一種全自動煤層氣穩壓排采裝置的設計應用

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1 煤層氣開發利用的現狀分析

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、發電和居民生活燃料。賀文陽[1]在進行煤炭開采時，如果部對其進行控制處理，當瓦斯超標時會發生瓦斯事故，對工作人員的生命安全和煤炭企業經濟造成威脅。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的氣、水、渣。

2 全自動煤層氣穩壓排采裝置的設計思路

現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，其流量極為不穩定，對開采設備與收集、分離設備的沖擊較大，容易發生設備損壞，造成安全事故等問題。對此開發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，使煤層氣的流量更平穩，減少對設備的沖擊，減少安全事故的發生概率，能夠自動泄放氣水渣，節省了人力。

3 裝置結構及工作原理

全自動煤層氣穩壓排采裝置，包括設備本體、自控系統、監控系統。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。自控系統包括傳感器、控制器、執行器、自力式調節閥、顯示器等。監控系統包括現場防爆聲像采集儀、傳輸系統和顯示器。

本排采裝置，采油樹的輸出口、緩沖罐、自力式調節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閥，可以根據輸送管道內的壓力自行調節閥門的開閉程度，從而對管道內的壓力進行調節，實現穩壓的效果。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，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計與記錄，為后續煤層氣的凈化與后續開采提供數據參考。

排水口串聯數采液體流量計，對排采出的水進行流量記錄，為后續的煤層氣排采、煤炭挖掘提供數據參考。

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排采提供參考。

自控系統由壓力、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。

監控系統將現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 全自動煤層氣穩壓排采裝置示意圖

4 現場試驗及效果分析

該全自動煤層氣穩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場組裝試驗。經現場技術人員對各數據進行采集分析后，能夠對瓦斯氣中三種形態的氣、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電設備使用。

5 特點和結論

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