采煤工作面移動式瓦斯抽采系統設計

張巨峰，謝亞東，張建江，楊峰峰，馬德奇，苗在全

(1.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院， 湖南 湘潭 411201；3.靖遠煤電股份有限公司 魏家地煤礦，甘肅 白銀 730913)

瓦斯抽采是瓦斯礦井治理瓦斯災害最為有效的措施之一，瓦斯抽采系統的設計對瓦斯抽采效果至關重要[1-2]。根據《煤礦安全規程》和《煤與瓦斯突出防治規定》相關要求，高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井必須建立瓦斯抽采系統。目前，國內大多數高瓦斯礦井建立了瓦斯抽采系統[3-6]，一些高瓦斯礦井因地面瓦斯抽采系統能力不足以及其他條件限制等特殊原因，不能滿足井下瓦斯抽采要求，需要對個別采煤工作面進行移動式瓦斯抽采，即在井下建立移動式瓦斯抽采泵站，通過移動式瓦斯抽采泵將抽出的低濃度瓦斯直接排入采區回風巷、一翼回風或礦井總回風巷，以解決工作面瓦斯超限問題，保障工作面安全回采。

1 工作面概況及瓦斯抽采問題

1.1 工作面概況

靖遠煤電股份有限公司魏家地煤礦2105綜放工作面位于西二采區東翼中部1號煤層。工作面東部為西一、西二采區保護煤柱和已回采的西一采區106、108、1308和1306工作面，西部以一片煤厚小于0.8 m的薄煤區鄰接西二采區系統上山保護煤柱，南部為未采動的1號煤層，北部為正在回采的1號煤層2103工作面。工作面走向長717 m，傾斜寬150 m，面積107 550 m2，工業儲量83.72萬t， 可采儲量71.16萬t，工作面標高1 204～1 243 m，對應地面標高1 620～1 652 m。煤塵具有爆炸性，揮發分含量為29.33%，爆炸指數為31.64%。

工作面區域內1號、3號煤層的層間距約50 m，因此，2105工作面瓦斯涌出主要受處于原始狀態的本煤層瓦斯涌出的影響，其次受2103工作面及西一采區106、108、1308和1306工作面的開采影響，回采過程中瓦斯涌出量較大。

1.2 瓦斯抽采問題的提出

魏家地煤礦地面永久式瓦斯抽采系統采用一臺SKA-120型真空泵和一臺2BEP-67型水環式真空泵并聯抽采整個礦井瓦斯，配用D325 mm、D426 mm兩趟主管路工作，混合瓦斯抽采流量為230～250 m3/min，抽采區域最低抽采負壓為1.36 kPa，《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》第15條規定，預抽瓦斯鉆孔孔口負壓不得低于13 kPa，卸壓瓦斯抽采鉆孔孔口負壓不得低于5 kPa。而井下局部區域預抽瓦斯鉆孔孔口負壓低于13 kPa，礦井主抽采系統能力不足，因此，綜放工作面必須通過井下移動式抽采系統實施工作面區域瓦斯抽采。

2105綜放工作面為1310綜放工作面的接續工作面，回采前預抽采時間僅為4個月，采前預抽不充分，工作面仍留有瓦斯抽采空白帶，煤體殘余瓦斯含量高，回采期間有瓦斯超限的可能。為了加強2105綜放工作面瓦斯抽采，保障工作面安全回采，決定實施工作面移動式瓦斯抽采解決工作面回采過程中的瓦斯超限問題。

2 工作面移動式瓦斯抽采設計

2.1 工作面移動式瓦斯抽采設計參數

1) 移動式瓦斯抽采泵技術參數。2105工作面安裝型號為BWY-85型水環式移動真空泵，外形尺寸：長×寬×高=4 100 mm×1 400 mm×2 200 mm(包括電機及直聯傳動裝置)，進、排氣口管路直徑為325 mm，極限真空度為14.67 kPa，最大排氣量為85 m3/min，耗水量為14.4 m3/h，配用功率為110 kW的電機。

2) 2105工作面運輸巷、回風巷各敷設一趟D159 mm無縫鋼管作為瓦斯抽采管，運輸巷預計抽采13個鉆場共117個鉆孔，回風巷預計抽采28個鉆場共252個鉆孔，共計抽采鉆孔369個。

3) 根據與2105綜放工作面條件相似的2103工作面和2104工作面瓦斯抽采資料，2105工作面瓦斯抽采的流量為5～10 m3/min，瓦斯濃度為6%～15%。

