一种全自动煤层气稳压排采装置的设计应用

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1 煤层气开发利用的现状分析

煤层气俗称“瓦斯”，热值是通用煤的2-5倍，且燃烧后洁净，几乎不产生任何废气，可用于工业、发电和居民生活燃料。贺文阳[1]在进行煤炭开采时，如果部对其进行控制处理，当瓦斯超标时会发生瓦斯事故，对工作人员的生命安全和煤炭企业经济造成威胁。为消除煤与瓦斯突出隐患，矿井通常采用在煤层中打钻孔预抽瓦斯[2]，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。

以往在煤炭开采过程中多运用边挖煤边抽采瓦斯的方式，或开采一段距离后等瓦斯扩散完毕，抽采设备将扩散到矿井中的瓦斯抽尽后再开采的方法。这种方式容易导致短时间抽取不及时导致瓦斯超限，造成人员中毒窒息或遇火爆炸的危险。陈久福[3]等利用分离技术对气体中的煤尘与瓦斯进行了分离治理，但仍然难以治理煤层气开采中瓦斯中含有的三种形态的气、水、渣。

2 全自动煤层气稳压排采装置的设计思路

现在开采煤炭过程多采用钻探负压抽采方式，即用钻机在煤层中钻孔用于安装管道，抽采煤层中的瓦斯气体，瓦斯抽尽后再开采煤层的方法。但是煤层气在开采时，其流量极为不稳定，对开采设备与收集、分离设备的冲击较大，容易发生设备损坏，造成安全事故等问题。对此开发研究的排采装置能够对开采出的煤层气进行缓冲与压力自调节，使煤层气的流量更平稳，减少对设备的冲击，减少安全事故的发生概率，能够自动泄放气水渣，节省了人力。

3 装置结构及工作原理

全自动煤层气稳压排采装置，包括设备本体、自控系统、监控系统。设备本体包括采油树、缓冲罐、分离罐、瓦斯和水综合记录仪、连接管路。自控系统包括传感器、控制器、执行器、自力式调节阀、显示器等。监控系统包括现场防爆声像采集仪、传输系统和显示器。

本排采装置，采油树的输出口、缓冲罐、自力式调节阀与分离罐依次通过管道串连。通过串接缓冲罐，可以对流量不稳的煤层气开采进行缓冲，达到削峰填谷的效果，减少煤层气对设备的冲击。通过串接自力式调节阀，可以根据输送管道内的压力自行调节阀门的开闭程度，从而对管道内的压力进行调节，实现稳压的效果。采油树的每个输入、输出口均法兰连接阀门。采油树的至少一个输入端连接排采气管道，若排采管道具有多个，也可根据流量计算，在不超过本装置最大承载流量的前提下，在采油树上连接多个排采管道，从而通过一套设备完成多组煤层气开采管道的煤层气开采。所述采油树相当于一个大多通接头，对若干的排采管道进行汇集。

缓冲罐输入端、自力式调节阀输入端与输出端、分离罐均安装压力传感器，可以观察采集各位置压力值。分离罐用于对煤层气排采的气水渣混合体进行三相分离。

分离罐为本装置的核心配件，其上部设粉尘捕捉网，中部设分离伞，中上部设、顶部、底部、腰部分别设具有远程开关功能的混合气进气口、排气口、排渣口和排水口。

排气口串接瓦斯综合记录仪，可以对煤层气的开采量进行统计与记录，为后续煤层气的净化与后续开采提供数据参考。

排水口串联数采液体流量计，对排采出的水进行流量记录，为后续的煤层气排采、煤炭挖掘提供数据参考。

排水口上设置具有阀门的水样取样口，可以对液体输出通道的液体进行成分分析，从而为煤层气的后续排采提供参考。

自控系统由压力、液位等传感器采集信号值后传输给控制器，控制器做出相应指令，控制各排气、排水、排渣阀门开启与开度。

监控系统将现场声像资料传至控制室进行保存，便于技术人员后期对资料进行分析。

全部配件置于钢制撬块上，整体安装试压，底部设叉车口便于运输。井下安装完毕后只需对设备前后密封面进行密闭性试验，无需对设备进行二次密闭性试验。

图1 全自动煤层气稳压排采装置示意图

4 现场试验及效果分析

该全自动煤层气稳压排采装置加工完成后在山西省忻州市保德县保德煤矿进行现场组装试验。经现场技术人员对各数据进行采集分析后，能够对瓦斯气中三种形态的气、水、渣进行有效分离。其中瓦斯排放采样分析表面，气体洁净度完全符合民用及发电设备使用。

5 特点和结论

煤层气的开发利用具有一举多得的功效：洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益。本装置通过缓冲装置与自力式压力调节阀配合，可以对开采的煤层气进行缓冲与稳压调节，减少煤层气因为流量不稳定对设备造成的冲击，减少设备被冲击损坏的概率，减少安全事故的发生。