探讨矿井瓦斯抽采的必要性及抽采方法

樊洪虎

摘要：瓦斯开采确实能够为企业带来巨大收益，但由于技术难度较高，所以开采前需要多次调整开采规划。而对于国家来讲，也需要尽可能提高瓦斯抽采技术的集合性，通过多种辅助技术降低瓦斯抽采的技术风险，并最大程度提高瓦斯的资源利用价值。另外，在新技术应用中，主要平衡好新技术收益分配，避免产生过多的资源“债务”。

关键词：矿井；瓦斯抽采；方法

前言

瓦斯作为煤矿开采的伴生产物，其本身利用价值极高，部分情况下已经成为某些特定工业生产的基础原料。同时在利用过程中，甲烷燃烧的环境友好度控制较好，且特殊的燃烧性质也使得其逐渐成为部分工业应用的最优解。针对甲烷抽采易发生爆炸问题，尝试对现代煤矿瓦斯抽采系统进行了改良，从而保证瓦斯抽采过程中的安全性。

1定向长钻孔瓦斯抽采

①技术介绍

千米钻机移动能力依靠履带行走实现，机体本身负载有钻进系统，可根据设定数值自由调整方位、转角、工作面积等其他关键数据。在钻探过程中，可实时反馈钻孔数据，并记录钻孔轨迹。在驱动方式上，我国大多数定向长钻孔都依靠电液能源进行驱动，钻进区域能源依靠高压水。

②技术要点

在开始钻孔作业前，技术人员要提前预留一个标准孔洞，孔洞直径数据为170mm，长度20m，并在孔中安装长12m宽100mm的PVC管。空口位置安装钢管，长度6m，宽18mm。安装完成后直接接管，并在其中注入泥沙封孔。在钻进过程中，技术人员需要提前对高瓦斯区域进行判断，并提前做好引流，保证钻井过程安全性。多数情况下，喷出保护装置的最大保护范围为18～20MPa，可保证技术人员在部分情况下的人员安全。

2智能瓦斯抽采技术

智能瓦斯抽采技术以现代技术为准，通过多种方式实现瓦斯抽采的智能化。在现阶段，智能抽采技术多为这种技术概念总和，基本智能是达到绿色开采、安全开采、经济开采、高效开采的最终目的。从整体上看，智能瓦斯抽采技术至少具备物料识别、数据分析、具体定位、云计算、流程监视、自动数据调整等基础功能。为更加准确表现出相关概念，本文也尝试通过具体技术说明智能瓦斯抽采技术现状，详情如下：①地质信息透明化地质信息透明化可以提高操作人员对目标瓦斯层的判断精度，也是智能瓦斯抽采技术基础。在该技术下，系统可自动识别煤层赋存情况，并根据媒体结构推断瓦斯分布。虽然现阶段地质分析技术并不够成熟，但可收集到的信息已经能够准确表现出该区域的基本性质。同时，地质技术分析并非单一技术，它包含数据库整理、探测技术和优化技术，比如在X光技术的应用下，地质分析精度再次增加，而增加的数据也会直接进入数据库中，通过筛选进一步恢复该地区的实例地质条件。而随着地质数据库数据的增加，技术人员也能够更加轻松的对目标开采区域进行数据复原，并通过3D透明化的地质建模确定瓦斯开采的最佳方案。另外在部分欧洲国家，开始尝试通过模型模拟开采过程，并推测瓦斯抽采过的地区环境变化情况，最后达到资源与环境的平衡。可以发现，该技术能够有效降低传统瓦斯开采的被动性，并能够尽早发现开采中的不稳定因素，及时排除。而当数据库达到一定规模后，对资源利用也有相当宝贵的指导作用，比如在未来部分非再生资源的利用中，就能够最大程度提升该资源的具体收益。②钻孔智能设计体现传统钻孔多以人工操作为主，操作量大且精度难以保证。同时，多数瓦斯开采为动态过程，静态的钻孔操作会直接降低瓦斯开采效率，严重情况下会导致开采事故的出现。另外，我国多数地区地质环境复杂，各工作面之间也会有较大的地质差距，显然人工很难覆盖。而在智能开采设计中，技术人员可根据开采区的数据变化情况绘制瓦斯关键数据变化曲线。在得到相关数据后，就可以根据数据变化特征调整钻孔位置、钻孔大小。其次，该数据也能够直接分析各个钻孔的实际工作效率，并调整各个钻孔间的任务资源分配情况。而当地质条件发生较大改变时，技术人员也能够对异常数据进行捕捉，并提前做好防范，降低相关设备与人员的损失。③巡检机器人的使用瓦斯抽采中巡检机器人属于特种机器人，其现阶段主要包含三类，分别为轮式巡检、吊轨式巡检以及四足巡检，其主要差异来源于其运动方式的不同。轮式巡检类型主要用于基础模块摄影，功能为矿洞内简单图像的识别，拥有简单的数据反馈能力，能够迅速联合形成异常信息汇报网络。吊轨巡检活动范围更大，也更容易通过数量优势建立数据网络。在能源供给上，无线充电的优势也保证其有充足的能量支持。四足机器人为仿生学设计，可以有效翻越矿洞地形，并对矿洞关键数据进行收集。虽然成本造价较高，但整体功能集合上限也相对较高，能够支持较为复杂的巡检命令。

