0 引言
瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害和保障煤矿安全的根本措施，也是开发煤层气资源的主要技术手段，具有安全、环保和节能等多种意义。国家提出了“先抽后采、能抽尽抽、以用促抽”指导方针，各煤矿企业也在加大瓦斯抽采力度，扩大抽采范围，把瓦斯抽采提升到“生命工程和资源工程”高度[1]。瓦斯抽采效果的监测、评价及监管是各煤炭企业、监管机构着重考察的内容，是日常生产必不可少的工作内容[2-4]。
抽采钻孔是保证瓦斯抽采效果的源头，钻孔孔周裂隙和封孔段空隙形成的漏气通道直接制约着矿井瓦斯抽采效果[5]。郑其堂等[6]研究了抽采钻孔漏气机制，通过检测钻孔瓦斯浓度和瓦斯流量给出了漏气量和漏气比例计算式，为确定漏气位置提供了理论依据。张许乐等[7]介绍了一种瓦斯抽采钻孔封孔质量和漏气位置检测方法和装置，采用硬质软管作为取气管件，通过检测瓦斯浓度和抽采负压实现封孔质量检测。张永鹏[8]研发了智能化抽采钻孔封孔质量检测仪并在井下应用，采用红外甲烷传感器、压阻式传感器和数字温度传感器对钻孔内瓦斯浓度、抽采负压和温度进行监测，从而确定抽采钻孔漏气通道。
为更加有效快速地检测抽采钻孔漏气通道，本文基于管流流体力学理论和漏气检测判别方法，研制了抽采钻孔漏气通道检测装置，采用高稳压阻式压力传感器、激光甲烷传感器和荧光氧气传感器实现抽采负压、瓦斯浓度和氧气浓度参数检测，通过快速检测分析抽采钻孔不同深度的气样参数及其分布规律来确定钻孔漏气失效原因及通道位置，为有针对性地调整封孔方式和相关参数及后续改进工作提供依据。
1 瓦斯抽采钻孔漏气通道检测技术
1.1 检测原理
根据围岩松动圈理论和巷道“三带”应力分布特征[9]，巷道两侧和抽采钻孔孔周裂隙发育，导致煤岩层原生裂隙和再生裂隙相互沟通，此外抽采钻孔封孔段密封效果差，普遍存在封孔深度不足、封孔材料无法有效填充煤岩裂隙和封堵管路破损等问题，形成抽采钻孔的漏气通道[10]，从源头上降低了瓦斯抽采浓度，直接制约了矿井瓦斯抽采效果。
根据相关专家学者研究成果和管流流体力学原理[11-12]，在正常抽采状态下，抽采钻孔内瓦斯浓度沿钻孔深度变化基本保持一致，抽采负压沿钻孔深度变化呈线性衰减，且原始煤岩层中没有氧气成分存在。因此，可以通过检测抽采状态下沿钻孔深度变化不同位置处抽采负压、瓦斯浓度和氧气浓度的分布情况来判定抽采钻孔漏气情况，进而分析钻孔漏气类型和通道位置。
理论上，在较短区域内抽采负压的变化通常不明显，而在单位时间内钻孔所提供的瓦斯涌出量相对恒定。当存在漏气通道时，在抽采负压的作用下，涌入抽采钻孔的空气会导致瓦斯浓度呈现阶梯式下降，即瓦斯浓度会发生突变[13]。因此，根据瓦斯浓度的突变和氧气浓度情况来判定两点之间的漏气状态，进而分析其漏气原因及漏气强度是科学、可行的。
1.2 漏气通道位置判定及原因分析
在正常抽采条件下，通过测定抽采钻孔内不同深度的负压、瓦斯浓度和氧气浓度等可以得到检测参数随钻孔深度的分布变化规律，从而分析判断抽采钻孔的漏气原因和漏气通道位置。检测段测点布置及可能漏气通道位置如图1所示，其中C0—C4表示瓦斯浓度，P1—P4表示可能漏气通道位置。以瓦斯浓度为主、抽采负压和氧气浓度为辅进行漏气通道判定，判定方法见表1。若抽采钻孔内不同钻孔深度的瓦斯浓度基本保持不变或波动范围较小，抽采负压呈线性衰减，且氧气浓度较低，表明抽采效果较好；若孔内的负压和瓦斯浓度在某处出现阶梯式下降，而氧气浓度骤增，则表明抽采钻孔该处存在漏风通道[14]。
图1 测点布置及可能漏气通道位置
Fig.1 Layout of measuring points and location of possible air leakage channels
表1 瓦斯抽采钻孔漏气通道检测判定方法
Table 1 Detection and determination method of air leakage channel in gas drainage borehole
序号检测段判别依据漏气通道及原因分析1抽采管段C0
2 检测装置设计
