中國煤科沈陽研究院王剛：2.0 MPa 高壓智能制氮排渣裝置研發(fā)與應用

2025年10月17日 16:16 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

《煤礦安全規(guī)程》（2022版）中關于惰性氣體鉆進的相關條款第184條明確指出，在瓦斯抽采鉆孔施工中，若采用空氣鉆進有瓦斯燃爆風險時，應改用惰性氣體（如氮氣）作為循環(huán)介質(zhì)或其他安全工藝。

我國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、強度低、瓦斯含量高、滲透性差，造成瓦斯抽采效率低，鉆進時易發(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

作者簡介：王剛，主要從事煤機應用與研發(fā)、高壓制氮機的相關研究工作。E-mail：317608636@qq.com

作者單位：中煤科工集團沈陽研究院有限公司；煤礦安全技術國家重點實驗室

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)鉆進方式，即水鉆、螺旋鉆進與空氣鉆。水鉆施工時，水力沖刷易導致孔壁過度破碎，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，排渣能力不足，易堵孔，成孔難；空氣鉆當鉆頭高速旋轉(zhuǎn)破煤巖時會產(chǎn)生較高熱量，與鉆進帶入孔底的氧氣，易導致滿足燃燒三要素，需采取合理方式規(guī)避空氣鉆的潛在風險。

全國各大煤礦針對松軟煤層鉆進不斷探索新工藝、新技術，多以螺旋鉆進和壓風鉆進為突破點。壓風鉆進施工過程中，孔底富氧容易導致煤層自燃等安全隱患，為提高成孔效率及安全系數(shù)，實現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔施工高效節(jié)能，利用惰性氣體（氮氣）代替壓縮空氣為循環(huán)介質(zhì)，可有效控制孔底氧氣含量，采用氮氣排渣成為松軟煤層鉆進的研究主要方向。

2022年，中煤科工集團沈陽研究院有限公司（簡稱沈陽研究院）成立項目組，研發(fā)出高壓智能制氮機組如圖1所示，高壓智能制氮機組主要參數(shù)見表1。

圖1 高壓智能制氮機組

表1 高壓智能制氮機組主要參數(shù)

高壓智能制氮排渣裝置工藝

調(diào)研國內(nèi)外其他行業(yè)的高壓制氮機，壓力均以1.0 MPa為主，不同型號的螺桿馬達啟動壓力不同，大部分單級螺桿馬達啟動為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，設定高壓智能制氮排渣裝置指標為氮氣產(chǎn)量≥600 m3、氮氣出口壓力≥1.2 MPa、氮氣純度≥93%。

（1）噴油螺桿式雙級壓縮空氣壓縮機

空氣壓縮機主機機頭采用噴油螺桿式雙級壓縮空氣壓縮機如圖2所示，兩級螺桿主機采用大直徑轉(zhuǎn)子，滿足每級最高壓縮效率要求；等壓比設計達到最佳壓縮效率；兩級螺桿主機采用噴射式級間冷卻方式，兩級進氣溫度相對較低，比普通兩級壓縮主機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、傳感器等設備，實現(xiàn)設備自動控制、運行參數(shù)實時監(jiān)控、遠程操作、維護提醒、故障報警、數(shù)據(jù)記錄等功能。

圖2 噴油螺桿式雙級壓縮空氣壓縮機

（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，制氮的氮氣回收率高；開停機方便迅速，操作簡單，滿足1 min內(nèi)生產(chǎn)出合格氮氣。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具有阻垢作用，有效減少設備維護工作。

圖3 膜分離制氮裝置

2022年在沈陽研究院廠內(nèi)完成試驗和型式試驗，DMJ-900樣機在國家煤礦防塵通風安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心鉆機實驗室進行了測試，依據(jù)MT/T774-2011《煤礦用移動式膜分離制氮裝置通用技術條件》測試，結(jié)果數(shù)據(jù)見表2，測試結(jié)果表明樣機各項技術指標達到設計要求。

表2 DMJ-900樣機實驗室測試數(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氣的物理方法?？諝庵醒鯕猓∣?）、水蒸氣等氣體的滲透速率遠高于氮氣（N?），O?分子較小且極性較強，更快溶解并擴散通過膜組，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)得到高純度氮氣，基于氧氮分離特點，供氣壓力越大氧氮分離效率越高。

