煤礦瓦斯負壓抽采管網檢漏技術及現場應用

劉延保

(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)

煤礦瓦斯負壓抽采管網檢漏技術及現場應用

劉延保1，2

(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)

摘要：為了解決煤礦井下瓦斯負壓抽采管網檢漏難的問題，研發了一種基于超聲波檢漏原理的瓦斯抽放管道檢漏技術和檢漏儀。利用該儀器在山西霍爾辛赫礦進行了工業性試驗，共巡檢管道9155m，鉆孔746個，共檢測出泄漏點52處，檢漏結果基本符合現場應用需求；獲得了試驗礦井抽采管網泄漏點的分布規律，提出了引起抽采管道泄漏的原因及堵漏措施；分析了影響儀器檢漏準確性的多種因素，為瓦斯集輸管網檢漏提供了技術支撐。

關鍵詞：瓦斯；抽采管網；泄漏；超聲波；檢漏儀

煤礦井下瓦斯抽采管網是煤礦瓦斯抽采系統的井下管網部分，主要起兩方面作用：一是連接抽采泵和井下抽采鉆孔，將地面瓦斯抽采泵運行形成的抽采負壓傳遞至井下各抽采區域的抽采鉆孔內；二是將抽采的煤層瓦斯集中、輸送至地面進行排空或利用?？梢?，井下瓦斯抽采管網是煤礦瓦斯治理、開采和利用的一個重要環節。然而，由于瓦斯抽采管道不可避免老化、腐蝕及其他的自然、人為的損壞等原因，管道泄漏時有發生。當泄漏發生后，外部空氣被負壓吸入管道內，使管道內瓦斯氣體濃度降低。一方面，造成瓦斯輸送安全隱患，如果管道瓦斯濃度處在爆炸范圍內，一旦出現事故，對礦井帶來的后果是非常嚴重的；另一方面，造成管道內瓦斯濃度大幅降低，不能直接利用或利用成本增加。因此，準確地判斷和定位瓦斯抽采管網泄漏產生的位置，不但對保障瓦斯輸送管道的安全性，而且對提高瓦斯利用率，增加抽采效率，降低抽采系統能耗等都具有重大的意義。

傳統的泄漏檢測方法如絕對壓力法、壓差法、氣泡法等，操作復雜并且對技術人員要求較高。目前，工業上廣泛利用泄漏產生超聲波的原理來進行泄漏檢測。然而，對于煤礦負壓抽采管道而言，由于管道內負壓一定，內外壓差小，氣體泄漏所發出的超聲波強度是極其微弱的；同時，煤礦井下環境噪聲較大，對測量容易產生干擾。因此，利用超聲波檢漏原理對抽采管網進行泄漏檢測提出了更高的技術要求。YJL40C煤礦用瓦斯抽放管道檢漏儀是基于超聲波檢漏原理研制的煤礦瓦斯抽采管網專用檢漏儀器。本文對該設備及方法進行了詳細闡述，并在山西霍爾辛赫礦進行了工業性試驗，取得了良好的應用效果，為井下瓦斯集輸管網檢漏提供了技術支撐。

1檢漏原理及設備

1.1檢漏原理

超聲波檢漏的基本原理是通過檢測泄漏點的氣體流動產生的超聲波信號源，從而精確定位氣體泄漏點，實現負壓抽采管路在線泄漏檢測。

當負壓抽采管道存在泄漏點時，具有一定壓差的氣體流過泄漏孔，氣體將從層流變為湍流，湍流會在漏孔附近產生一定頻率的聲波，如圖1所示。聲波振動的頻率與泄漏孔尺寸有關，泄漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲，泄漏孔較小且聲波頻率大于20kHz時，人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。因此，主要能找到超聲波信號源，就能準確判定泄漏點的位置。

圖1負壓抽采管道泄漏流示意圖

1.2檢漏設備

YJL40C煤礦用瓦斯抽放管道檢漏儀是中煤科工集團重慶研究院有限公司專門針對煤礦負壓抽放管路泄漏檢測而專門研發的一種便攜式礦用本質安全型儀器。該儀器采用高精度、高分辨率的超聲波傳感頭準確檢測氣體泄漏點，并由液晶屏實時顯示泄漏處的超聲波頻率；泄漏程度可由儀器面板上的LED指示燈顯示；采用彈簧線、測量手柄及金屬軟管來連接機身與傳感頭，可對傳感頭隨意拉伸或彎曲至任意角度，現場檢測非常方便；采用本安型電路設計，防爆等級達到Exib I Mb；儀器主要技術參數見表1。