2.2 移動式瓦斯抽采泵安裝方案

《煤礦安全規程》第147條規定，臨時瓦斯抽采泵站應安裝在抽采瓦斯地點附近的新鮮風流中，抽出的瓦斯可引排到地面、總回風巷、一翼回風巷或分區回風巷。因此，2105工作面移動式瓦斯抽采泵安裝位置有以下三種方案：

方案Ⅰ：繼續安裝在西二回風上山底彎道(原2302工作面移動式瓦斯抽采泵安裝位置)。

優點：不需要新建瓦斯抽采泵站，能兼顧工作面運輸巷及回風巷鉆孔抽采，同時，可以繼續用于2304工作面回采過程中的移動式瓦斯抽采，能較好地實現與地面抽采泵的并網聯合抽采。

缺點：路線距離長，達1 960 m，管道阻力大，抽采負壓消耗大，致使最遠處鉆孔瓦斯抽采負壓小，瓦斯抽采效果不佳。

方案Ⅱ：在1200回風聯巷口新建移動式瓦斯抽采泵站。

優點：抽采距離較近，約為1 440 m，同時，可以兼顧工作面運輸巷及回風巷的鉆孔抽采，可以繼續用于2304工作面回采期間的移動式瓦斯抽采，能實現與地面抽采泵間的并網聯合抽采。

缺點：需新建泵站，泵站處原來設置的隔絕風門需改造為調節風門。

方案Ⅲ：在2105回風聯巷口新建移動式瓦斯抽采泵站。

優點：抽采距離近，約為1 070 m。

缺點：不能兼顧工作面運輸巷及回風巷的鉆孔抽采，且不能繼續為2304工作面回采期間的移動式瓦斯抽采服務，不能實現與地面抽采泵間的并網聯合抽采。

2105移動式抽采系統方案選擇平面示意見圖1。

圖1 2105工作面移動抽采系統方案選擇示意

為了兼顧后期2304工作面移動式瓦斯抽采的需要，以及考慮投資、瓦斯抽采效果等方面，最終選擇方案Ⅱ。移動泵站平面布置見圖2。

圖2 移動泵站平面布置

2.3 移動式瓦斯抽采泵管徑選擇

瓦斯抽采管徑的選擇對瓦斯抽采效果及抽采系統的建設投資至關重要。管徑太小，管路阻力大，瓦斯抽采效果差；管徑太大，投資成本高，不經濟。根據瓦斯抽采泵的實際抽采能力，借鑒瓦斯地質賦存條件相似的工作面，2105工作面移動式瓦斯抽采濃度約15%、混合瓦斯抽采量約34 m3/min，純瓦斯抽采量約5 m3/min，計算瓦斯抽采管路管徑為[7-8]：

式中：D為抽采管直徑，m；Q為瓦斯抽采管內流量，m3/min，根據同地質條件工作面抽采純瓦斯5 m3/min、抽采濃度15%計算，抽采混合流量為34 m3/min；v為抽采管內流速，一般取5～15 m/s，移動抽采線路取值15 m/s。

根據計算取值應選擇D220 mm管路，但與礦井日常使用的D219 mm管路規格不符，且抽采最大瓦斯量出現在工作面中段，考慮適用性和成本等因素，選取D219 mm常用管路。

抽采管路內摩擦阻力[7-8]為：

式中：Hf為抽采管路內摩擦阻力，Pa；L為管路長度，m；約1 500 m；K為與管徑有關的系數，查表可知，管徑大于150 mm，取0.71；D為瓦斯管內徑，D219 mm管路的內徑為20 cm；Q為抽采混合瓦斯量，取34 m3/min，即2 040 m3/h；γ為混合瓦斯對空氣的密度比，按15%的瓦斯濃度，查表可知，取0.933。

根據文獻[7]，瓦斯抽采管路的局部阻力按摩擦阻力的15%計算，則瓦斯抽采管路的局部阻力為：

Hl=0.15Hf=0.15×25 147.4=3 772.1 Pa

瓦斯抽采管路的總阻力為：

Ht=Hf+Hl=25 147.4+3 772.1

=28 919.5 Pa≈28.92 kPa

移動式瓦斯抽采泵最大排氣量為85 m3/min，抽采系統預計流量為34 m3/min，因此，移動泵在高負壓狀態下運行，抽采能力充分，移動式抽采泵的極限真空度為14.67 kPa，2105工作面移動式瓦斯抽采泵的最大抽采負壓為73.69 kPa，大于抽采管路系統阻力28.92 kPa，因此，抽采管路可以滿足瓦斯抽采系統的要求。

