瓦斯抽采系統設計及配套設施選型

孟凡瑞 齊曉明 邵繼榮

（淄博水環真空泵廠有限公司，山東 淄博 255200）

1 礦井概況

山東趙官煤礦礦井生產能力為0.9Mt/a，服務年限為42.8a。經計算開采前期相對瓦斯涌出量為12.92m3/t，絕對瓦斯涌出量為21.72m3/min，基于此，可以確定該礦井為高瓦斯礦井。因此需要對該礦井的瓦斯抽采系統進行合理的設計與相關設備的選型，以保證采礦安全。

2 瓦斯抽采難易分析

目前，決定煤礦瓦斯抽采難易程度主要因素有兩個：一個是鉆孔瓦斯流量衰減系數，另一個是煤層的透氣性系數。煤礦瓦斯抽采難易級別對應兩個因素范圍如表1所示。

經礦井實地測驗，在開采區，趙官煤礦煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數范圍在0.049d-1至0.76d-1之間，透氣性系數范圍在0.0172m2/MPa2.d至0.541m2/MPa2.d之間。經過與表1對比，趙官煤礦瓦斯抽放難度在可抽放與難抽放之間。考慮到該礦井瓦斯含量高，所以針對該礦井情況，有必要設計一套有效的瓦斯抽采系統來抽放瓦斯，以實現礦井安全生產。

表1 煤礦瓦斯抽采難易范圍表

3 瓦斯抽采系統設計計算

3.1 瓦斯管路敷設路線

在考慮該煤礦實際情況下，根據瓦斯抽采管路敷設原則，將管網敷設路線設計為：工作面鉆孔→工作面回風巷→采區回風上下山→東、西翼回風大巷→地面抽放瓦斯孔→地面瓦斯管路→瓦斯抽放泵站→低濃瓦斯發電站。

3.2 抽采瓦斯管徑選擇

瓦斯管徑的大小直接影響著抽采效果，除此之外，還對建設成本有一定的影響。直徑過大造成建設成本高，直徑過小造成管道阻力大。在考慮后期改造以及抽采余量留取等因素基礎上，計算出管徑大小。各管徑計算如式（1）。

式中：

D-抽采管內徑，m；

Q-抽采管瓦斯流量，m3/min；

V-抽采管內瓦斯平均流速，m/s。

該煤礦最大瓦斯抽采量為11.58m3/min。管徑計算選擇結果如表2所示。

表2 各管徑計算選擇

表2中，主管指瓦斯抽放泵站內、地面上的管路，采區專用回風巷內及其上（下）山的管路稱為干管，支管1為高位鉆孔抽采管路和預抽瓦斯管路，支管2為老空區瓦斯管路。考慮到礦井抽采瓦斯規模的擴大及不可預見因素，管路留有一定余量，所以實際選取的管徑規格相對于計算出的管徑要稍大。

3.3 管路阻力計算

管路阻力計算主要包括以下兩點：一是摩擦阻力，二是局部阻力。摩擦阻力的計算如式（2）所示。

式中：

H-摩擦阻力，Pa；

Δ-管路內壁當量絕對粗糙度，mm；

d-管路內徑，mm；

v0-標準狀態下瓦斯運動粘度，m2/s；

Q0-標準狀態下瓦斯流量，m3/h；

L-管路長度，m；

ρ-管路內瓦斯密度，kg/m3；

P0-標準大氣壓，Pa；

P-管路內氣體絕對壓力，Pa；

T0-標準狀態下絕對溫度，K。

在計算管路阻力前，應先選取管網路徑，按最長線路原則和抽采最困難時期情況來計算管道阻力。趙官煤礦管網路徑如下：瓦斯泵站和地面管路（150m）→地面鉆孔管路（392m）→-415m東翼回風大巷（50m）→中一延深采區回風上山（600m）→-600m回風斜井（1450m）→中一延深采區下部回風大巷（2300m）→回采工作面回風巷（1500m)。管路阻力計算結果如表3所示。

表3 管路阻力計算結果

4 瓦斯抽采泵選型

4.1 參數計算

4.1.1 瓦斯抽采泵流量計算

瓦斯抽采泵額定流量計算如式（3）所示：

式中：

Q泵-抽采泵額定流量，m3/min；

QZ-礦井瓦斯總量，11.58m3/min；

X-礦井瓦斯濃度，9%；

k-備用系數，1.2；

實現車輛登記、強制性安全檢測、尾氣排放維修治理、道路抽檢、交通管理的數據交互共享；確保檢測與維護數據實時、準確上傳，實現對超標車輛的全面覆蓋、動態精準監管，確保形成“檢測—維修治理—復檢”的閉環管理。

