煤矿采动区煤层气井地面抽采设备体系成套化研究

何庆宏 赵祉友

(1.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 048000；2.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 048000；3.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 048000)

煤矿采动区煤层气井地面抽采设备体系成套化研究

何庆宏1,2赵祉友3

(1.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 048000；2.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 048000；3.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 048000)

地面钻井抽采煤矿采动区和采空区瓦斯是近年来逐步发展起来的瓦斯抽采新技术，是快速降低煤矿瓦斯最直接有效的途径。针对目前抽采现场受道路、场地等因素制约、在运输、安装等方面存在困难以及现场设备布置分散、不利管理和维护等问题，提出设备成套化的理论体系。该体系主要有真空泵、发电机、循环水箱、防火防爆等设备，所有设备撬装组合成一体式抽采设备，在有效解决以上问题的同时还具有对地形适应性强、占地面积小、减少设备安装及回收时间，提高工作效率、节约设备运输、安装及回收成本等优势，便于现场操作与管理。

煤矿采动区 煤层气 抽采设备 设备成套化

地面采动区井抽采是一种快速抽采瓦斯、解决煤矿井下瓦斯超限难题的新方法。该技术在地面施工，在采区回采前便可完成，不影响煤炭回采，可连续进行采动影响区抽采和采动稳定区(采空区)抽采，从而可实现对煤层瓦斯的全过程抽采和控制。地面钻井抽采采动影响/稳定区域瓦斯技术是从地面施工钻井至开采煤层，通过地面泵站抽采本煤层和邻近煤层受采动影响产生的卸压瓦斯，以及遗留煤体和采空区残留瓦斯。针对矿井瓦斯综合治理总体要求，在采煤工作面合理位置布置地面井用于抽采采动区和采空区瓦斯。实践表明，钻井的合理位置、稳定性和抽采负压是影响抽采效果的主要因素。煤矿采动区井煤层气抽采设备的选择一般是根据单井最大气产量来确定，其主要设备包括：井口设备、压缩机或真空泵、气水分离器、计量系统、监控系统、气体输送管线和压缩站等。

目前国内在采动区井地面布井、井身结构优化和抽采效果评估等方面已做过不少研究，但地面安全抽采研究较少。晋城矿区是我国能源生产的重要基地，中煤科工集团重庆研究院借助国家科技重大专项在晋城矿区研究采动区井抽采技术多年，但采动区地面井抽采尚有一些技术问题亟待完善，如提高防止地面井损毁的技术可靠性、解决山区地面井施工的问题等。结合煤矿采动影响，地面井布井、钻完井、防护、排采技术等均需要进行精细研究和试验探索。

根据晋城矿区采动区井现状设计出配套的设备，再进行流程设计及组装设计，最终总结出一套设备成套化设计方案。该技术已申请专利《一种煤矿采动区地面井集成式抽采系统》，有效解决了煤矿地形条件复杂或距离间隔较远时，不宜采用铺设管道的方法进行抽采的问题。

1 采动区井概述

地面钻井抽采煤矿采动区和采空区瓦斯是近年来逐步发展起来的瓦斯抽采新技术，是一种通过在采场地表施工垂直钻井到煤层采动可能形成的覆岩裂隙带或煤层内，通过预裂或者采动影响增强煤层的透气性，从而使得瓦斯能够尽可能多地经由煤岩体的裂隙网络通道和钻孔直接抽采到地表，以达到降低回采工作面瓦斯涌出量，缓解瓦斯超限压力和开发煤层气的目的。地面采动区井一般均可做到采动影响区井(采动井)抽采和采动稳定区井(采空井)抽采，“一井两用”；采动影响区抽采主要是利用回采工作面对煤岩体扰动提高其透气性的特点增强瓦斯抽采率、缓解通风压力；采动稳定区抽采方案主要是降低回采工作面推过后采空区瓦斯向回采工作面涌出的量，解决回采工作面瓦斯超限的难题。该方法是提前将预采高瓦斯煤层中的瓦斯进行释放并加以利用，降低煤层中的瓦斯含量，从根本上解决工作面瓦斯事故。

