中国煤科沈阳研究院王刚：2.0 MPa 高压智能制氮排渣装置研发与应用

2025年10月17日 16:16 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

《煤矿安全规程》（2022版）中关于惰性气体钻进的相关条款第184条明确指出，在瓦斯抽采钻孔施工中，若采用空气钻进有瓦斯燃爆风险时，应改用惰性气体（如氮气）作为循环介质或其他安全工艺。

我国煤矿松软破碎煤层矿井分布广、占比约50%。煤层结构破碎、强度低、瓦斯含量高、渗透性差，造成瓦斯抽采效率低，钻进时易发生塌孔、卡钻事故，成孔率低且易引发瓦斯突出或爆炸。

文章来源：《智能矿山》2025年第9期“革新·改造：优秀 QC 成果”栏目

作者简介：王刚，主要从事煤机应用与研发、高压制氮机的相关研究工作。E-mail：317608636@qq.com

作者单位：中煤科工集团沈阳研究院有限公司；煤矿安全技术国家重点实验室

引用格式：王刚.2.0 MPa 高压智能制氮排渣装置研发与应用[J].智能矿山，2025，6(9)：45-49.

点击文末左下角阅读原文，免费下载阅读pdf全文

关注微信公众号，了解更多矿山智能化建设进展

高压智能制氮排渣装置研发背景

目前，煤矿抽采钻孔施工仍采用传统钻进方式，即水钻、螺旋钻进与空气钻。水钻施工时，水力冲刷易导致孔壁过度破碎，孔壁难以自稳，易发生塌孔或缩径，影响成孔质量；螺旋钻进，排渣能力不足，易堵孔，成孔难；空气钻当钻头高速旋转破煤岩时会产生较高热量，与钻进带入孔底的氧气，易导致满足燃烧三要素，需采取合理方式规避空气钻的潜在风险。

全国各大煤矿针对松软煤层钻进不断探索新工艺、新技术，多以螺旋钻进和压风钻进为突破点。压风钻进施工过程中，孔底富氧容易导致煤层自燃等安全隐患，为提高成孔效率及安全系数，实现瓦斯抽采钻孔施工高效节能，利用惰性气体（氮气）代替压缩空气为循环介质，可有效控制孔底氧气含量，采用氮气排渣成为松软煤层钻进的研究主要方向。

2022年，中煤科工集团沈阳研究院有限公司（简称沈阳研究院）成立项目组，研发出高压智能制氮机组如图1所示，高压智能制氮机组主要参数见表1。

图1 高压智能制氮机组

表1 高压智能制氮机组主要参数

高压智能制氮排渣装置工艺

调研国内外其他行业的高压制氮机，压力均以1.0 MPa为主，不同型号的螺杆马达启动压力不同，大部分单级螺杆马达启动为0.5～1.6 MPa ，最大功率为1.2～2.0 MPa；分析煤矿眼井直径、钻杆外径、反流速度和大部分孔深，设定高压智能制氮排渣装置指标为氮气产量≥600 m³、氮气出口压力≥1.2 MPa、氮气纯度≥93%。

（1）喷油螺杆式双级压缩空气压缩机

空气压缩机主机机头采用喷油螺杆式双级压缩空气压缩机如图2所示，两级螺杆主机采用大直径转子，满足每级最高压缩效率要求；等压比设计达到最佳压缩效率；两级螺杆主机采用喷射式级间冷却方式，两级进气温度相对较低，比普通两级压缩主机具有更高的压缩效率；电气系统采用隔爆兼本安PLC控制箱、电磁阀、传感器等设备，实现设备自动控制、运行参数实时监控、远程操作、维护提醒、故障报警、数据记录等功能。

图2 喷油螺杆式双级压缩空气压缩机

（2）膜分离制氮装置

制氮方式采用膜分离制氮如图3所示。结构紧凑、体积小、质量轻，适合煤矿井下巷道环境；超细化的中空纤维膜具有较好的分离性能和比表面积，制氮的氮气回收率高；开停机方便迅速，操作简单，满足1 min内生产出合格氮气。冷却方式采用水冷加高熵合金组合方式，在保证冷却效果的同时具有阻垢作用，有效减少设备维护工作。

图3 膜分离制氮装置

2022年在沈阳研究院厂内完成试验和型式试验，DMJ-900样机在国家煤矿防尘通风安全产品质量监督检验中心钻机实验室进行了测试，依据MT/T774-2011《煤矿用移动式膜分离制氮装置通用技术条件》测试，结果数据见表2，测试结果表明样机各项技术指标达到设计要求。

表2 DMJ-900样机实验室测试数据

在石油、煤炭行业中，广泛采用膜分离方法从空气中进行氧氮分离，利用空气透过高分子膜的渗透速率差异分离空气获取氮气的物理方法。空气中氧气（O₂）、水蒸气等气体的渗透速率远高于氮气（N₂），O₂分子较小且极性较强，更快溶解并扩散通过膜组，N₂分子较大且惰性，渗透速率慢，采用中空纤维膜过滤特性，被保留在膜的另一侧得到高纯度氮气，基于氧氮分离特点，供气压力越大氧氮分离效率越高。

（3）制氮装置实时监视系统

制氮装置均配置了在线式测氮仪、旋进旋涡流量计，可实时监测设备在运行过程中的流量、纯度情况。在此画面上，制氮装置实时监视界面如图4所示，直观展示氮气纯度，流量、膜组进气温度等状态参数。

图4 制氮装置实时监视界面

（4）制氮装备电气远程控制中心

PLC控制器实时监测制氮装置的排气温度、排气压力、供气流量、电机轴温、绕组温度、电机振动、电机电压、电机电流、氮气浓度、阀门开度等参数，若突发异常直接向上位机报警，并自动执行报警或停机保护。制氮装备电气远程控制中心可通过上位机控制空压机启动、停止，控制电动阀门打开和关闭，以及超温、超振、超压、缺相、过载等保护功能，上位机监控软件实现远程集中控制。

