《煤礦安全規(guī)程》（2022版）中關(guān)于惰性氣體鉆進(jìn)的相關(guān)條款第184條明確指出，在瓦斯抽采鉆孔施工中，若采用空氣鉆進(jìn)有瓦斯燃爆風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)改用惰性氣體（如氮?dú)猓┳鳛檠h(huán)介質(zhì)或其他安全工藝。

我國(guó)煤礦松軟破碎煤層礦井分布廣、占比約50%。煤層結(jié)構(gòu)破碎、強(qiáng)度低、瓦斯含量高、滲透性差，造成瓦斯抽采效率低，鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生塌孔、卡鉆事故，成孔率低且易引發(fā)瓦斯突出或爆炸。

文章來源：《智能礦山》2025年第9期“革新·改造：優(yōu)秀 QC 成果”欄目

作者簡(jiǎn)介：王剛，主要從事煤機(jī)應(yīng)用與研發(fā)、高壓制氮機(jī)的相關(guān)研究工作。E-mail：317608636@qq.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引用格式：王剛.2.0 MPa 高壓智能制氮排渣裝置研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(9)：45-49.

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高壓智能制氮排渣裝置研發(fā)背景

目前，煤礦抽采鉆孔施工仍采用傳統(tǒng)鉆進(jìn)方式，即水鉆、螺旋鉆進(jìn)與空氣鉆。水鉆施工時(shí)，水力沖刷易導(dǎo)致孔壁過度破碎，孔壁難以自穩(wěn)，易發(fā)生塌孔或縮徑，影響成孔質(zhì)量；螺旋鉆進(jìn)，排渣能力不足，易堵孔，成孔難；空氣鉆當(dāng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)破煤巖時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高熱量，與鉆進(jìn)帶入孔底的氧氣，易導(dǎo)致滿足燃燒三要素，需采取合理方式規(guī)避空氣鉆的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

全國(guó)各大煤礦針對(duì)松軟煤層鉆進(jìn)不斷探索新工藝、新技術(shù)，多以螺旋鉆進(jìn)和壓風(fēng)鉆進(jìn)為突破點(diǎn)。壓風(fēng)鉆進(jìn)施工過程中，孔底富氧容易導(dǎo)致煤層自燃等安全隱患，為提高成孔效率及安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔施工高效節(jié)能，利用惰性氣體（氮?dú)猓┐鎵嚎s空氣為循環(huán)介質(zhì)，可有效控制孔底氧氣含量，采用氮?dú)馀旁蔀樗绍浢簩鱼@進(jìn)的研究主要方向。

2022年，中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司（簡(jiǎn)稱沈陽(yáng)研究院）成立項(xiàng)目組，研發(fā)出高壓智能制氮機(jī)組如圖1所示，高壓智能制氮機(jī)組主要參數(shù)見表1。

圖1 高壓智能制氮機(jī)組

表1 高壓智能制氮機(jī)組主要參數(shù)

高壓智能制氮排渣裝置工藝

調(diào)研國(guó)內(nèi)外其他行業(yè)的高壓制氮機(jī)，壓力均以1.0 MPa為主，不同型號(hào)的螺桿馬達(dá)啟動(dòng)壓力不同，大部分單級(jí)螺桿馬達(dá)啟動(dòng)為0.5～1.6 MPa ，最大功率為1.2～2.0 MPa；分析煤礦眼井直徑、鉆桿外徑、反流速度和大部分孔深，設(shè)定高壓智能制氮排渣裝置指標(biāo)為氮?dú)猱a(chǎn)量≥600 m3、氮?dú)獬隹趬毫Α?.2 MPa、氮?dú)饧兌取?3%。

（1）噴油螺桿式雙級(jí)壓縮空氣壓縮機(jī)

空氣壓縮機(jī)主機(jī)機(jī)頭采用噴油螺桿式雙級(jí)壓縮空氣壓縮機(jī)如圖2所示，兩級(jí)螺桿主機(jī)采用大直徑轉(zhuǎn)子，滿足每級(jí)最高壓縮效率要求；等壓比設(shè)計(jì)達(dá)到最佳壓縮效率；兩級(jí)螺桿主機(jī)采用噴射式級(jí)間冷卻方式，兩級(jí)進(jìn)氣溫度相對(duì)較低，比普通兩級(jí)壓縮主機(jī)具有更高的壓縮效率； 電氣系統(tǒng)采用隔爆兼本安PLC控制箱、電磁閥、傳感器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)控制、運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、維護(hù)提醒、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄等功能。

圖2 噴油螺桿式雙級(jí)壓縮空氣壓縮機(jī)

