趙莊煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化研究

劉發(fā)義

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048001)

中國(guó)是世界上煤炭資源最為豐富的國(guó)家之一，同時(shí)也是煤與瓦斯突出事故最為嚴(yán)重的國(guó)家。隨著礦井開采深度增加，多數(shù)高瓦斯礦井已建立瓦斯抽采系統(tǒng)，甚至實(shí)現(xiàn)了地面鉆井煤與瓦斯共采，但原瓦斯抽采系統(tǒng)已無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)抽排瓦斯要求，致使瓦斯事故時(shí)常發(fā)生。

趙莊煤礦煤層透氣性差，屬難抽采煤層，瓦斯抽采率低。地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)自2009 年投運(yùn)以來(lái)，隨著生產(chǎn)系統(tǒng)的延伸，抽采系統(tǒng)也進(jìn)行了必要的延伸，但從未對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。為了最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的作用，調(diào)整系統(tǒng)中不合理的區(qū)段，改善礦井的瓦斯抽采效果，該礦進(jìn)行了礦井瓦斯抽采管路優(yōu)化，查找抽采管路存在問(wèn)題，優(yōu)化抽采系統(tǒng)，提高抽采效率。

1 趙莊煤礦抽采系統(tǒng)現(xiàn)狀

趙莊煤礦主要開采3#煤層，3#煤層瓦斯含量為4.69 ～14.68 m3/t，一盤區(qū)最大瓦斯含量為14.68 m3/t，五盤區(qū)最大瓦斯含量為7.34 m3/t. 一盤區(qū)12023 巷測(cè)定3#煤層的原始瓦斯壓力為0. 46 MPa，三盤區(qū)32051 巷測(cè)定3#煤層的原始瓦斯壓力為0.16 MPa.3#煤層的透氣性系數(shù)為0.635 7 ～7.972 7 m2/MPa2·d.瓦斯放散初速度為20 ～32 mL/s，3#煤層的百米鉆孔初始瓦斯涌出量為0.011 7 ～0.330 m3/min·hm，百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.152 5 ～0.423 4 d-1.礦井3#煤層一、三盤區(qū)的瓦斯儲(chǔ)量為4 405.92 Mm3，瓦斯資源較為豐富。

趙莊煤礦的瓦斯抽采方法為本煤層預(yù)抽，為提高抽采效果，長(zhǎng)鉆孔、短鉆孔直徑均為94 mm，采面鉆孔長(zhǎng)度為120 m 左右，掘進(jìn)工作面的鉆孔長(zhǎng)度為100 m左右。回采面預(yù)抽鉆孔間距2 m;掘進(jìn)工作面預(yù)抽鉆孔間距0.5 ～0.8 m.回采面、掘進(jìn)面預(yù)抽瓦斯孔口負(fù)壓均為13 kPa，采空區(qū)抽采負(fù)壓5 kPa. 趙莊煤礦瓦斯含量高、煤層氣儲(chǔ)量大、煤層滲透率低，屬較難抽采煤層。

當(dāng)前，礦井地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)安裝有8 臺(tái)水環(huán)式真空泵，設(shè)計(jì)規(guī)模229.7 m3/min. 抽采系統(tǒng)分為本煤層和采空區(qū)2 套獨(dú)立系統(tǒng)，主管路系統(tǒng)由地面1 020 mm螺旋卷焊無(wú)縫鋼管變井下900 mm 聚乙烯管路服務(wù)本煤層抽采，由地面630 mm 螺旋卷焊無(wú)縫鋼管變井下560 mm 聚乙烯管路服務(wù)采空區(qū)抽采，分別長(zhǎng)4 000 余m;井下支管路系統(tǒng)為355 mm 聚乙烯管路，約14 000 余m，服務(wù)整個(gè)礦井瓦斯抽采。

2 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系

從圖論的角度，拋開抽采泵、調(diào)節(jié)閥門等具體抽采系統(tǒng)問(wèn)題，只考慮管路的連接關(guān)系，可將瓦斯抽采系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)看作沒有回路的網(wǎng)絡(luò)樹圖，把整個(gè)煤層看作源，繪制出瓦斯抽采系統(tǒng)示意圖，見圖1，與其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖2，該網(wǎng)絡(luò)有10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 條分支。

圖1 瓦斯抽采系統(tǒng)示意圖

圖2 瓦斯抽采網(wǎng)絡(luò)關(guān)系示意圖

在抽采網(wǎng)絡(luò)中，每一分支都會(huì)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)與其相對(duì)應(yīng)，節(jié)點(diǎn)被確定為始節(jié)點(diǎn)和末節(jié)點(diǎn)，取決于網(wǎng)絡(luò)中流體流動(dòng)方向的確定。分支與節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表可以表示流體網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系。

3 趙莊礦瓦斯抽采系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試

2012 年11—12 月，為了獲得抽采系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)趙莊煤業(yè)全礦井兩套瓦斯抽采系統(tǒng)和抽采泵進(jìn)行了參數(shù)特性測(cè)試。

參數(shù)測(cè)定采用CJZ70 瓦斯抽放綜合參數(shù)測(cè)定儀和WGCB 瓦斯抽放管路氣體參數(shù)測(cè)定儀，對(duì)趙莊礦3#煤層的高位抽采鉆孔、本煤層、底抽巷穿層鉆孔、一盤區(qū)和三盤區(qū)的瓦斯抽采系統(tǒng)中瓦斯參數(shù)(濃度、流量、負(fù)壓等)進(jìn)行測(cè)定，管路測(cè)段參數(shù)測(cè)試記錄情況表見表1.