1.1 现场条件

一般煤矿井下瓦斯抽采有2种方式，一是从井下泵站进行瓦斯抽采，再集输至地面储气罐；二是从煤矿地面抽放泵站抽放，直接连接至井下瓦斯抽放区域。地面采动区井也可从地面钻井，通过管道连接至煤矿抽放泵站，并且可以集成片管理，但是这与地面泵站和采动区井之间的位置有很大关系。若距离太远，则需要铺设较长管道，经济可行性不高。因此，对一些偏远地区，或者交通、道路、供电等辅助工程尚不完善的地区，对采动区井抽采设备就有了更高的要求。而往往煤矿采动区井都位于这样的地方，目前一般都采用真空泵负压抽采，需要较多零碎的配套设备，抽采现场还存在受道路、场地、时间等因素制约，在运输、安装等方面都存在很大困难，井场设备安装和回收过程繁琐、耗时、费力，现场设备摆放分散、杂乱，不利于管理和维护。

1.2 存在问题

(1)运输困难。由于采动区井大多位置偏远，多位于山区，交通不便，且地面易受采动影响遭受破坏，对于人员看守、消耗品运输等方面存在着诸多不便，对于大型设备，如发电机，还需要雇佣专门吊车进行搬运，同时设备运输的安全性得不到保障，耗时耗工。

(2)安装费时。目前采动区井所有抽采设备零散，需要现场临时安装，费工费时，往往造成有些井还来不及安排抽采，井下工作面就已经掘进过了钻孔位置，造成很大的浪费，所以采动区井对于设备安装有着很强的时间要求。

(3)回收不易。对于安装后的单个设备回收，需要逐个拆卸，再重新搬运、安装。反复拆卸与安装，需要耗费大量的时间、精力和物力，且对设备耗损大，部分设备长期搁置，将导致精密仪器失准，重复使用率会大幅降低。

2 抽采设备集成设计

为提高采动区井抽采设备运输、安装和回收效率，简化施工环节，节省人力物力，增加设备二次利用，需研究采动区井集成式、撬装化抽采设备。

2.1 抽采设备

采动区煤层气井抽采的主要设备包括：水环真空泵、泄爆器、防回火器、气水分离器、放空器、循环水箱、循环水泵、发电机、分流管路系统等。为了对地面煤层气抽采过程中的安全性和抽采效率进行实时监控，对抽采状态进行跟踪和有效控制，需要在抽采管路上安设一系列监控设备，主要有孔板流量计、GD4型瓦斯抽放多参数传感器、氧气传感器、CO传感器、监控分站和直流稳压电源等。

2.2 设备组装

根据晋城矿区采动区井现状，设计出符合要求的抽采设备进行搭配，采用撬装的方式，将所有设备组装在一起。主要设备有泄爆器与防回火装置、真空泵、气水分离器、放空管、发电机、柴油桶、高低位水箱、监测设备等，以及各种连接的管材，通过合理布局整体焊接，实现设备集成一体化。所有设备均采用防爆式，钢制管材均为无缝钢管。撬装式抽采设备可装至行走车上，也可运至现场后卸下另行固定，以下以撬装式抽采设备装至行走车上为例进行说明。

抽出气体从井口经过阻燃装置被吸入真空泵，经过参数监测设备后通过阻燃装置进入放空管或集输管。为了调整抽放负压，在真空泵两端设计调整分流管路。经过对各单件设备尺寸、运输车辆尺寸进行测量(8.6m×2.5m)，规划出合理的撬装体内部布局，提高运输效率，减小安装空间。

(1)水环真空泵、气水分离器之间通过无缝钢管连接，水环真空泵利用金属波纹管与撬装式外的井口连接，且该连接管路中间安装有多参数监测监控仪器，气水分离器出口管线连接有放空管或集输管(放空管在现场采用管道联接，与抽采设备保持安全距离)，并安装避雷针，气水分离器内设有氧气传感器。