3智能瓦斯抽采系统设计

3.1真空控制系统

真空控制系统设计的目的在于实现水环式真空泵高效抽采瓦斯。采用并联多个双级水环式真空泵作为抽采动力，多个双级真空泵可以根据抽采量的大小自动启动、停止运行。抽采主管上安装有压差传感器与流量传感器，在管道内压差上升时，按照水环式真空泵工作的优先级，逐一开启，同时监测管道内流量，当开启真空泵引起管道内流量降低，说明当前正在运行的真空泵足以满足抽采需要。在管道内压差下降时，按照水环式真空泵停止的优先级，逐一关闭，同时监测管道内流量，当开启真空泵引起管道内流量升高，说明当前正在运行的真空泵足以满足抽采需要。

3.2抽采调控系统

抽采调控系统由封孔管、过滤器、流量稳定器、瓦斯浓度传感器、压力传感器、流量计、温度传感器组成，主要用于监控钻孔内瓦斯抽采状态，实时采集数据，并将数据传递至逻辑控制器，便于控制器统一调配抽采资源。由于瓦斯抽采过程中，钻孔与抽采管道压差较大，瓦斯流速快，不利于传感器测量数据，所以在抽采调控系统中加入流量稳定器，通过改变气道内横截面积的方式减缓流速，使得传感器测量数据更加准确。

3.3阀门控制系统

传统的抽采系统，仅是机械式的连续抽采，不能实现动态优化调节，抽采效率低下。阀门控制系统主要由智能控制阀门组成，可以根据传感器获取的抽采状态数据，实现自适应调整。智能控制阀门由PLC逻辑控制器经驱动控制器直接发送调整指令，并反馈调整后的状态数据，运行更加平稳可靠。

3.4数据传输系统

数据传输系统主要由Ｍｏｄｂｕｓ工业自动化总线通信协议，该通讯方式接线简单，线缆采用屏蔽双绞线，通讯距离1000ｍ以上，并且可添加中继设备。Ｍｏｄｂｕｓ帧格式较为简单、紧凑，格式规范，易于传输，容易使用，开发简单。完全满足矿用智能系统的开发。

3.5数据分析系统

数据分析系统由PLC可编程控制器与上位机软件系统组成，通过上位机软件系统设定最佳抽采浓度、最佳抽采流量等参数，并且发布开始、停止命令给PLC可编程控制器，控制器内通过运算比较设定值与抽采管路内传感器数值，自动运行控制程序。在瓦斯抽采过程中，在不考虑空气摄入的因素下，一定时间内改变抽采压力对煤层中瓦斯渗透含量影响不大，但是不同抽采压力下对空气的摄入量影响极大，所以在抽采过程中，需要调节抽采压力，来保证抽采出的瓦斯浓度处于安全范围内。因此设计智能控制阀门来调节抽采压力，进而控制抽采瓦斯浓度。

结束语

智能瓦斯抽采系统对井下封孔设备、数据处理传输设备、上位机显示控制软件做了整体设计。通过对智能系统的分析，可以实时检测井下瓦斯抽采情况。对于高浓度抽采封孔管，则逐渐加大阀门开度，增大气体通过量，提高抽采效率；对于低浓度抽采封孔管，则逐渐减小阀门开度，降低抽采能耗。经过现场应用测试，采用智能瓦斯抽采系统后抽采效率提升2.4倍。

参考文献：

［1］王杰.矿井瓦斯抽采方法及安全措施研究［J］.中国石油和化工标准与质量，2019，39(22)：178-179.

［2］王宗明，陈廷全.轿子山煤矿坚硬顶板综采工作面初次来压瓦斯治理［J］.内蒙古煤炭经济，2019(23)：126-127.

［3］段渊.煤矿瓦斯抽采方法及抽采系统安全措施［J］.科学技术创新，2017(29)：109-110.