部設(shè)粉塵捕捉網(wǎng)，中部設(shè)分離傘，中上部設(shè)、頂部、底部、腰部分別設(shè)具有遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)功能的混合氣進(jìn)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(duì)煤層氣的開(kāi)采量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與記錄，為后續(xù)煤層氣的凈化與后續(xù)開(kāi)采提供數(shù)據(jù)參考。

排水口串聯(lián)數(shù)采液體流量計(jì)，對(duì)排采出的水進(jìn)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(shè)置具有閥門(mén)的水樣取樣口，可以對(duì)液體輸出通道的液體進(jìn)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(hào)值后傳輸給控制器，控制器做出相應(yīng)指令，控制各排氣、排水、排渣閥門(mén)開(kāi)啟與開(kāi)度。

監(jiān)控系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)聲像資料傳至控制室進(jìn)行保存，便于技術(shù)人員后期對(duì)資料進(jìn)行分析。

全部配件置于鋼制撬塊上，整體安裝試壓，底部設(shè)叉車口便于運(yùn)輸。井下安裝完畢后只需對(duì)設(shè)備前后密封面進(jìn)行密閉性試驗(yàn)，無(wú)需對(duì)設(shè)備進(jìn)行二次密閉性試驗(yàn)。

圖1 全自動(dòng)煤層氣穩(wěn)壓排采裝置示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果分析

該全自動(dòng)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝試驗(yàn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析后，能夠?qū)ν咚箽庵腥N形態(tài)的氣、水、渣進(jìn)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(shè)備使用。

5 特點(diǎn)和結(jié)論

煤層氣的開(kāi)發(fā)利用具有一舉多得的功效：潔凈能源，商業(yè)化能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本裝置通過(guò)緩沖裝置與自力式壓力調(diào)節(jié)閥配合，可以對(duì)開(kāi)采的煤層氣進(jìn)行緩沖與穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，減少煤層氣因?yàn)榱髁坎环€(wěn)定對(duì)設(shè)備造成的沖擊，減少設(shè)備被沖擊損壞的概率，減少安全事故的發(fā)生。