表1 管路測(cè)段參數(shù)測(cè)試記錄情況表

計(jì)算出每米管路的流阻為R =4.773 Ns2/m8;計(jì)算機(jī)模擬時(shí)每米管路的流阻選用R=4.773 Ns2/m8.

4 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)調(diào)試及存在問(wèn)題分析

在進(jìn)行了趙莊煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)普查、管路參數(shù)測(cè)試、抽采泵性能測(cè)試等工作后，獲得了趙莊煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，建立了趙莊煤礦瓦斯抽采模擬系統(tǒng)。初步建立模擬系統(tǒng)后，必須按照模擬和測(cè)試數(shù)據(jù)一致的原則對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

4.1 瓦斯抽采系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果

趙莊煤礦瓦斯抽采模擬系統(tǒng)調(diào)試按照2012 年11 月底測(cè)試時(shí)的生產(chǎn)狀況進(jìn)行。礦井瓦斯抽采泵房的測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果比較見表2. 由表2 可知，模擬結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，數(shù)據(jù)吻合性很好。說(shuō)明模擬系統(tǒng)的調(diào)試工作已完成，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，可應(yīng)用于趙莊煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)方案優(yōu)化。

表2 2012 年11 月底瓦斯抽采泵模擬與測(cè)試結(jié)果表

4.2 瓦斯抽采系統(tǒng)存在的問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試時(shí)狀況解算調(diào)試及數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)趙莊礦瓦斯抽采系統(tǒng)存在以下問(wèn)題:

1)部分管路局部阻力過(guò)大。測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分管路抽采負(fù)壓變化較大，流阻與同型號(hào)其他管路差別較大，分析認(rèn)為可能存在局部阻力，主要原因可能是煤渣堆積、煤泥、有積水。

2)管路存在漏風(fēng)。

3)在小進(jìn)風(fēng)巷與探巷3 交匯處有大約10 m 長(zhǎng)的75 mm 蛇形管，此處產(chǎn)生的負(fù)壓損失為2.8 kPa，應(yīng)將75 mm 的蛇形管更換成355 mm 的管路，減少管路阻力。

4)工作面、盤區(qū)、主系統(tǒng)各段管路的阻力比例:工作面兩巷管路阻力不一，占比例較大的有13064巷、13062 巷，達(dá)到50%以上，這兩條巷道內(nèi)的抽采鉆孔的孔口負(fù)壓只有10.8 kPa、9.065 kPa，都低于13 kPa.盤區(qū)和主管路系統(tǒng)阻力所占的比例不超過(guò)40%.

根據(jù)模擬分析出，流阻過(guò)大的地方出現(xiàn)的問(wèn)題主要是閥門問(wèn)題和局部煤灰的堆積和積水問(wèn)題，而出現(xiàn)這些問(wèn)題的地點(diǎn)往往是一些拐角、變徑處、低凹處和積水處，這些問(wèn)題都造成局部阻力增大。

5 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化

5.1 整改后瓦斯模擬抽采系統(tǒng)

對(duì)趙莊煤業(yè)瓦斯抽采系統(tǒng)的問(wèn)題全部進(jìn)行整改，經(jīng)模擬得到的結(jié)果見表3，表4. 由表3，表4 可見，部分鉆孔孔口負(fù)壓由8 kPa 提高18 kPa 以上，礦井總抽采流量增加，抽采效率提高。

表3 整改前后全礦2 套抽采系統(tǒng)模擬結(jié)果表

表4 整改前后測(cè)點(diǎn)的參數(shù)對(duì)比表

5.2 瓦斯抽采系統(tǒng)存在問(wèn)題的解決措施

1)逐點(diǎn)排查局部阻力過(guò)大的地點(diǎn)，放水或清理煤泥、積塵，解決管路堵塞或半堵塞現(xiàn)象，在瓦斯管道井垂直管路底部排水器放水不及時(shí)(此處容易出現(xiàn)冷凝水)，特別是模擬結(jié)果中局部阻力大的地方應(yīng)重點(diǎn)檢查。

2)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)時(shí)應(yīng)盡快把漏風(fēng)處封閉好，使用柔軟可伸縮的管路(蛇形管)替換硬塑料膠管，減少漏風(fēng)。

3)小進(jìn)風(fēng)巷與探巷3 交匯處75 mm 的蛇形管更換成355 mm 管路，減少管路阻力。

4)支管連接主管之前應(yīng)預(yù)留測(cè)點(diǎn)位置，為以后進(jìn)行監(jiān)測(cè)提供方便。

5)加強(qiáng)抽采系統(tǒng)的日常維護(hù)管理工作，提高瓦斯抽采系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.3 抽采系統(tǒng)優(yōu)化