表1　儀器的主要技術參數

2工藝工業性試驗

2.1礦井概況

山西霍爾辛赫礦屬高瓦斯礦井，生產能力為4.0Mt/a。礦井采用立井，單一水平分區式開拓，井底水平標高+415m。井田范圍內劃分七個盤區，礦井采用由井筒向邊界推進的開采順序。3#煤層為礦井主采煤層，位于山西組下部，煤層厚4.49～7.17 m，平均厚5.65 m。目前主要開采3#煤層一、二盤區。

礦井瓦斯抽采系統設計抽采規模200 m3/min，其中高負壓抽采系統170 m3/min，低負壓抽采系統30 m3/min，采用以本煤層瓦斯抽采為主，預抽與邊采邊抽、邊掘邊抽及采空區抽采相結合的綜合瓦斯抽采方法。當前礦井瓦斯抽采主要集中在3210、3202、3101工作面，3210工作面正準備回采，回采工作面采用邊采邊抽與頂板裂隙帶抽采相結合的方式，保障礦井安全生產。

2.2試驗巡檢線路

根據霍爾辛赫抽掘采接替情況，確定本次井下巡檢線路。目前井下瓦斯預抽管路主要服務于二盤區的3210工作面和一盤區的3101工作面，三盤區預抽管路已拆除，因此本次巡檢路線干管主要為東回風大巷高、低負壓管路，回風集中巷高、低負壓管路和南翼回風集中巷高、低負壓管路；支管主要為二盤區進風巷預抽管路；3210工作面回風順槽預抽管路；3101工作面回風順槽預抽管路。具體巡檢線路見表2。

2.3試驗過程

試驗前，在地面完成對儀器的充電和儀器校檢。對儀器校檢時，打開GS400超聲波信號發生器，調節檢漏儀的靈敏度旋鈕至最大靈敏度，當液晶屏顯示40kHz左右的頻率，超聲波檢測的指示燈全部點亮并伴隨有蜂鳴器的響聲時，調節完畢。

表2　巡檢管道路線及鉆孔

試驗時，巡檢人員手持YJL40C檢漏儀對抽采管道進行逐段檢測。根據檢測需要可以對探頭部分彎曲并盡量縮短探頭與可疑泄漏點間的距離以提高檢測效果。在檢漏儀自動發出報警時，即發現泄漏點，面板上的LED指示燈顯示出該點的泄漏程度，液晶屏顯示泄漏點的超聲波頻率。確認泄漏點后，記錄泄漏點參數，采用配套的堵漏工具箱進行在線堵漏處理。檢漏儀的巡檢如圖2所示。

圖2檢漏儀巡檢示意圖

3檢漏結果及分析

3.1泄漏點統計分析

本次現場試驗共巡檢瓦斯抽采管道9155m，鉆孔746個。共檢測出泄漏點52處，其中主管泄漏點7處，抽采鉆孔連接處泄漏點45處。根據巡檢結果統計得出泄漏點的分布情況，見圖3。

從圖3可以看出，泄漏點多數出現在鉆孔至匯流管之間的接頭處，其中，鉆孔抽采管連接處占檢測出的泄漏點一半以上；其次是導流管、匯流管以及三通連接處。鉆孔至匯流管處的易泄漏點如圖4所示。主管和支管的泄漏點占總泄漏點數量的13%，都出現在法蘭連接處，由于管道的管壁破損造成的泄漏未有檢測到。

針對不同漏氣點的泄漏程度進行分析發現：漏氣較嚴重的是主管及支管的法蘭連接處，如3210回風巷檢測到4處嚴重的法蘭泄漏點；3202進風巷檢測到2處法蘭泄漏點。而鉆孔與匯流管之間各處的接頭泄漏一般為輕微泄漏。

圖3井下管路易泄漏處統計概率圖

圖4井下瓦斯抽采管路易泄漏點示意圖

3.2泄漏原因及堵漏措施

通過對泄漏點的分析，提出引起抽采管道泄漏的原因及堵漏措施。

主管及支管法蘭連接處的泄漏主要是由于緊固法蘭的螺栓松動、法蘭之間的密封墊老化造成。對于螺栓松動的情況，只需擰緊螺栓即可；密封墊老化造成的泄漏則需要采用專門的堵漏工具，向法蘭之間注入堵漏劑，完成在線堵漏。

