正利煤業二采區井下移動瓦斯抽采系統設計研究

謝一德

（山西焦煤集團嵐縣正利煤業有限公司，山西 嵐縣 033599）

瓦斯一直是威脅煤礦安全生產的“隱形殺手”，瓦斯爆炸、突出等事故時有發生。我國已經在該領域做出大量研究，目前常用的方法是瓦斯抽采[1-3]。

正利煤業瓦斯涌出量為11.02 m3/min，為高瓦斯礦井，僅僅通過風排瓦斯無法滿足礦井安全生產要求。礦井延伸至二采區，開采深度增大，導致抽采管路鋪設長度增加，原一采區抽采設備陳舊，抽采能力下降，無法滿足二采區抽采要求。因此，須建設一套全新的抽采系統。本文通過計算二采區抽采需求，選定一套抽采泵站系統，并進行了抽采能力和管道阻力的核定。

1 礦井及二采區概況

正利煤業設計產能150萬t/a，批準開采煤層為4-1、4、7、9煤層，目前在采煤層為4-1#煤層，向深部二采區延伸，開采深度越來越大。4-1#煤平均厚度3.01 m，頂板為泥巖，底板為砂巖，整體賦存穩。煤層原始瓦斯為6.33 m3/t，瓦斯壓力為0.42 MPa，煤層硬度介于0.5～1.2。具體3#煤層瓦斯參數見表1。

表1 3#煤層瓦斯參數

二采區井下標高+566～ +647 m，第一個回采工作面為14-1201工作面。14-1201工作面走向長度1300 m，傾向長度280 m。工作面布置情況如圖1。

圖1 二采區工作面布置圖

2 二采區移動抽采系統設計

為確保移動抽采系統設計可靠，首先需要確定抽采方法。根據煤層瓦斯情況，擬采用的技術有[4-7]：（1）本煤層預抽；（2）高位鉆孔；（3）插管抽采。預計本煤層預抽量為40%。

2.1 抽采方法

2.1.1 本煤層預抽

本煤層預抽鉆孔設計如圖2。由圖可知，抽采管路布置在膠帶順槽。鉆孔設計深度265 m，由軌道順槽向膠帶順槽施工，孔間距為3 m，孔徑為Φ94 mm。抽采管路鋪設在軌道順槽，材質為PVC，管徑Φ300 mm。

圖2 3號煤層平行工作面鉆孔布置圖

2.1.2 高位鉆孔抽采

高位鉆孔設計如圖3。鉆孔施工位置為膠帶順槽，每個鉆場間隔30 m，所有鉆孔在鉆場內施工。

圖3 高位鉆孔設計圖

每個鉆場內實施一組鉆孔，每組鉆孔6個，孔徑Φ113 mm。每組鉆孔參數見表2。

表2 高位鉆孔參數表

2.1.3 插管

插管抽采設計如圖4。在膠帶順槽鋪設一趟管路，管徑Φ300 mm，管路材質為鋼材。

圖4 插管設計圖

2.2 抽采系統設計

2.2.1 管路鋪設

管路鋪設路徑為：回采工作面膠帶順槽→二采區回風下山→泵站→二采區回風下山。其中泵站設置在2#膠帶聯絡巷，具體位置如圖5。

圖5 管路鋪設圖

2.2.2 泵站選型

根據現場情況及計算，擬采用ZWY360/400-G型抽采系統，該泵站系統安置泵站兩臺，一臺正常使用，一臺備用。

泵站額定功率400 kW，轉速可達320 r/min，設備設置了隔爆電機。額定抽氣量360 m3/min。

泵站系統配套：（1）專用控制閥門；（2）負壓排放水器；（3）孔板流量計；（4）測量專用壓嘴；（5）其他監測監控設備。

3 抽采能力核定

3.1 額定功率核定

為確保二采區瓦斯抽采能力達標，需對瓦斯抽采泵站的抽采能力進行核定。根據其他工作面抽采數據推測，工作面采空區瓦斯抽采量為1.44 m3/min，故本次泵站核定過程中，采空區的瓦斯抽采量以1.44 m3/min來進行計算。

