瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測裝置研制及應用

巴全斌

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災害和保障煤礦安全的根本措施，也是開發煤層氣資源的主要技術手段，具有安全、環保和節能等多種意義。國家提出了“先抽后采、能抽盡抽、以用促抽”指導方針，各煤礦企業也在加大瓦斯抽采力度，擴大抽采范圍，把瓦斯抽采提升到“生命工程和資源工程”高度[1]。瓦斯抽采效果的監測、評價及監管是各煤炭企業、監管機構著重考察的內容，是日常生產必不可少的工作內容[2-4]。

抽采鉆孔是保證瓦斯抽采效果的源頭，鉆孔孔周裂隙和封孔段空隙形成的漏氣通道直接制約著礦井瓦斯抽采效果[5]。鄭其堂等[6]研究了抽采鉆孔漏氣機制，通過檢測鉆孔瓦斯濃度和瓦斯流量給出了漏氣量和漏氣比例計算式，為確定漏氣位置提供了理論依據。張許樂等[7]介紹了一種瓦斯抽采鉆孔封孔質量和漏氣位置檢測方法和裝置，采用硬質軟管作為取氣管件，通過檢測瓦斯濃度和抽采負壓實現封孔質量檢測。張永鵬[8]研發了智能化抽采鉆孔封孔質量檢測儀并在井下應用，采用紅外甲烷傳感器、壓阻式傳感器和數字溫度傳感器對鉆孔內瓦斯濃度、抽采負壓和溫度進行監測，從而確定抽采鉆孔漏氣通道。

為更加有效快速地檢測抽采鉆孔漏氣通道，本文基于管流流體力學理論和漏氣檢測判別方法，研制了抽采鉆孔漏氣通道檢測裝置，采用高穩壓阻式壓力傳感器、激光甲烷傳感器和熒光氧氣傳感器實現抽采負壓、瓦斯濃度和氧氣濃度參數檢測，通過快速檢測分析抽采鉆孔不同深度的氣樣參數及其分布規律來確定鉆孔漏氣失效原因及通道位置，為有針對性地調整封孔方式和相關參數及后續改進工作提供依據。

1 瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測技術

1.1 檢測原理

根據圍巖松動圈理論和巷道“三帶”應力分布特征[9]，巷道兩側和抽采鉆孔孔周裂隙發育，導致煤巖層原生裂隙和再生裂隙相互溝通，此外抽采鉆孔封孔段密封效果差，普遍存在封孔深度不足、封孔材料無法有效填充煤巖裂隙和封堵管路破損等問題，形成抽采鉆孔的漏氣通道[10]，從源頭上降低了瓦斯抽采濃度，直接制約了礦井瓦斯抽采效果。

根據相關專家學者研究成果和管流流體力學原理[11-12]，在正常抽采狀態下，抽采鉆孔內瓦斯濃度沿鉆孔深度變化基本保持一致，抽采負壓沿鉆孔深度變化呈線性衰減，且原始煤巖層中沒有氧氣成分存在。因此，可以通過檢測抽采狀態下沿鉆孔深度變化不同位置處抽采負壓、瓦斯濃度和氧氣濃度的分布情況來判定抽采鉆孔漏氣情況，進而分析鉆孔漏氣類型和通道位置。

理論上，在較短區域內抽采負壓的變化通常不明顯，而在單位時間內鉆孔所提供的瓦斯涌出量相對恒定。當存在漏氣通道時，在抽采負壓的作用下，涌入抽采鉆孔的空氣會導致瓦斯濃度呈現階梯式下降，即瓦斯濃度會發生突變[13]。因此，根據瓦斯濃度的突變和氧氣濃度情況來判定兩點之間的漏氣狀態，進而分析其漏氣原因及漏氣強度是科學、可行的。

1.2 漏氣通道位置判定及原因分析

在正常抽采條件下，通過測定抽采鉆孔內不同深度的負壓、瓦斯濃度和氧氣濃度等可以得到檢測參數隨鉆孔深度的分布變化規律，從而分析判斷抽采鉆孔的漏氣原因和漏氣通道位置。檢測段測點布置及可能漏氣通道位置如圖1所示，其中C0—C4表示瓦斯濃度，P1—P4表示可能漏氣通道位置。以瓦斯濃度為主、抽采負壓和氧氣濃度為輔進行漏氣通道判定，判定方法見表1。若抽采鉆孔內不同鉆孔深度的瓦斯濃度基本保持不變或波動范圍較小，抽采負壓呈線性衰減，且氧氣濃度較低，表明抽采效果較好；若孔內的負壓和瓦斯濃度在某處出現階梯式下降，而氧氣濃度驟增，則表明抽采鉆孔該處存在漏風通道[14]。