（2）膜分離制氮裝置

制氮方式采用膜分離制氮如圖3所示。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，適合煤礦井下巷道環(huán)境；超細(xì)化的中空纖維膜具有較好的分離性能和比表面積，制氮的氮?dú)饣厥章矢?；開停機(jī)方便迅速，操作簡(jiǎn)單，滿足1 min內(nèi)生產(chǎn)出合格氮?dú)?。冷卻方式采用水冷加高熵合金組合方式，在保證冷卻效果的同時(shí)具有阻垢作用，有效減少設(shè)備維護(hù)工作。

圖3 膜分離制氮裝置

2022年在沈陽(yáng)研究院廠內(nèi)完成試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，DMJ-900樣機(jī)在國(guó)家煤礦防塵通風(fēng)安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心鉆機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試，依據(jù)MT/T774-2011《煤礦用移動(dòng)式膜分離制氮裝置通用技術(shù)條件》測(cè)試，結(jié)果數(shù)據(jù)見表2，測(cè)試結(jié)果表明樣機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表2 DMJ-900樣機(jī)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)

在石油、煤炭行業(yè)中，廣泛采用膜分離方法從空氣中進(jìn)行氧氮分離，利用空氣透過高分子膜的滲透速率差異分離空氣獲取氮?dú)獾奈锢矸椒??？諝庵醒鯕猓∣?）、水蒸氣等氣體的滲透速率遠(yuǎn)高于氮?dú)猓∟?），O?分子較小且極性較強(qiáng)，更快溶解并擴(kuò)散通過膜組，N?分子較大且惰性，滲透速率慢，采用中空纖維膜過濾特性，被保留在膜的另一側(cè)得到高純度氮?dú)?，基于氧氮分離特點(diǎn)，供氣壓力越大氧氮分離效率越高。

（3）制氮裝置實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)

制氮裝置均配置了在線式測(cè)氮儀、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備在運(yùn)行過程中的流量、純度情況。在此畫面上，制氮裝置實(shí)時(shí)監(jiān)視界面如圖4所示，直觀展示氮?dú)饧兌?，流量、膜組進(jìn)氣溫度等狀態(tài)參數(shù)。

圖4 制氮裝置實(shí)時(shí)監(jiān)視界面

（4）制氮裝備電氣遠(yuǎn)程控制中心

PLC控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制氮裝置的排氣溫度、排氣壓力、供氣流量、電機(jī)軸溫、繞組溫度、電機(jī)振動(dòng)、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、氮?dú)鉂舛取㈤y門開度等參數(shù)，若突發(fā)異常直接向上位機(jī)報(bào)警，并自動(dòng)執(zhí)行報(bào)警或停機(jī)保護(hù)。制氮裝備電氣遠(yuǎn)程控制中心可通過上位機(jī)控制空壓機(jī)啟動(dòng)、停止，控制電動(dòng)閥門打開和關(guān)閉，以及超溫、超振、超壓、缺相、過載等保護(hù)功能，上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

采用AI圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)制氮裝備狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)行為分析，基于5G/WiFi等無線協(xié)議的數(shù)據(jù)上傳鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)端無線交互。實(shí)現(xiàn)制氮裝備作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無人值守，調(diào)度室遠(yuǎn)程集中控制作業(yè)，實(shí)現(xiàn)減人、增安、提效的能力。

高壓智能制氮排渣裝置技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

膜分離制氮技術(shù)制氮效率高、能耗低，是國(guó)內(nèi)首套超高壓、大產(chǎn)氣量膜分離制氮技術(shù)裝備。裝置采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高效過濾壓縮空氣中的油、水及其他雜質(zhì)，多膜組續(xù)分離空氣中的氧氣和氮?dú)猓そM件耐壓高、壓力損失小，適合長(zhǎng)距離輸送，并具有氮?dú)饧兌?、壓力、流量在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能和報(bào)警功能。氮?dú)忏@進(jìn)施工可防自燃發(fā)火，保障煤層鉆孔施工安全，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括3個(gè)方面。

（1）采用國(guó)際最先進(jìn)的中空纖維膜分離制氮技術(shù)，氮?dú)廨敵鰤毫_(dá)到2.0 MPa，膜車系統(tǒng)制氮流程如圖5所示。

