厚煤層綜采礦井瓦斯抽采系統(tǒng)擴(kuò)能優(yōu)化技術(shù)研究

王學(xué)兵，蘇保山

（國能烏海能源五虎山礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

1 礦井概況

1.1 礦井總體概況

根據(jù)五虎山煤礦2014 年度瓦斯等級鑒定的結(jié)果，礦井瓦斯相對涌出量為37.08 m3/t、絕對涌出量為92.91 m3/min，為高瓦斯礦井。開采的各煤層煤塵均具有爆炸危險性，煤層屬自燃煤層。開采水平標(biāo)高為+1 149～+939 m，原設(shè)計生產(chǎn)能力為150 萬t/a，目前煤礦核定生產(chǎn)能力為200 萬t/a。本礦井采用斜井盤區(qū)式開拓，9、10 煤層聯(lián)合布置1 個盤區(qū)，12 煤層單獨(dú)布置一個盤區(qū)。采用走向長壁一次采全高采煤法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面后退式回采。礦井通風(fēng)系統(tǒng)為分區(qū)式通風(fēng)，主斜井、副斜井、四層反斜井及行人斜井為進(jìn)風(fēng)井，九層回風(fēng)斜井和十二層回風(fēng)斜井為回風(fēng)井。通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式，掘進(jìn)工作面采用壓入式。

1.2 瓦斯抽放系統(tǒng)概況

五虎山煤礦瓦斯抽放以預(yù)抽煤層瓦斯為主，采空區(qū)抽放瓦斯為輔。礦井目前共有甲、乙 2 個瓦斯抽放泵站，甲泵站用于預(yù)抽煤層瓦斯，乙泵站用于采空區(qū)瓦斯抽放。

甲泵站瓦斯抽放泵房內(nèi)預(yù)留有2 臺泵的安裝位置，以備后期泵站擴(kuò)能改造使用。甲泵站泵房內(nèi)安裝2 臺額定抽放量為380 m3/min 的2BEC67 型水環(huán)式真空泵，1 用1 備，每臺泵配功率為450 kW 的電機(jī)1 臺，電機(jī)轉(zhuǎn)速270 r/min。甲泵站用于9、12 煤層盤區(qū)各采掘工作面本煤層及鄰近煤層的瓦斯預(yù)抽，抽放主管路從甲泵站架空敷設(shè)至九層回風(fēng)斜井井口，沿九層回風(fēng)斜井敷設(shè)至九層集中回風(fēng)巷與十二層集中回風(fēng)巷之間的聯(lián)絡(luò)巷口處，分管路分別沿九層集中回風(fēng)巷與十二層集中回風(fēng)巷、九層回風(fēng)上山與十二層回風(fēng)上山敷設(shè)至各工作面順槽口，支管路分別沿各工作面順槽敷設(shè)至各抽放鉆場。抽放管路采用鋼骨架纖維增強(qiáng)樹脂管，主管路管徑為φ600 mm，分管路管徑為φ450 mm，支管路管徑為φ300 mm。

乙泵站位于九層回風(fēng)斜井井口東北側(cè)，乙泵站長20 m、寬10 m，總占地面積：200 m2。泵站內(nèi)安裝2臺額定抽放量為200 m3/min 的2BEC52 型水環(huán)式真空泵，1 用1 備，每臺泵配功率為250 kW 的電機(jī)1臺，電機(jī)轉(zhuǎn)速322 r/min。乙泵站用于9、10 煤層盤區(qū)各采煤工作面采空區(qū)埋管抽放、高位抽放，抽放主管路從乙泵站架空敷設(shè)至十二層回風(fēng)斜井井口，沿十二層回風(fēng)斜井敷設(shè)至十二層集中回風(fēng)巷與九層集中回風(fēng)巷之間的聯(lián)絡(luò)巷口處，分管路分別沿十二層集中回風(fēng)巷與九層集中回風(fēng)巷、十二層回風(fēng)上山與九層回風(fēng)上山敷設(shè)至各工作面順槽口，支管路分別沿各工作面順槽敷設(shè)至各抽放鉆場。抽放管路采用抗靜電PE管，主管路管徑為φ450 mm，分管路管徑為φ450 mm，支管路管徑為φ300 mm。