2.4 移動式瓦斯抽采設計說明

2105移動式瓦斯抽采泵站設在1200回風聯巷口，采空區半封閉式瓦斯抽采管、順層鉆孔瓦斯抽采管通過D219 mm的抽采管與移動式瓦斯抽采泵連接，抽出的低濃度瓦斯通過D219 mm排氣管排入采區回風或總回風巷中，具體見圖3。

圖3 瓦斯抽采管路連接示意

為便于工作面移動式瓦斯抽采負壓調節，保證移動瓦斯抽采泵與礦井地面永久式主抽采泵協同運行，對移動抽采系統調控閥K1～K6作用說明如下，并應正確操作：

1) K1為移動式瓦斯抽采移動泵D219 mm進氣管調節控制閥，系統抽采時打開，否則為關閉狀態。

2) K2為運輸巷與回風巷間D219 mm連通管路的調節控制閥，兩巷道的兩路抽采系統獨立抽采時為關閉狀態，兩路抽采系統同時通過移動式抽采泵抽采或地面永久泵抽采時為打開狀態。

3) K3為接入地面永久瓦斯抽采泵的D219 mm順層改造抽采管路的控制閥，進行地面永久泵抽采時打開，否則為關閉狀態。

4) K4為D108 mm的移動抽采配空氣閥，移動抽采泵啟動前打開，啟動正常后關閉；在移動抽采泵抽采負壓過高時，可少許打開調壓，使移動抽采泵負壓保持在安全范圍，但必須立即通知有關人員進行系統故障檢查、處理。

5) K5為移動抽采向西一下部總回風巷排放瓦斯的D219 mm排空閥，抽出瓦斯排入回風巷時打開，否則為關閉狀態。

6) K6為移動抽采D219 mm順層抽采管與改造D219 mm抽采管路串接控制閥，抽出瓦斯并入地面永久瓦斯抽采系統時打開，否則為關閉狀態。

7) 抽采管路與電纜不能布置在巷道的同側，并盡量減少交叉。

3 工作面移動式瓦斯抽采安全技術措施

1) 2105工作面移動式瓦斯抽采管路瓦斯排放口應設在礦井西一下部總回風巷內，并在管口上風流5 m、下風流30 m間設置柵欄、提示警標，以防人員誤入，造成人員窒息等傷亡事故。

2) 根據《煤礦安全規程》規定，移動式瓦斯抽采泵下風流3～5 m處需安裝低濃度硐室環境監測瓦斯傳感器，報警濃度值為0.5%，斷電值>0.5%，斷電范圍為瓦斯抽采泵站及其回風流內全部非本質安全型電器設備，復電值<0.5%；在礦井西一下部總回風巷瓦斯排放口柵欄1 m范圍內，要求安裝低濃度瓦斯傳感器，報警值為0.75%，斷電值>0.75%，斷電范圍為移動式瓦斯抽采泵站內全部非本質安全型電器設備，復電值<0.75%。

3) 瓦斯抽采管路應平直吊掛在巷幫中線以上部位，要求附件齊全、接頭嚴密、吊掛穩固、區段安裝平直，瓦斯抽采管路的每個區段低點處均應安裝放水器，以防管路內積水影響瓦斯抽采效果。

4) 移動式瓦斯抽采泵進、排氣管上應安裝瓦斯抽采流量、負壓、正壓、溫度、管道瓦斯等監測裝置、儀表，并在移動式瓦斯抽采泵房配置能直通調度信息中心的電話。

5) 為了避免無計劃停電影響工作面瓦斯抽采，移動式瓦斯抽采泵站應由采區變電所雙回路直接供電。

6) 移動式瓦斯抽采泵站內應配有D60 mm清水管，以便瓦斯抽采泵冷卻水池補充或更換清水。

4 結 語

魏家地煤礦2105工作面通過建立井下移動式瓦斯抽采系統，并與地面永久式瓦斯抽采系統協同運行，抽采能力得到了較大提高，工作面未出現瓦斯超限現象，上隅角瓦斯濃度一直處于0.8%以下，回風巷瓦斯濃度基本在0.5%以下。瓦斯抽采系統運行平穩、技術可行、經濟合理，為礦井安全、高效生產提供了保障。