高強度柔性負壓風筒在煤礦采空區瓦斯抽采的應用

王 洋

(神東煤炭集團保德煤礦，山西 忻州 036600)

0 引言

隨著國民經濟的發展，我國煤礦開采深度不斷延深、礦井集約化程度及開采規模不斷提高，工作面瓦斯涌出量逐漸增大，隨之而來的瓦斯隱患逐漸增多，瓦斯已經成為威脅煤礦安全生產及工人生命的重要因素[1-2]。大采高綜采放工作面由于開采強度大，推進速度快，采空區域大、采空區遺煤多等因素，造成工作面瓦斯涌出量增大，制約煤礦安全生產[3-4]。 而礦井的瓦斯涌出很大一部分來自于采空區瓦斯，因此采取行之有效的措施抽采采空區瓦斯是解決這一問題的有效技術途徑。

周宗衛[5]采用連通管均壓技術，有效地治理了瓦斯超限的問題。胡千庭、梁運培[6]在對采空區瓦斯涌出及分布規律分析的基礎上提出了地面鉆孔布置參數的優化方案。周愛桃[7]對采空區埋管法抽采瓦斯進行現場考察抽采負壓與抽采純量的關系，得出了合理的抽采負值。林柏泉教授[8-9]提出了在采空區埋管抽采采空區瓦斯技術，有效解決U型通風工作面采空區上隅角瓦斯積聚的問題。王兆豐[10]利用采空區尾巷埋管、頂板走向長鉆孔及地面鉆井等多種措施對采空區瓦斯進行抽采，均取得了較好的瓦斯治理效果。

綜上所述，抽采采空區的瓦斯，能夠有效地減少采空區瓦斯涌出量，防止工作面和上隅角瓦斯超限[11-12]。大量的專家學者不斷探索采空區瓦斯治理方案，取得了很好的應用效果。其中采空區瓦斯抽采是治理上隅角瓦斯積聚的主要方法之一，常用的采空區瓦斯抽采方法是埋管抽采[13]。

目前，絕大部分礦井采用鋼管作為抽采管道進行抽采，但存在以下問題：一是鋼管作為導體，容易將外界電流導通進入采空區；二是鋼管頂板冒落或錨索崩落碰撞時會產生火花，對于井下高瓦斯區域存在一定危險；三是鋼管單根質量大，約1 t，拆卸運輸不便；四是鋼管價格高，單根DN800瓦斯抽采管路近萬元。以保德煤礦81307工作面為例，采用現場試驗結合理論分析的方法，對高強度柔性負壓風筒抽采采空區瓦斯進行探究，以期尋找一種合適的材料，實現方便、安全、經濟的采空區抽采管路。

1 保德煤礦基本概況

保德煤礦隸屬于國家能源投資集團神東煤炭集團，位于山西省保德縣境內，河東煤田北部，井田面積55.94 km2，地質儲量12億t，可采儲量7.11億t。區域地層由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新近系、第四系，其中石炭系與二疊系為含煤地層。目前，礦井主采8號煤層，開采標高+940～+420 m，埋藏深度122～663 m。煤層結構復雜，含夾矸0～8層，一般3～4層，夾矸總厚0～3.84 m，平均1.38 m。煤層傾角平均3.5°，以厚煤層為主。近3年礦井瓦斯等級鑒定見表1。保德煤礦分別建立有南、北部區的固定高、低負壓瓦斯抽采系統，并正式投入運行。所有泵站均采用一運一備，且備用泵與運行泵同能力、同型號。目前采空區抽采利用低負壓抽采泵，其型號為2BEC120水環式泵，額定流量為1 480 m3/min。抽采方法為聯巷插管抽采方法，其示意圖如圖1所示。其抽采主管為DN800鋼管，抽采支管為DN800鋼管。

表1 近3 a瓦斯等級鑒定表

圖1 回采期間采空區瓦斯抽采方式示意

2 前期試驗準備及改進措施

為了確保高強度柔性負壓風筒在81307工作面回采時安全利用，在81505工作面回采時，進行了可行性試驗。通過對保德煤礦井下抽采環境、抽采條件的實際考察后，此次試驗地點選取81506二回12聯巷DN800抽采主管末端以及81506二回7聯巷抽采支管進行試驗。

2.1 抽采主管試驗

在81506二回12聯巷DN800抽采主管末端的閥門后側加設一節負壓風筒。安裝完畢后，逐漸打開閥門，查看負壓風筒在抽采負壓的作用下變形情況，如圖2、3所示。

圖2 柔性負壓風筒抽采主管試驗示意

保德煤礦技術人員在81506二回12聯巷進行了抽采主管柔性負壓風筒試驗。在現場試驗過程中，緩慢打開閥門。發現當閥門打開至45°時，可以發現風筒布明顯向內凹陷，并可以聽到明顯的吸氣聲響。當閥門打開至90°時，在堅持數10 s后風筒布被吸扁至撕裂，現場試驗過程風筒布吸扁至撕裂過程圖片，如圖3所示。