(2)金属波纹管的两连接端处均安装有阀门。多参数监测监控仪器与水环真空泵之间、气水分离器出口管线处连接有泄爆器与防回火装置。

(3)选用的真空泵为2BE1203型直联真空泵，其长×宽×高为3050mm×660mm×1400mm，柴油发电机功率为120kW，其长×宽×高为2800mm×1050mm×1550mm，设计撬装式整体结构是长×宽×高为7m×3m×2.5m，在整体布局紧凑，且所有设备能完全放置，设备均采用地角螺栓固定于箱底，若不能直接固定的，如柴油桶，则采用其他固定方式，如焊置铁围栏，再将其放置其中。水环真空泵的两连接端并联有分流系统，分流系统的管路上安装有阀门。

(4)采用2台发电机并联为发电机组，一开一备，均采用配电箱控制，放置2个柴油桶存放燃料，每个容量为700L，连续运行时，每桶油可用约24h；在进线电路配电箱和电动机之间安装自耦降压启动柜，降低发电机启动电流；柴油桶与发电机组连接，发电机组与配电箱连接，配电箱与水环真空泵连接。

(5)低位水箱长×宽×高为3m×2m×2m，总体积12m3，高位水箱长×宽×高为7.0m×3.0m×0.6m，总体积约为12.6m3。在不考虑漏失的情况下，正常消耗约3天，定期补充；高位水箱与低位水箱之间采用潜水泵连接，潜水泵放置于低位水箱里，高位水箱与低位水箱分别与真空泵相连，由此高差产生压力，从而使真空泵产生负压，根据真空泵的水量消耗预测，潜水泵排量大致定为1m3/h，潜水泵的动力系统由发电机组提供。

(6)撬装式还可采用或加装“人”字形顶棚，便于雨水滑落，内部顶棚配备照明系统，由发电机组提供电力。

(7)撬装式左右两侧可采用推拉门设计，可有效阻隔噪声，各自对半分开，以车头为前方，车厢左边便于水箱加水以及柴油桶添加柴油，车厢右边便于读取多参数监测仪器数据，以及控制真空泵阀门；也可不设置门，直接敞开，便于通风散热。

(8)多参数监测监控仪器能够连接电脑，可直接对监测数据进行读取、存储，便于一次性提取数据，也可时时进行监控，方便管理，安全性更高。

(9)GD4型瓦斯抽放多参数传感器安装时，气体从井口方向进来，经由温度传感器、压力传感器、浓度传感器后，进入真空泵中，而后通过气水分离器后，设有氧气传感器，最后进入放空管或集输管。

2.3 注意细节

抽采管路采用架空方式，一般距离地表1.5m；排空管路距离井口及抽采设备应大于30m；抽采主管路必须保持直线型管段；真空泵基座高度一般20～30cm，上部安设减震垫；

泄爆器与水环真空泵之间的管路按0.5°/m的斜度安设；气水分离器与放空管之间的管路按0.5°/m的斜度安设；管道上的2个放水龙头安设在管道正下方；各参数监测孔应按照监测要求规格焊接在管路上；此撬装式组装在局部连接时需根据实际具体情况进行调整。

3 设备优势分析

(1)本撬装式抽采设备装置行走车上，能集运输、抽采、供电、居住等功能为一体，结构紧凑，能有效适用于地形条件复杂或间隔距离远的地形。

(2)所有设备撬装组合在一起，实现采动区井稳定连续运行，并节约设备运输、安装及回收成本。

(3)减少设备安装及回收时间，安装时间由原来的7 d变成1～2 d，增加采动区井有效抽采时间；减少设备占地面积，由原来各设备单独杂乱放置，变成设备撬装一体化，方便现场操作与管理。

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(责任编辑 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

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05063)、山西省科技重大专项资助项目(20111101001)和山西省煤基重点科技攻关资助项目(MQ2014-13)。

何庆宏，男，助理工程师，工程硕士，现从事煤层气开发工作。