圖1 測點布置及可能漏氣通道位置

表1 瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測判定方法

2 檢測裝置設計

2.1 設計要求

瓦斯抽采鉆孔漏氣檢測裝置設計要求：① 檢測主機設計：優化檢測主機內部結構并盡量減小體積和質量，結構緊湊，便于攜帶。② 取氣管件設計：適應抽采鉆孔不同深度，要求質量小,便于攜帶。③ 傳感器選型：包括抽采負壓傳感器、甲烷傳感器和氧氣濃度傳感器選型。

2.2 檢測主機設計

檢測主機主要包括電源、真空泵、傳感器部件、過濾器、顯示屏、操作按鍵、面板、電路控制板、主機箱體等。考慮各參數的測量順序及傳感器安裝方便，傳感器連接順序為進氣接頭-氧氣傳感器-甲烷傳感器-出氣接頭；負壓接頭-壓力傳感器。電源采用質量小的鋰電池，并利用固定膠密封在電池盒內。主機箱體增加碰撞部位的結構強度，主要包括電池盒體和泵殼體的基座，避免井下碰撞破損。

檢測主機信號處理流程如圖2所示。傳感器采集的信號經過信號調理單元進行放大，通過單片機控制多路開關，選擇相應的傳感器輸入通道；AD轉換器將模擬信號轉換成數字信號，通過量化轉換成相應的參數值，直接與單片機交換數據；單片機采集完參數后，根據設定的測量深度自動保存數據，并通過儀器顯示屏顯示測量結果；測量完所有測點數據后，自動繪制數據曲線，并利用無線模塊上傳測量數據至配套數據管理軟件，實現數據的查詢、分析及打印。

圖2 檢測主機信號處理流程

2.3 取氣管件及三通裝置設計

目前，煤礦常用的抽采管直徑范圍為50～75 mm，薄壁不銹鋼管具有質量小、表面光滑、受壓不易變形的優勢，因此，取氣管件采用直徑為25 mm的薄壁不銹鋼管，每節1.5 m，設計長度為30 m。為方便井下操作，取氣接頭兩端與取氣管件采用快插式連接方式，并用活動螺紋進行連接固定，接頭最大直徑為32 mm。

為保證在正常抽采狀態下進行參數檢測，需在抽采管與接抽管中間加裝三通裝置，如圖3所示。該三通裝置右端與抽采管路連接，下端與接抽管連接，用于正常瓦斯抽采。取氣管通過三通外端進行下放和回收操作，實現不同鉆孔深度的氣樣抽取。為方便井下安裝，三通尾端設計成卡扣式，連接瓦斯抽采管道，具有較好的密封效果。

圖3 取氣管件及三通裝置的連接

2.4 氣體檢測傳感器選型

(1)壓力傳感器。采用MPM281高穩壓阻式OEM壓力傳感器，該傳感器是一種帶隔離并經過精密補償的高穩定性硅壓阻式壓力測量儀器，其中硅壓阻式敏感元件選用高穩定性擴散硅元件，通過精密修調后的厚膜電路對壓力敏感元件進行寬溫度范圍的溫度補償和零點偏差修正[15]。被測壓力經過隔離膜片和內部介質傳遞到硅壓阻式敏感元件上，實現壓力到電信號的精確轉換。該傳感器壓力測量范圍為0～120 kPa，精度等級達到0.1級，誤差為±1.5% F·S。

(2)甲烷傳感器。為避免抽采鉆孔內氣樣中其他氣體成分影響，采用非色散激光甲烷傳感器。該傳感器采用光譜吸收原理測量甲烷濃度[16]，具有工作穩定、測量精度高和功耗低的特點；測量范圍為0～100%，分辨率為0.01%(0～1%)和0.1%(1%～100%)，誤差為±0.06%(0～1%)F·S和真值±6%(1%～100%)F·S；適用于煤礦井下有瓦斯、煤塵爆炸危險的環境，工作環境溫度為0～+40 ℃，大氣壓力為80～116 kPa，工作電壓為9～24 V，工作電流≤100 mA/18 V DC。

(3)氧氣傳感器。采用熒光氧氣傳感器LuminOx，其具有尺寸小、功耗低的優勢；測量范圍為0～25%(O2%)，誤差為±2%F·S，響應時間小于15 s，工作電壓為4.75～5.25 V(推薦5 V)，平均電流小于6 mA。