圖3 風筒布吸扁至撕裂過程

之所以出現風筒被撕裂這種情況，可能是因為抽采主管路其負壓較大，在實際生產過程中，可以達到負壓18 kPa左右，雖然風筒經過改造，其耐風壓能力有所提高，但其最大可耐風壓為負壓5 kPa，遠小于其抽采主管路內負壓值。因此，現場試驗過程中高負壓柔性負壓風筒出現了撕裂現場。現場試驗結果也說明了利用高強度柔性負壓風筒代替采空區抽采主管是不可行的。

2.2 抽采聯巷支管路試驗

為探究是否能夠采用柔性負壓風筒來代替聯巷抽采支管，保德煤礦技術人員在81506二回7聯巷進行了抽采支管路柔性負壓風筒試驗，如圖4所示。

圖4 柔性負壓風筒抽采支管試驗示意

試驗前，81506二回7聯巷正常抽放參數為抽放主管路負壓15.64 kPa，抽放濃度1.48%，抽放量536 m3/min。試驗過程中測得的相關參數見表2。

表2 柔性負壓風筒抽采支管試驗

由表2可以得出：抽采量在540 m3/min左右時，柔性負壓風筒承受的負壓在1.35 kPa左右(距離抽采口6 m)。柔性負壓風筒的耐壓強度在5 kPa左右，能夠滿足抽采支管路的承壓要求，且有較大的富裕系數，因此用柔性負壓風筒來作為采空區抽采支管是可行的。

2.3 管路安拆工效對比

根據保德煤礦實際勞動定額統計，安裝DN800瓦斯鋼管工效4 m/工，拆除DN800瓦斯鋼管工效6 m/工；負壓風筒質量輕便，一節5 m長的風筒重約40 kg，安裝工效為20 m/工，拆除工效為35 m/工。

因此，采用柔性負壓風筒來作為采空區抽采支管工效為鋼管的4倍以上。

2.4 試驗結論

柔性負壓風筒作為采空區抽采支管是可行的，且具備方便、經濟的優勢。

3 高強度柔性負壓風筒應用

3.1 高強度柔性負壓風筒的應用

經過試驗后，保德煤礦決定在81307采空區抽采進行推廣應用。81307工作面走向長度2 400 m，抽采主管路長度4 600 m，共設計27個采空區抽采支管，抽采支管路長度約2 000 m。現采空區抽采支管鋪設示意圖，如圖5所示。

圖5 現采空區抽采支管鋪設示意

3.2 高強度柔性負壓風筒改進措施

為了保證高強度柔性負壓風筒的耐壓強度，在安裝過程中采用如下改進措施：①負壓風筒與DN800彎頭處采用接口器連接，并在彎頭上設置卡擋，防止在負壓作用下接口器脫落；②骨架負壓風筒每處吊掛至少有3個方向，上部和兩側。安裝骨架負壓風筒時必須逢環必掛，采用8#鐵絲吊掛；③在風筒拐彎處必須在兩側加設鋼筋，并用鋼絲繩向對側斜拉，確保拐彎處的骨架風筒強度。高強度柔性負壓風筒作為抽采支管安裝效果，如圖6所示。

圖6 高強度柔性負壓風筒作為抽采支管安裝效果

4 結果與分析

4.1 抽采支管現場試驗結果

保德煤礦81307工作面于2018年開始回采，于2019年4月回采結束。回采過程中，抽采支管全部采用高強度柔性負壓風筒，均能保證正常的抽采效果。采空區最大抽采量在600 m3/min以上，風筒吸風口負壓在800～2 800 Pa范圍內波動，本次試驗應用取得了良好的效果。

在應用過程中，保德煤礦技術人員對抽采管路距離工作面距離以及抽采管路吸風口負壓進行監測。監測結果見表3，風筒距工作面距離與吸風口負壓變化特征，如圖7所示。

圖7 風筒距工作面距離與吸風口負壓變化特征

由圖7可知，在抽采支管剛切換時，抽采負壓突然下降至600～800 Pa，隨著工作面的推進，其抽采負壓迅速增加，而后趨于穩定。可以看出，隨著工作面的推進，其抽采負壓呈現出周期性變化。結合圖表可知，其最大的管口負壓為2 800 Pa。因此，高強度柔性負壓風筒的耐風壓強度可以滿足其要求。