圖5 膜車系統(tǒng)制氮流程

空氣由螺桿空壓機(jī)壓縮至2.4 MPa狀態(tài)，進(jìn)入冷卻器、氣液分離器，冷凝器分離空氣中的油、水、氣，除去部分的機(jī)械雜質(zhì)和油含量；壓縮空氣再經(jīng)過專用除油器、高效過濾器，進(jìn)一步凈化過濾處理油和機(jī)械雜質(zhì)，達(dá)到膜組件對(duì)壓縮空氣工況指標(biāo)的要求，再經(jīng)過換熱器使氣體達(dá)到約35 ℃進(jìn)入膜桶，分離空氣中的氮、氧。

隔爆型電磁閥控制氣動(dòng)閥工作，出氣管道由礦用氧氣傳感器、流量計(jì)、調(diào)壓閥組成，在制氮設(shè)備工作時(shí)，保持氮?dú)夥€(wěn)定輸出；礦用氧氣傳感器在線顯示氮?dú)饧兌龋坏獨(dú)饧兌冗B續(xù)自動(dòng)檢測(cè)、燈光報(bào)警，濃度<93%（含氧量≤7%）時(shí)，不合格氮?dú)庾詣?dòng)排空。

（2）具有空壓機(jī)單元渦流式自冷卻循環(huán)系統(tǒng)，冷卻器阻垢率≥95%，腐蝕速率降低2倍，阻垢過程示意如圖6所示。

圖6 阻垢過程示意

礦用高熵合金阻垢裝置，基于亞穩(wěn)多主元高熵合金電位差形成純物理電催化反應(yīng)，改變從裝置內(nèi)部表面流過水中的鈣鎂等離子結(jié)晶狀態(tài)，形成不致密、低強(qiáng)度、與管壁結(jié)合不牢固的氧化鈣，在水流沖擊下剝離，使管壁不結(jié)垢，解決以水作為工作介質(zhì)和冷卻介質(zhì)的設(shè)備結(jié)垢問題，保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備和管道，達(dá)到防結(jié)垢和防腐。

（3）建立基于AI視頻技術(shù)的電子圍欄模型，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無人值守常態(tài)化運(yùn)行作業(yè)模式，智能模塊組成如圖7所示。

圖7 智能模塊組成

高壓智能制氮排渣裝置工業(yè)試驗(yàn)

高壓智能制氮排渣裝置在山西天地王坡煤業(yè)有限公司進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，主采3#煤層屬于典型碎軟煤層，驗(yàn)證了智能恒壓控制、長(zhǎng)壽命工作，強(qiáng)排渣防卡鉆、燒鉆等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)順煤層鉆孔主孔深度437 m，刷新了國(guó)內(nèi)煤礦井下碎軟煤層氣動(dòng)鉆孔深度新紀(jì)錄，工業(yè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示，為碎軟煤層區(qū)域瓦斯高效治理模式提供技術(shù)支撐。

圖8 工業(yè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.0 MPa高壓智能制氮裝置的開發(fā)和氣動(dòng)鉆進(jìn)工藝技術(shù)，解決了碎軟煤層長(zhǎng)距離精準(zhǔn)定向成孔及開分支的技術(shù)難題，鉆孔試驗(yàn)進(jìn)尺40 000 m，平均鉆孔深度>300 m，取得了最高月臺(tái)效4 011 m、平均月臺(tái)效>3 000 m與最大孔深437 m的成績(jī)，氮?dú)忏@進(jìn)技術(shù)進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，節(jié)約施工成本，實(shí)現(xiàn)了瓦斯超前治理，目前全國(guó)已累計(jì)銷售制氮機(jī)20余套，合同額6 500余萬元。

總 結(jié)

（1）高壓智能制氮機(jī)產(chǎn)品，成功實(shí)現(xiàn)了沈陽(yáng)院在瓦斯治理、通風(fēng)防滅火、鉆探類工程總包業(yè)務(wù)顯著提升。

（2）沈陽(yáng)院將以整機(jī)銷售與裝備租賃服務(wù)相結(jié)合的方式，積極探索瓦斯治理、通風(fēng)防滅火工程總包技術(shù)服務(wù)模式，積極展開多向合作，為解決松軟煤層氣治理中深孔鉆進(jìn)技術(shù)與采空區(qū)煤層自燃發(fā)火治理難題提供保障。

（3）隨著沈陽(yáng)研究院在高壓智能制氮機(jī)領(lǐng)域的不斷探索攻關(guān)，制氮機(jī)的成熟性、穩(wěn)定性和可靠性都得到了提升，下一步將研發(fā)輸出壓力為3.0 MPa的裝備。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡(jiǎn)介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

刊載欄目：企業(yè)/團(tuán)隊(duì)/人物專訪政策解讀視角·觀點(diǎn)智能示范礦井對(duì)話革新·改造學(xué)術(shù)園地、專題報(bào)道等。

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