η-水環真空泵的抽采效率，0.8。

由公式（3）計算得出，瓦斯抽采泵額定流量為193m3/min。

4.1.2 瓦斯抽采泵抽采壓力計算

如公式（4）所示，水環真空泵抽采壓力計算公式為：

H泵=（H入+H出）×K

式中：

H泵-泵的抽采壓力，Pa；

H入-井下管路阻力損失，Pa；

H出-井上管路阻力損失，Pa；

K-壓力備用系數；

H總-井上、下管路最大總阻力損失，Pa；

h出正-瓦斯出口所需正壓，取5000Pa；

h鉆負-井下抽采鉆場或鉆孔必須造成的負壓，取13000Pa；

經計算瓦斯抽采水環真空泵的最大負壓為：

H泵=（30790+13000+5000）×1.2=58548Pa。

4.1.3 瓦斯抽采泵流量換算

標準狀態下與工況狀態下抽采泵流量換算公式如式（5）所示：

式中：

Qg-工況狀態抽采泵流量，m3/min；

Qb-標準狀態抽采泵流量，Qb=Q泵=193m3/min。

P0-標準大氣壓，Pa；

P-抽采泵入口絕對壓力，P=42777Pa；

Tb-標準狀態下的絕對溫度，Tb=273+20=293；

T-瓦斯絕對溫度，K。

由公式（5）算得工況狀態下流量為451m3/min。

4.2 瓦斯抽采泵選型

根據計算，該煤礦需要的瓦斯抽采泵按入口絕壓至少為42777Pa，流量應在451m3/min以上，根據水環真空泵性能參數，最終選用2BEC72型水環真空泵。2BEC72型水環真空泵性能參數如表4所示。

表4 水環真空泵性能參數表

5 泵站選址及附屬設備選型

依據泵站選址原則并利用現有設施，選擇將地面抽采泵站建在風井工業廣場東北角的原瓦斯抽采泵站院內，泵站室內標高應當高于該區域歷史最高洪水位0.3m。泵站由真空泵間、配電間、管道間、值班室和水泵間組成。真空泵間應安裝兩臺2BEC72型水環真空泵，1臺工作，1臺備用。除此之外，還應該給水環真空泵配置防爆電機、減速器、氣水分離器等。配置好抽放管路后，還應選取配合管道使用的閥門、循環管等。水環真空泵工作液循環系統中，除要安裝供排水管路外，還應設置有兩臺水泵和配套的軟化水裝置，考慮到設備故障，都應設置備用水泵和軟化水裝置。泵站周圍分布放空管及閥門、避雷針和高位水池上的冷卻真空泵循環水的冷卻塔。

在瓦斯抽采泵站的管路系統上，除了要安裝必要的檢測裝置，如測壓嘴、流量計等，還要在瓦斯泵站的進、出氣端的管道設置ZYBG礦用管道自動噴粉抑爆裝置與ZGZS500礦用水封阻火泄爆裝置，分別如圖1、圖2所示。

圖1 ZYBG型礦用管道自動噴粉抑爆裝置

圖2 ZGZS500礦用水封阻火泄爆裝置

ZYBG礦用管道自動噴粉抑爆裝置與ZGZS500礦用水封阻火泄爆裝置使得煤礦瓦斯的抽放防爆控制更加智能化，實現自動控制。

泵站的出氣端設置集氣罐和設瓦斯利用接口，連接瓦斯發電機組，以達到瓦斯氣體收集和再利用的目的。

6 結論

本文根據山東趙官煤礦煤層特殊狀況，根據實際情況，計算了管徑大小和管網阻力，選取了瓦斯抽采泵型號，選擇了合適的泵站地址及其附屬設備，設計出安全有效的瓦斯抽采系統。實踐表明：該抽采系統工作可靠，能有效地抽放出礦井里的瓦斯。經測量，該抽采系統能有效地控制工作面、采空區等場所的瓦斯濃度，保證了安全生產。除此之外，該抽采系統抽出的瓦斯氣體用于發電機組發電，既保護了環境，又節約了能源。