2 瓦斯抽放系統(tǒng)存在問題分析

2014-2015 年一季度瓦斯抽放情況見表1。

表1 礦井瓦斯抽放統(tǒng)計表

從表1 可知，五虎山煤礦乙泵站內(nèi)已經(jīng)安裝的2BEC52 型水環(huán)式真空泵用于采空區(qū)瓦斯抽放，其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下抽放量為200 m3/min，工況狀態(tài)下抽放量為128.60 m3/min。由于抽放設(shè)備的機(jī)械效率、設(shè)備使用年限等原因使得乙泵站內(nèi)2BEC52 型水環(huán)式真空泵實(shí)際抽放能力已達(dá)到最大抽放能力，即混合量在110 m3/min 左右；礦井目前總回風(fēng)量約為14 000 m3/min，按現(xiàn)場最大瓦斯?jié)舛?.50 %管理，風(fēng)排瓦斯純量最多為70 m3/min，即剩余采空區(qū)瓦斯涌出純量22.91 m3/min(混合量為184.61 m3/min)需通過瓦斯抽放設(shè)備解決；為此，2015 年2 月五虎山煤礦在井下增加2 臺移動抽放泵用以輔助抽放采空區(qū)瓦斯，但移動抽放泵抽放能力較小、只能臨時解決局部區(qū)域瓦斯涌出量大的問題；隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量越來越大，采空區(qū)瓦斯涌出量也相應(yīng)增大；綜上所述，礦井乙泵站內(nèi)2BEC52 型水環(huán)式真空泵抽放能力不能滿足礦井采空區(qū)瓦斯抽放的要求，需要進(jìn)行擴(kuò)能改造。

3 瓦斯抽放系統(tǒng)擴(kuò)能改造方案

3.1 方案設(shè)計

在礦井的甲泵站抽放泵間內(nèi)已預(yù)留的空間位置新布置2 臺2BEY72 型水環(huán)式真空泵，用于井下采空區(qū)瓦斯抽放；由于已有的乙泵站泵房間面積太小，不能滿足更換安裝大泵的要求，乙泵站維持現(xiàn)狀，作為備用抽放泵站，若井下采掘面瓦斯涌出量大幅增加，乙泵站內(nèi)抽放泵可與正常工作的甲泵站內(nèi)抽放泵并聯(lián)運(yùn)行，以增大瓦斯抽放能力；礦井采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)管路敷設(shè)線路與原系統(tǒng)相同，管路大部分利用已有管路。

3.2 抽采管路選型

瓦斯抽放管的直徑選擇采用下式計算：

式中：d為抽放瓦斯管內(nèi)徑，m；Q為瓦斯管中瓦斯流量，m3/min；V為瓦斯管中的瓦斯經(jīng)濟(jì)流速，主管取 12 m/s，分管、支管取8 m/s。

根據(jù)抽放系統(tǒng)布置，地面、十二層回風(fēng)斜井中敷設(shè)的管路為主管，十二層集中回風(fēng)巷、十二層回風(fēng)上山中敷設(shè)的管路為分管1，九層集中回風(fēng)巷、九層回風(fēng)上山中敷設(shè)的管路為分管2，12 煤層工作面順槽敷設(shè)的管路為支管1、支管2，9、10 煤層工作面順槽敷設(shè)的管路為支管3、支管4，抽放管路計算取抽放量的1.2 倍系數(shù)，抽放管路直徑計算結(jié)果見表2。

表2 抽放瓦斯管路管徑選擇結(jié)果表

通過以上計算，瓦斯抽放系統(tǒng)目前已有的管路均能夠滿足使用要求，無需更換，地面只需增加部分至甲泵站的管路以及泵站內(nèi)外的連接管路即可。

3.3 抽采設(shè)備選型

抽放瓦斯管路的阻力分摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力計算公式如下：

式中：Hm為管路摩擦阻力，Pa；L為管路長度，m；△為混合瓦斯對空氣密度比；K為與管徑有關(guān)系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，cm；Q為瓦斯流量（混合量）m3/h。