（3）制氮裝置實時監(jiān)視系統(tǒng)

制氮裝置均配置了在線式測氮儀、旋進旋渦流量計，可實時監(jiān)測設備在運行過程中的流量、純度情況。在此畫面上，制氮裝置實時監(jiān)視界面如圖4所示，直觀展示氮氣純度，流量、膜組進氣溫度等狀態(tài)參數(shù)。

圖4 制氮裝置實時監(jiān)視界面

（4）制氮裝備電氣遠程控制中心

PLC控制器實時監(jiān)測制氮裝置的排氣溫度、排氣壓力、供氣流量、電機軸溫、繞組溫度、電機振動、電機電壓、電機電流、氮氣濃度、閥門開度等參數(shù)，若突發(fā)異常直接向上位機報警，并自動執(zhí)行報警或停機保護。制氮裝備電氣遠程控制中心可通過上位機控制空壓機啟動、停止，控制電動閥門打開和關閉，以及超溫、超振、超壓、缺相、過載等保護功能，上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)遠程集中控制。

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

高壓智能制氮排渣裝置技術創(chuàng)新點

膜分離制氮技術制氮效率高、能耗低，是國內(nèi)首套超高壓、大產(chǎn)氣量膜分離制氮技術裝備。裝置采用分體式結(jié)構(gòu)設計，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氣，膜組件耐壓高、壓力損失小，適合長距離輸送，并具有氮氣純度、壓力、流量在線自動監(jiān)測功能和報警功能。氮氣鉆進施工可防自燃發(fā)火，保障煤層鉆孔施工安全，主要創(chuàng)新點包括3個方面。

（1）采用國際最先進的中空纖維膜分離制氮技術，氮氣輸出壓力達到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

空氣由螺桿空壓機壓縮至2.4 MPa狀態(tài)，進入冷卻器、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，進一步凈化過濾處理油和機械雜質(zhì)，達到膜組件對壓縮空氣工況指標的要求，再經(jīng)過換熱器使氣體達到約35 ℃進入膜桶，分離空氣中的氮、氧。

隔爆型電磁閥控制氣動閥工作，出氣管道由礦用氧氣傳感器、流量計、調(diào)壓閥組成，在制氮設備工作時，保持氮氣穩(wěn)定輸出；礦用氧氣傳感器在線顯示氮氣純度；氮氣純度連續(xù)自動檢測、燈光報警，濃度<93%（含氧量≤7%）時，不合格氮氣自動排空。

（2）具有空壓機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，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)的設備結(jié)垢問題，保護關鍵設備和管道，達到防結(jié)垢和防腐。

（3）建立基于AI視頻技術的電子圍欄模型，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場無人值守常態(tài)化運行作業(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

高壓智能制氮排渣裝置在山西天地王坡煤業(yè)有限公司進行工業(yè)性試驗，主采3#煤層屬于典型碎軟煤層，驗證了智能恒壓控制、長壽命工作，強排渣防卡鉆、燒鉆等技術，實現(xiàn)順煤層鉆孔主孔深度437 m，刷新了國內(nèi)煤礦井下碎軟煤層氣動鉆孔深度新紀錄，工業(yè)試驗現(xiàn)場如圖8所示，為碎軟煤層區(qū)域瓦斯高效治理模式提供技術支撐。

圖8 工業(yè)試驗現(xiàn)場

2.0 MPa高壓智能制氮裝置的開發(fā)和氣動鉆進工藝技術，解決了碎軟煤層長距離精準定向成孔及開分支的技術難題，鉆孔試驗進尺40 000 m，平均鉆孔深度>300 m，取得了最高月臺效4 011 m、平均月臺效>3 000 m與最大孔深437 m的成績，氮氣鉆進技術進行區(qū)域瓦斯治理，節(jié)約施工成本，實現(xiàn)了瓦斯超前治理，目前全國已累計銷售制氮機20余套，合同額6 500余萬元。

總結(jié)

（1）高壓智能制氮機產(chǎn)品，成功實現(xiàn)了沈陽院在瓦斯治理、通風防滅火、鉆探類工程總包業(yè)務顯著提升。

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

（3）隨著沈陽研究院在高壓智能制氮機領域的不斷探索攻關，制氮機的成熟性、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

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