為了保證趙莊煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期有效地保持良好運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)趙莊煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)管路與抽采泵的連接提出多種可行的方案。抽采泵與管路連接方案優(yōu)化的原則是:1)保證降低整個(gè)抽采系統(tǒng)阻力。2)能夠降低瓦斯抽采泵的功耗。3)提高整個(gè)系統(tǒng)的瓦斯抽采量、抽采率，提高瓦斯抽采鉆孔的負(fù)壓。

礦井的實(shí)際情況為:一盤區(qū)的13061 巷、13063巷和13064 巷、1307 底抽巷、1308 底抽巷和13074 巷接在900 mm 管路系統(tǒng)上，而只有三盤區(qū)單獨(dú)接在560 mm 系統(tǒng)上。

研究提出以下4 種方案:

方案一:將1307 底抽巷、1308 底抽巷和一盤區(qū)的13064 巷等抽采管路連接到900 mm 管路系統(tǒng)，將三盤區(qū)和一盤區(qū)的13061 巷、13063 巷、13074 巷等抽采管路連接到560 mm 管路系統(tǒng)。

方案二:將1307 底抽巷、1308 底抽巷和13074巷等抽采管路連接到900 mm 管路系統(tǒng)，將三盤區(qū)和一盤區(qū)的13061 巷、13063 巷和13064 巷等抽采管路連接到560 mm 管路系統(tǒng)。

方案三:將1307 底抽巷、1308 底抽巷等抽采管路連接到900 mm 管路系統(tǒng)，將三盤區(qū)和一盤區(qū)的13061 巷、13063 巷、13064 巷、13074 巷等抽采管路連接到560 mm 管路系統(tǒng)。

方案四:將三盤區(qū)和一盤區(qū)的13063 巷、13074巷等抽采管路連接到900 mm 管路系統(tǒng)，將1307 底抽巷、1308 底抽巷和13061 巷等抽采管路連接到560 mm管路系統(tǒng)。

4 種方案示意圖見圖3 ～6. 各抽采方案模擬結(jié)果參數(shù)見表5，孔口負(fù)壓見表6.

圖3 趙莊礦瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化方案一示意圖

圖4 趙莊礦瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化方案二示意圖

圖5 趙莊礦瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化方案三示意圖

圖6 趙莊礦瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化方案四示意圖

表5 4 種方案的模擬結(jié)果表

由各抽采方案模擬結(jié)果表比較看出:從全礦瓦斯抽采純量來(lái)看方案一、方案二、方案四比實(shí)際生產(chǎn)中抽采量大，方案四瓦斯抽采純量最大;從孔口負(fù)壓來(lái)看，方案四與前三種方案和實(shí)際情況相比是最高的，所以方案四全礦瓦斯抽采純量大，孔口負(fù)壓高，抽采效果好。

優(yōu)化方案四與測(cè)試時(shí)瓦斯抽采系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比見表7.由表7 可見，優(yōu)化方案四與測(cè)試時(shí)瓦斯抽采系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比結(jié)果為:900 mm 管路系統(tǒng)負(fù)壓提高597 Pa，提高率2.13%，流量減少1 m3/s，抽采瓦斯純量減少0.1 m3/s;560 mm 管路系統(tǒng)負(fù)壓提高1 827 Pa，提高率7.03%，流量增加1.138 m3/s，提高率296.6%，抽采瓦斯純量增加0.146 m3/s，提高率120.66%.全礦井抽采瓦斯純量增加0.046 m3/s，提高率7.93%.

表6 同一鉆孔在不同方案中的參數(shù)表

6 結(jié) 論

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)普查、測(cè)試、數(shù)據(jù)處理與分析，指明了趙莊煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)管道中局部阻力過(guò)大的地點(diǎn)，及直角彎的塑料抽放支管漏氣嚴(yán)重、放水器不能及時(shí)放水、支管連接主管之前沒有預(yù)留測(cè)點(diǎn)位置等問(wèn)題。

表7 優(yōu)化方案四抽采參數(shù)對(duì)比表

2)以實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了趙莊煤礦礦井瓦斯抽采網(wǎng)絡(luò)解算系統(tǒng)，模擬結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，數(shù)據(jù)吻合性很好符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，可應(yīng)用于趙莊煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)方案優(yōu)化。

3)針對(duì)趙莊煤業(yè)瓦斯抽采系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了每種問(wèn)題解決后抽采系統(tǒng)運(yùn)行狀況，證明了這些問(wèn)題解決的必要性。

4)根據(jù)趙莊煤礦實(shí)際，對(duì)瓦斯抽采系統(tǒng)管路與抽采泵的連接方式提出了4 種可優(yōu)化方案，并對(duì)4 種方案進(jìn)行模擬解算，經(jīng)分析對(duì)比，得出方案四比現(xiàn)有系統(tǒng)和其他3 個(gè)方案效果好，使全礦井抽采瓦斯純量增加0.046 m3/s，提高率達(dá)7.93%.