采用AI图像识别技术实现制氮装备状态和现场作业行为分析，基于5G/WiFi等无线协议的数据上传链路，实现数据与远端无线交互。实现制氮装备作业现场无人值守，调度室远程集中控制作业，实现减人、增安、提效的能力。

高压智能制氮排渣装置技术创新点

膜分离制氮技术制氮效率高、能耗低，是国内首套超高压、大产气量膜分离制氮技术装备。装置采用分体式结构设计，高效过滤压缩空气中的油、水及其他杂质，多膜组续分离空气中的氧气和氮气，膜组件耐压高、压力损失小，适合长距离输送，并具有氮气纯度、压力、流量在线自动监测功能和报警功能。氮气钻进施工可防自燃发火，保障煤层钻孔施工安全，主要创新点包括3个方面。

（1）采用国际最先进的中空纤维膜分离制氮技术，氮气输出压力达到2.0 MPa，膜车系统制氮流程如图5所示。

图5 膜车系统制氮流程

空气由螺杆空压机压缩至2.4 MPa状态，进入冷却器、气液分离器，冷凝器分离空气中的油、水、气，除去部分的机械杂质和油含量；压缩空气再经过专用除油器、高效过滤器，进一步净化过滤处理油和机械杂质，达到膜组件对压缩空气工况指标的要求，再经过换热器使气体达到约35 ℃进入膜桶，分离空气中的氮、氧。

隔爆型电磁阀控制气动阀工作，出气管道由矿用氧气传感器、流量计、调压阀组成，在制氮设备工作时，保持氮气稳定输出；矿用氧气传感器在线显示氮气纯度；氮气纯度连续自动检测、灯光报警，浓度<93%（含氧量≤7%）时，不合格氮气自动排空。

（2）具有空压机单元涡流式自冷却循环系统，冷却器阻垢率≥95%，腐蚀速率降低2倍，阻垢过程示意如图6所示。

图6 阻垢过程示意

矿用高熵合金阻垢装置，基于亚稳多主元高熵合金电位差形成纯物理电催化反应，改变从装置内部表面流过水中的钙镁等离子结晶状态，形成不致密、低强度、与管壁结合不牢固的氧化钙，在水流冲击下剥离，使管壁不结垢，解决以水作为工作介质和冷却介质的设备结垢问题，保护关键设备和管道，达到防结垢和防腐。

（3）建立基于AI视频技术的电子围栏模型，实现作业现场无人值守常态化运行作业模式，智能模块组成如图7所示。

图7 智能模块组成

高压智能制氮排渣装置工业试验

高压智能制氮排渣装置在山西天地王坡煤业有限公司进行工业性试验，主采3#煤层属于典型碎软煤层，验证了智能恒压控制、长寿命工作，强排渣防卡钻、烧钻等技术，实现顺煤层钻孔主孔深度437 m，刷新了国内煤矿井下碎软煤层气动钻孔深度新纪录，工业试验现场如图8所示，为碎软煤层区域瓦斯高效治理模式提供技术支撑。

图8 工业试验现场

2.0 MPa高压智能制氮装置的开发和气动钻进工艺技术，解决了碎软煤层长距离精准定向成孔及开分支的技术难题，钻孔试验进尺40 000 m，平均钻孔深度>300 m，取得了最高月台效4 011 m、平均月台效>3 000 m与最大孔深437 m的成绩，氮气钻进技术进行区域瓦斯治理，节约施工成本，实现了瓦斯超前治理，目前全国已累计销售制氮机20余套，合同额6 500余万元。

总结

（1）高压智能制氮机产品，成功实现了沈阳院在瓦斯治理、通风防灭火、钻探类工程总包业务显著提升。

（2）沈阳院将以整机销售与装备租赁服务相结合的方式，积极探索瓦斯治理、通风防灭火工程总包技术服务模式，积极展开多向合作，为解决松软煤层气治理中深孔钻进技术与采空区煤层自燃发火治理难题提供保障。

（3）随着沈阳研究院在高压智能制氮机领域的不断探索攻关，制氮机的成熟性、稳定性和可靠性都得到了提升，下一步将研发输出压力为3.0 MPa的装备。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

期刊简介

《智能矿山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中国煤炭科工集团有限公司主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。

主编：王国法院士

刊载栏目：企业/团队/人物专访政策解读视角·观点智能示范矿井对话革新·改造学术园地、专题报道等。

投稿网址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

👉 征稿函详见链接： 征稿┃《智能矿山》面向广大读者征稿，欢迎投稿

期刊成果：创刊5年来，策划出版了“中国煤科煤矿智能化成果”“陕煤集团智能化建设成果”“聚焦煤炭工业‘十四五’高质量发展”等特刊/专题30多期。主办“煤矿智能化重大进展发布会”“煤炭清洁高效利用先进成果发布会”“《智能矿山》理事、特约编辑年会暨智能化建设论坛”“智能矿山零距离”“矿山智能化建设运维与技术创新高新研修班”等活动20余次。组建了理事会、特约编辑团队、卓越人物等千余人产学研用高端协同办刊团队，打造了“刊-网-号-群-库”全覆盖的1+N全媒体传播平台，全方位发布矿山智能化领域新技术、新产品、新经验。

👉 具体详见链接：《智能矿山》创刊4周年回顾

联系人：李编辑 010-87986441

邮发代号：82-476

👉 期刊订阅详见链接：欢迎订阅┃《智能矿山》杂志2026年订阅开始了！

往期荐读