式中：Q泵為抽采泵額定流量，m3/min；QZ為整個礦井瓦斯抽采純量，m3/min；x為瓦斯抽采濃度，%；K為備用系數，一般取3.5；η為瓦斯抽采泵的抽采效率。

根據二采區實際情況，QZ取值1.44 m3/min，x取值0.03，K取值3.5，η取值0.8。通過計算，礦井需要泵站的額定功率為210 m3/min。故所選用的泵站的額定功率不得小于210 m3/min。ZWY360/400-G型抽采泵額定抽采量360 m3/min，完全滿足二采區抽采需求。

3.2 本煤層抽采負壓核定

根據規程要求，預抽瓦斯鉆孔的孔口負壓不得低于13 kPa。

式中：H為直管阻力損失，Pa；L為管路長度，m；Q為瓦斯流量，m3/h；D為管道內徑，cm；k為與管道有關的系數；V為混合瓦斯對空氣的對比。其中，管網局部阻力為直管摩擦阻力的10%～20%，本次校核計算管網局部阻力為直管摩擦阻力的15%。

管路直管阻力損失計算：

H直總=（9.8×L×V×Q2）/（k×D5）

=[9.8×1440×0.951×（280×60）2]/（0.57×805）

=2.027 kPa。

管路局部阻力損失H局總按照直管阻力損失的15%計算：

H局總=H直總×15%=304 Pa。

管網系統總阻力H總=H直總+H局總=2.331 kPa。

卸壓瓦斯抽采鉆孔的孔口負壓不得低于5 kPa，因此，真空泵所提供的負壓不得低于7.331 kPa。ZWY360/400-G型真空泵工況狀態完全滿足該區域抽采要求。

4 抽采效果分析

4-1#煤層原始瓦斯含量為6.33 m3/t，根據抽采需求，須預抽40%，即為2.532 m3/t，預抽瓦斯量為4 656 855.16 m3。通過對平行預抽鉆孔抽采情況進行60 d的考察，考察結果如圖6。統計分析可知，鉆孔60 d內平均抽采濃度為53.5%，平均抽采純量為0.035 635 m3/min。按照規定，180 d能完成預抽要求。

圖6 預抽情況曲線圖

回采過程中，抽采瓦斯量不低于4.79 m3/min。通過對回采過程中高位鉆孔、插管抽采情況進行15 d的考察，考察結果如圖7、圖8。

圖7 插管抽采情況曲線圖

圖8 高位鉆孔抽采情況曲線圖

通過分析，插管平均抽采濃度為45.5%，平均抽采純量為2.026 3 m3/min；高位鉆孔平均抽采濃度為46.5%，平均抽采純量為1.600 8 m3/min；工作面回采過程中未出現上隅角、回風巷瓦斯超限現象。

5 總結

本文闡述了正利煤業二采區概況及安裝井下移動泵站系統的必要性。通過分析礦井二采區抽采方式，對煤礦二采區泵站系統進行了設計，得出以下結論：

礦井主要抽采方式有：① 預抽采用順層鉆孔，設計長度265 m，孔間距3 m；② 施工高位鉆孔前先施工專用鉆場，鉆場間距30 m。每個鉆場施工一組鉆孔，每組鉆孔6個，設計孔徑113 mm；③ 設計插管一條，使用鋼管，管徑300 mm。

泵站選型為ZWY360/400-G型泵，額定抽氣量360 m3/min。

校核計算可知，需要的泵站額定抽風量不得低于210 m3/min，所選用的泵站完全可以滿足需求。

通過抽采效果考察，抽采系統完全可以滿足二采區實際生產需求。

綜上所述，本文所涉及泵站可靠性強，完全可以滿足二采區抽采需求。研究成果對于礦井抽采系統選型具有一定的指導意義。