局部阻力按摩擦阻力的20%計算，即：

式中：Hj式抽采瓦斯管路局部阻力，Pa。

采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)的最困難路線為：12 煤層工作面順槽1 200 、4 300 mm →十二層回風(fēng)上山、十二層集中回風(fēng)巷1 200 m、中450 mm →十二層回風(fēng)斜井1300 m、中450 mm →瓦斯泵站。

據(jù)此，利用上述阻力計算公式計算得出的抽放管路阻力如表3.2 所示。礦井采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)地面及井下管路阻力之和為8 671.51 Pa。

表3 抽放管路阻力計算結(jié)果表

采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)抽放鉆孔孔口負(fù)壓取15 000 Pa，出口正壓均取5 000 Pa。

1）抽放系統(tǒng)壓力。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下抽放系統(tǒng)壓力可按下列公式計算：

式中：H 為抽放系統(tǒng)壓力，Pa；HGZ為管路最大阻力損失，Pa；HK為抽放鉆孔孔口負(fù)壓，Pa；HZ為出口正壓，Pa；K為壓力富余系數(shù)。

2）抽放泵工況壓力：

式中：Pg為抽放泵工況壓力，Pa；Pd為抽放泵站的大氣壓力，Pa。Pg=88 825-43 007.27=45 817.73 Pa

式中：Qb為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯抽放泵流量，m3/min；Q為礦井每分鐘抽放瓦斯混合量，m3/min；K為備用系數(shù)；η為瓦斯抽放泵效率。Qb=110×1.5/0.8=206.25 m3/min。

3）抽放泵工況狀態(tài)下流量：

式中：Qg為工況狀態(tài)下的瓦斯泵流量，m3/min；Qb為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯泵流量，m3/min；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，Pa；P為瓦斯系入口絕對壓力，Pa（P=Pd-HGZ-HK）；T為瓦斯泵入口瓦斯的絕對溫度（T=273+t）；T0為按瓦斯抽采行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕對溫度（T0=273 +20）；t為瓦斯泵入口瓦斯的溫度，200C。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

根據(jù)以上各計算參數(shù)，已有的2 臺2BEY72 水環(huán)式真空泵能夠滿足五虎山煤礦井下采空區(qū)瓦斯抽放的需求；因此，將這2 臺真空泵調(diào)配使用瓦斯抽放，煤層瓦斯預(yù)抽系統(tǒng)和采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)進(jìn)氣側(cè)管路已經(jīng)互相連通，實(shí)際使用過程中可根據(jù)井下預(yù)抽瓦斯量和采空區(qū)瓦斯涌出量的變化情況，2 套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能的互換，充分發(fā)揮設(shè)備的抽放能力，最大程度的抽放井下瓦斯，保證井下安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

1）五虎山煤礦乙泵站內(nèi)2BEC52 型水環(huán)式真空泵實(shí)際抽放能力已達(dá)到最大抽放能力，即混合量在110 m3/min 左右；礦井目前總回風(fēng)量約為14 000 m3/min，按現(xiàn)場最大瓦斯?jié)舛?.50 %管理，風(fēng)排瓦斯純量最多為70 m3/min，即剩余采空區(qū)瓦斯涌出純量22.91 m3/min（混合量為184.61 m3/min）需通過瓦斯抽放設(shè)備解決礦井乙泵站內(nèi)2BEC52 型水環(huán)式真空泵抽放能力不能滿足礦井采空區(qū)瓦斯抽放的要求，需要進(jìn)行擴(kuò)能改造。

2）通過抽采設(shè)備選型計算，得出礦井采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)地面及井下管路阻力之和為8 671.51 Pa，抽放系統(tǒng)壓力為43 007.27 Pa，抽放泵工況壓力為45 817.73 Pa，瓦斯抽放泵流量為206.25 m3/min。

3）根據(jù)設(shè)備參數(shù)計算，利用已有的 2 臺2BEY72 水環(huán)式真空泵用于采空區(qū)瓦斯抽放，2 套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功能的互換，充分發(fā)揮設(shè)備的抽放能力，最大程度的抽放井下瓦斯，保證井下安全生產(chǎn)。