3 現場應用分析

3.1 試驗礦井概況

新疆焦煤(集團)有限責任公司二一三〇煤礦生產能力為1.20 Mt/a，主采4—6號煤層，煤層厚度為0.4～9.77 m，煤層傾角為35～43°，煤的堅固性系數為0.3～0.5，煤層透氣性系數為0.029～0.594 m2/(MPa2·d)，煤層瓦斯壓力為0.6～2.0 MPa，礦井絕對瓦斯涌出量為10.92～29.53 m3/min，相對瓦斯涌出量為5.86～30.05 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井。

礦井瓦斯抽采主要以鉆孔預抽和采空區抽采為主，采用本煤層鉆孔和底板巷穿層鉆孔方式。其中，25213工作面軌道巷抽采鉆孔傾角為19°左右，孔徑為94 mm，孔深為41～47 m，封孔材料采用水泥注漿，鉆孔孔口使用馬麗散封堵，利用抽采管自然返漿，封孔深度為9 m。該區域鉆孔單孔濃度低、衰減較快，抽采效果不理想。

3.2 現場檢測操作步驟

在二一三〇煤礦25213工作面軌道巷進行現場應用試驗，瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測分析操作步驟：

(1)拆除用于連接抽采管和匯流管的連接管，安裝三通裝置，并與抽采管和匯流管連接。

(2)將取氣管件依次連接，并從三通裝置末端送到鉆孔內預定的取氣位置，并將取氣管件與氣體檢測裝置連接。

(3)在正常抽采狀態下，啟動檢測裝置，開始檢測抽采鉆孔預定取氣位置的抽采負壓、瓦斯濃度和氧氣濃度，記錄并儲存相關測試數據。

(4)循環步驟(1)—(2)，待所有的測點都測定完成后，撤出取氣管件，拆除三通裝置，重新將抽采管與匯流管連接，恢復抽采。

(5)分析數據，檢測完成后自動生成參數變化曲線，獲得鉆孔內瓦斯流動規律，進而分析判斷漏氣類型和通道位置。

3.3 試驗效果分析

礦井抽采數據統計資料顯示，試驗區域鉆孔瓦斯體積分數普遍較低，日平均瓦斯體積分數為10%～20%，整體抽采效果一般。對試驗區域抽采濃度在平均水平以下的鉆孔進行漏氣通道檢測分析，以查找鉆孔漏氣原因及漏氣通道位置。試驗鉆孔采用水泥砂漿和聚氨酯封堵工藝，封孔深度為9 m，試驗裝置檢測深度為30 m，起始檢測位置距孔口6 m，依次增加3 m設置檢測點，檢測結果如圖4所示。

圖4 抽采鉆孔檢測參數變化曲線

由圖4可知，在原封孔工藝和封孔深度下，距孔口0～9 m范圍內，瓦斯和氧氣體積分數較穩定，抽采負壓近似于線性衰減，說明抽采管未發生破損或接口漏氣等，抽采管密封效果較好；而在距孔口9～18 m范圍內出現了不同程度的瓦斯和氧氣體積分數突變情況。根據抽采鉆孔漏氣通道檢測方法，該區段存在漏氣通道，最大漏氣通道在距孔口9～12 m范圍內，說明原封孔深度不足，原封孔工藝無法有效密封漏氣通道。

綜合考慮封孔成本和封孔難度，對比試驗后，將封孔深度增加至12 m，并采用“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝，改進后的抽采鉆孔檢測參數變化曲線如圖5所示。由圖5可知，在改進封孔工藝和封孔參數后，試驗鉆孔整體抽采效果大幅改善，孔口瓦斯體積分數提升至55%以上；在距孔口12～15 m范圍內，瓦斯和氧氣體積分數變化較穩定；而在距孔口15～18 m范圍內仍然存在漏氣情況，但是突變幅度不大；在距孔口18 m以深范圍內瓦斯體積分數變化穩定，氧氣體積分數近乎為0，此時漏氣通道減少。

圖5 改進后的抽采鉆孔檢測參數變化曲線

根據上述對比檢測分析結果，建議將試驗區域封孔深度增加至12 m，并推廣應用“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝，以提高瓦斯抽采率，改善瓦斯抽采效果。

4 結論

(1)根據管流流體力學原理，分析了抽采鉆孔漏氣原因，闡述了鉆孔漏氣位置的判別方法，研制了一種適用于煤礦井下的瓦斯抽采鉆孔漏氣通道檢測裝置。

(2)采用非色散激光甲烷傳感器和熒光氧氣傳感器，提高了裝置的檢測精度和可靠性；采用1.5 m/節快接式25 mm薄壁不銹鋼管，鉆孔檢測深度達30 m。

(3)現場應用結果表明，該裝置能夠準確檢測抽采鉆孔漏氣通道位置，通過分析得到漏氣原因，可為煤礦改進封孔工藝、提高封孔質量提供科學依據。