2.1 设计要求
瓦斯抽采钻孔漏气检测装置设计要求：① 检测主机设计：优化检测主机内部结构并尽量减小体积和质量，结构紧凑，便于携带。② 取气管件设计：适应抽采钻孔不同深度，要求质量小,便于携带。③ 传感器选型：包括抽采负压传感器、甲烷传感器和氧气浓度传感器选型。
2.2 检测主机设计
检测主机主要包括电源、真空泵、传感器部件、过滤器、显示屏、操作按键、面板、电路控制板、主机箱体等。考虑各参数的测量顺序及传感器安装方便，传感器连接顺序为进气接头-氧气传感器-甲烷传感器-出气接头；负压接头-压力传感器。电源采用质量小的锂电池，并利用固定胶密封在电池盒内。主机箱体增加碰撞部位的结构强度，主要包括电池盒体和泵壳体的基座，避免井下碰撞破损。
检测主机信号处理流程如图2所示。传感器采集的信号经过信号调理单元进行放大，通过单片机控制多路开关，选择相应的传感器输入通道；AD转换器将模拟信号转换成数字信号，通过量化转换成相应的参数值，直接与单片机交换数据；单片机采集完参数后，根据设定的测量深度自动保存数据，并通过仪器显示屏显示测量结果；测量完所有测点数据后，自动绘制数据曲线，并利用无线模块上传测量数据至配套数据管理软件，实现数据的查询、分析及打印。
图2 检测主机信号处理流程
Fig.2 Signal processing flow of detection host
2.3 取气管件及三通装置设计
目前，煤矿常用的抽采管直径范围为50～75 mm，薄壁不锈钢管具有质量小、表面光滑、受压不易变形的优势，因此，取气管件采用直径为25 mm的薄壁不锈钢管，每节1.5 m，设计长度为30 m。为方便井下操作，取气接头两端与取气管件采用快插式连接方式，并用活动螺纹进行连接固定，接头最大直径为32 mm。
为保证在正常抽采状态下进行参数检测，需在抽采管与接抽管中间加装三通装置，如图3所示。该三通装置右端与抽采管路连接，下端与接抽管连接，用于正常瓦斯抽采。取气管通过三通外端进行下放和回收操作，实现不同钻孔深度的气样抽取。为方便井下安装，三通尾端设计成卡扣式，连接瓦斯抽采管道，具有较好的密封效果。
图3 取气管件及三通装置的连接
Fig.3 Connection of air pipe fittings and three-way device
2.4 气体检测传感器选型
(1)压力传感器。采用MPM281高稳压阻式OEM压力传感器，该传感器是一种带隔离并经过精密补偿的高稳定性硅压阻式压力测量仪器，其中硅压阻式敏感元件选用高稳定性扩散硅元件，通过精密修调后的厚膜电路对压力敏感元件进行宽温度范围的温度补偿和零点偏差修正[15]。被测压力经过隔离膜片和内部介质传递到硅压阻式敏感元件上，实现压力到电信号的精确转换。该传感器压力测量范围为0～120 kPa，精度等级达到0.1级，误差为±1.5% F·S。
(2)甲烷传感器。为避免抽采钻孔内气样中其他气体成分影响，采用非色散激光甲烷传感器。该传感器采用光谱吸收原理测量甲烷浓度[16]，具有工作稳定、测量精度高和功耗低的特点；测量范围为0～100%，分辨率为0.01%(0～1%)和0.1%(1%～100%)，误差为±0.06%(0～1%)F·S和真值±6%(1%～100%)F·S；适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸危险的环境，工作环境温度为0～+40 ℃，大气压力为80～116 kPa，工作电压为9～24 V，工作电流≤100 mA/18 V DC。
(3)氧气传感器。采用荧光氧气传感器LuminOx，其具有尺寸小、功耗低的优势；测量范围为0～25%(O2%)，误差为±2%F·S，响应时间小于15 s，工作电压为4.75～5.25 V(推荐5 V)，平均电流小于6 mA。
3 现场应用分析
3.1 试验矿井概况
新疆焦煤(集团)有限责任公司二一三〇煤矿生产能力为1.20 Mt/a，主采4—6号煤层，煤层厚度为0.4～9.77 m，煤层倾角为35～43°，煤的坚固性系数为0.3～0.5，煤层透气性系数为0.029～0.594 m2/(MPa2·d)，煤层瓦斯压力为0.6～2.0 MPa，矿井绝对瓦斯涌出量为10.92～29.53 m3/min，相对瓦斯涌出量为5.86～30.05 m3/t，为煤与瓦斯突出矿井。