4.2 高強度柔性風筒風壓分析

風筒的風阻主要包括有摩擦風阻以及局部風阻，局部風阻包括風筒接頭處局部風阻以及風筒拐彎處局部風阻，可用下式進行計算

R=R1+R2+R3

(1)

式中，R—風筒的總風阻，N·S2/m8；R1—風筒摩擦風阻，N·S2/m8；R2—風筒接頭處局部風阻，N·S2/m8；R3—風筒轉彎處局部風阻，N·S2/m8；α—風筒轉彎處局部風阻，此處取32×10-4N·S2/m4；l—風筒長度，此處取67 m；d—風筒直徑，此處取0.8 m；n—風筒的接頭數目，此處取7；ξj—風筒接頭的局部阻力系數，無因次，此處取0.037；ξb—風筒轉彎的局部阻力系數，無因次，此處取1.4；ρ—空氣密度，此處取1.2 kg/m3。

由式(1)計算可得表3。

表3 各部分風阻大小及其所占比例

從表3可知，風筒總阻力大小為7.87 N·S2/m8，其中風筒摩擦風阻占比最大，為53.37%。風筒轉彎處局部風阻次之，占比為42.69%。因此，在實際工作中，為了降低風筒總風阻，應盡可能地降低風筒長度，減少風筒的轉彎次數。

因此，風流在流經支管時，克服沿程阻力的能量損失可用式(2)計算

hf=RQ2

(2)

式中,hf—克服沿程阻力的能量損失，J/m3;Q—單位時間內風筒內流量，此處取10.1 m3。

因此，計算風流流經支管時，克服沿程阻力的能量消耗為818.8 J/m3。此風筒漏風率較低，且風筒長度相對較短，在流動過程中其勢能并未發生變化。因此，流體的能量方程可以簡化為

hf=P1-P2

(3)

式中,P1—支管路吸風口處風壓；P2—支管路接口處風壓。

在井下試驗期間，利用壓差計測量支管路入風口出風壓，測其最大負壓值為2 800 Pa，經計算，可得支管路接口處最大負壓為3 618.8 Pa。

高強度柔性負壓風筒為實現其高抗負壓性，筒體內側設有若干個骨架，所述骨架穿過有吊掛部件，骨架和位于所述筒體內側的所述吊掛部件部分通過壓條布包覆在筒體內側，骨架為高抗彎強度特種定制合金骨架。改造過后的風筒具有高耐風壓性能強。試驗證明負壓風筒在5 000 Pa風壓下保持5 min，無風筒脫節、涂覆布撕裂、接縫開口等現象。因此，在現場最大負壓3 618.8 Pa條件下，依然可以滿足現場使用。在現場使用過程中，并未出現風筒被吸扁撕裂的現象。

4.3 回風隅角及回風瓦斯濃度特征

在現場試驗期間，對81307工作面回風瓦斯濃度以及回風隅角瓦斯濃度進行監測，回風瓦斯濃度以及回風隅角瓦斯濃度變化特征，如圖8所示。

圖8 回風瓦斯濃度以及回風隅角瓦斯濃度

由圖8可知，回采工作面其回風隅角瓦斯濃度與回風瓦斯濃度具有相似的變化規律。采用高強度柔性負壓風筒抽采采空區瓦斯期間，工作面回風瓦斯濃度最高為0.54%，工作面回風隅角瓦斯濃度最高為0.62%。因此，現場試驗監測說明利用高強度柔性負壓風筒進行采空區瓦斯抽采可以滿足保德煤礦采空區瓦斯治理的需求。

5 結語

(1)利用高強度柔性負壓風筒代替采空區抽采主管的方案是不可行的，在現場試驗過程中出現了風筒被吸扁撕裂現象。

(2)利用高強度柔性負壓風筒代替采空區抽采支管的方案是可行的。在現場試驗取得了很好的應用效果。其安裝、拆卸回收方便，節約了大量的人力、物力和時間成本。

(3)利用高強度柔性負壓風筒進行采空區瓦斯抽采具有很好的瓦斯治理效果。利用此方法可抑制回風隅角瓦斯超限，可滿足現場瓦斯治理的需求。

(4)通過理論計算分析，風筒的摩擦風阻以及風筒轉彎處的局部風阻占比較大。在現場實際生產過程中，應盡可能降低風筒長度，減少風筒轉彎次數。

在實際生產過程中，風筒存在易漏氣、不耐磨等問題，因此在使用過程中應時刻關注其磨損、漏風情況，發現磨損、漏風等情況應及時更換。時刻關注工作面回風隅角及回風瓦斯濃度變化，以防出現瓦斯超限等問題。同時，應積極探索新的解決方法，以求找到更便捷、實用解決此類問題的方法。