鉆孔處抽采管路的泄漏主要集中在連接瓦斯抽采管的軟管、三通、導流管以及匯流管的接頭處，主要是由于沒有密封嚴實或連接軟管松動造成泄漏。抽采管與軟管之間配合較親密的，可在內部涂密封膠即可；兩者之間隙較大的，可在接頭外部加一層橡膠套，連接軟管后再用抱箍擰緊。

3.3檢漏儀使用情況分析

對于檢漏儀的使用情況，分3種情況進行分析。

1)泄漏處的超聲波信號強弱直接影響檢漏準確性。當泄漏處的超聲波信號較強時，如主管的法蘭連接處，往往由于主管內的負壓較高能達到20kPa以上，且泄漏處環境條件較好(巷道內沒有很強的氣流聲，環境噪音較少等因素。)而使得泄漏時產生較大的漏氣聲音，對于此類泄漏往往容易檢測；當泄漏處的超聲波信號較弱時，如瓦斯抽采連接管處，此處管內負壓相對于主管來說要小只有15kPa左右，泄漏時可能能夠產生較弱的漏氣聲，當干擾因素較多時，需要仔細進行檢測。

2)環境噪音干擾檢漏儀檢漏效果。對現場分析表明，環境噪音的產生是多方面，在進行主管檢測時，當巷道內風速較大，會對檢測結果造成一定的影響；在支管或鉆孔檢測時，放水器、匯流管上的閘閥未關好易造成較大的氣流聲，影響檢測結果的準確性。

3)檢漏方式的影響。負壓越大，泄漏信號越強，越容易檢測到；檢測方向與泄漏方向夾角越大，越容易檢測到；泄漏孔越大，泄漏信號越強，越容易檢測到；檢測探頭距離泄漏處距離越近，越容易檢測到；巷道風速越小及環境噪音越小，對儀器的干擾越小，越容易檢測到。

4結論

1)基于超聲波檢漏原理研制了YJL40C煤礦用瓦斯抽放管道檢漏儀。利用該儀器在山西霍爾辛赫礦進行了工業性試驗，共巡檢管道9155m，鉆孔746個。共檢測出泄漏點52處，其中瓦斯抽放主管有泄漏點7處，瓦斯鉆孔有泄漏點45處。檢漏結果基本符合現場應用需求。

2)獲得了試驗礦井抽采管網泄漏點的分布規律。泄漏點多數出現在鉆孔至匯流管之間的軟管、導流管、匯流管以及三通接頭處，泄漏一般為輕微泄漏；主管和支管的泄漏點占總泄漏點數量的13%，都出現在法蘭連接處，漏氣較嚴重。同時，通過對泄漏點的分析，提出了引起抽采管道泄漏的原因及堵漏措施。

3)YJL40C檢漏儀在使用過程中受到多重因素的影響，泄漏處的超聲波信號強弱、環境噪音、使用方式都會影響檢漏準確性。下一步擬采用數字濾波和頻譜分析技術，對儀器進行完善。

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Leakage detector technology of coal mine gas drainage pipeline and field application

LIU Yan-bao1，2

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037，China；2.Chongqing Research Institute Co.，Ltd.，China Coal Technology and Engineering Group，Chongqing 400037，China)

Abstract:In order to solve the problem of the leakage detection of gas drainage pipelines in coal mines，a leakage detection technology and a corresponding leakage detection device for gas drainage pipelines based on ultrasonic inspection were developed.The detection device was used for the industrial test in Huoerxinhe Mine.A total of 9155m gas drainage pipeline and 746 drilling holes were inspected，and 52 leak sites have been detected.The application results are consistent with the needs of field applications.Distribution laws of gas drainage pipelines leaks locations wereobtained，and proposed drainage caused by pipeline leakage and plugging measures.Analysis of the various factors that affect the accuracy of leak detection device，for underground gas drainage pipeline leak detection provides technical support.

Key words：gas；gas drainage pipeline；leakage；ultrasonic wave；leakage detector

收稿日期：2015-09-07

作者簡介：劉延保(1981-)，男，山東淄博人，副研究員，博士，2009年畢業于重慶大學，主要從事煤礦瓦斯災害治理及煤層氣開發研究工作。

中圖分類號：TD712

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0156-04