矿井瓦斯抽采主要以钻孔预抽和采空区抽采为主，采用本煤层钻孔和底板巷穿层钻孔方式。其中，25213工作面轨道巷抽采钻孔倾角为19°左右，孔径为94 mm，孔深为41～47 m，封孔材料采用水泥注浆，钻孔孔口使用马丽散封堵，利用抽采管自然返浆，封孔深度为9 m。该区域钻孔单孔浓度低、衰减较快，抽采效果不理想。
3.2 现场检测操作步骤
在二一三〇煤矿25213工作面轨道巷进行现场应用试验，瓦斯抽采钻孔漏气通道检测分析操作步骤：
(1)拆除用于连接抽采管和汇流管的连接管，安装三通装置，并与抽采管和汇流管连接。
(2)将取气管件依次连接，并从三通装置末端送到钻孔内预定的取气位置，并将取气管件与气体检测装置连接。
(3)在正常抽采状态下，启动检测装置，开始检测抽采钻孔预定取气位置的抽采负压、瓦斯浓度和氧气浓度，记录并储存相关测试数据。
(4)循环步骤(1)—(2)，待所有的测点都测定完成后，撤出取气管件，拆除三通装置，重新将抽采管与汇流管连接，恢复抽采。
(5)分析数据，检测完成后自动生成参数变化曲线，获得钻孔内瓦斯流动规律，进而分析判断漏气类型和通道位置。
3.3 试验效果分析
矿井抽采数据统计资料显示，试验区域钻孔瓦斯体积分数普遍较低，日平均瓦斯体积分数为10%～20%，整体抽采效果一般。对试验区域抽采浓度在平均水平以下的钻孔进行漏气通道检测分析，以查找钻孔漏气原因及漏气通道位置。试验钻孔采用水泥砂浆和聚氨酯封堵工艺，封孔深度为9 m，试验装置检测深度为30 m，起始检测位置距孔口6 m，依次增加3 m设置检测点，检测结果如图4所示。
图4 抽采钻孔检测参数变化曲线
Fig.4 Change curves of detection parameters of extraction boreholes
由图4可知，在原封孔工艺和封孔深度下，距孔口0～9 m范围内，瓦斯和氧气体积分数较稳定，抽采负压近似于线性衰减，说明抽采管未发生破损或接口漏气等，抽采管密封效果较好；而在距孔口9～18 m范围内出现了不同程度的瓦斯和氧气体积分数突变情况。根据抽采钻孔漏气通道检测方法，该区段存在漏气通道，最大漏气通道在距孔口9～12 m范围内，说明原封孔深度不足，原封孔工艺无法有效密封漏气通道。
综合考虑封孔成本和封孔难度，对比试验后，将封孔深度增加至12 m，并采用“两堵一注”带压注浆封孔工艺，改进后的抽采钻孔检测参数变化曲线如图5所示。由图5可知，在改进封孔工艺和封孔参数后，试验钻孔整体抽采效果大幅改善，孔口瓦斯体积分数提升至55%以上；在距孔口12～15 m范围内，瓦斯和氧气体积分数变化较稳定；而在距孔口15～18 m范围内仍然存在漏气情况，但是突变幅度不大；在距孔口18 m以深范围内瓦斯体积分数变化稳定，氧气体积分数近乎为0，此时漏气通道减少。
图5 改进后的抽采钻孔检测参数变化曲线
Fig.5 Change curves of detection parameters of extraction boreholes after improvement
根据上述对比检测分析结果，建议将试验区域封孔深度增加至12 m，并推广应用“两堵一注”带压注浆封孔工艺，以提高瓦斯抽采率，改善瓦斯抽采效果。
4 结论
(1)根据管流流体力学原理，分析了抽采钻孔漏气原因，阐述了钻孔漏气位置的判别方法，研制了一种适用于煤矿井下的瓦斯抽采钻孔漏气通道检测装置。
(2)采用非色散激光甲烷传感器和荧光氧气传感器，提高了装置的检测精度和可靠性；采用1.5 m/节快接式25 mm薄壁不锈钢管，钻孔检测深度达30 m。
(3)现场应用结果表明，该装置能够准确检测抽采钻孔漏气通道位置，通过分析得到漏气原因，可为煤矿改进封孔工艺、提高封孔质量提供科学依据。
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