正利煤業(yè)二采區(qū)井下移動(dòng)瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

謝一德

（山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)有限公司，山西 嵐縣 033599）

瓦斯一直是威脅煤礦安全生產(chǎn)的“隱形殺手”，瓦斯爆炸、突出等事故時(shí)有發(fā)生。我國(guó)已經(jīng)在該領(lǐng)域做出大量研究，目前常用的方法是瓦斯抽采[1-3]。

正利煤業(yè)瓦斯涌出量為11.02 m3/min，為高瓦斯礦井，僅僅通過(guò)風(fēng)排瓦斯無(wú)法滿足礦井安全生產(chǎn)要求。礦井延伸至二采區(qū)，開采深度增大，導(dǎo)致抽采管路鋪設(shè)長(zhǎng)度增加，原一采區(qū)抽采設(shè)備陳舊，抽采能力下降，無(wú)法滿足二采區(qū)抽采要求。因此，須建設(shè)一套全新的抽采系統(tǒng)。本文通過(guò)計(jì)算二采區(qū)抽采需求，選定一套抽采泵站系統(tǒng)，并進(jìn)行了抽采能力和管道阻力的核定。

1 礦井及二采區(qū)概況

正利煤業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)能150萬(wàn)t/a，批準(zhǔn)開采煤層為4-1、4、7、9煤層，目前在采煤層為4-1#煤層，向深部二采區(qū)延伸，開采深度越來(lái)越大。4-1#煤平均厚度3.01 m，頂板為泥巖，底板為砂巖，整體賦存穩(wěn)。煤層原始瓦斯為6.33 m3/t，瓦斯壓力為0.42 MPa，煤層硬度介于0.5～1.2。具體3#煤層瓦斯參數(shù)見表1。

表1 3#煤層瓦斯參數(shù)

二采區(qū)井下標(biāo)高+566～ +647 m，第一個(gè)回采工作面為14-1201工作面。14-1201工作面走向長(zhǎng)度1300 m，傾向長(zhǎng)度280 m。工作面布置情況如圖1。

圖1 二采區(qū)工作面布置圖

2 二采區(qū)移動(dòng)抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確保移動(dòng)抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠，首先需要確定抽采方法。根據(jù)煤層瓦斯情況，擬采用的技術(shù)有[4-7]：（1）本煤層預(yù)抽；（2）高位鉆孔；（3）插管抽采。預(yù)計(jì)本煤層預(yù)抽量為40%。

2.1 抽采方法

2.1.1 本煤層預(yù)抽

本煤層預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)如圖2。由圖可知，抽采管路布置在膠帶順槽。鉆孔設(shè)計(jì)深度265 m，由軌道順槽向膠帶順槽施工，孔間距為3 m，孔徑為Φ94 mm。抽采管路鋪設(shè)在軌道順槽，材質(zhì)為PVC，管徑Φ300 mm。

圖2 3號(hào)煤層平行工作面鉆孔布置圖

2.1.2 高位鉆孔抽采

高位鉆孔設(shè)計(jì)如圖3。鉆孔施工位置為膠帶順槽，每個(gè)鉆場(chǎng)間隔30 m，所有鉆孔在鉆場(chǎng)內(nèi)施工。

圖3 高位鉆孔設(shè)計(jì)圖

每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)實(shí)施一組鉆孔，每組鉆孔6個(gè)，孔徑Φ113 mm。每組鉆孔參數(shù)見表2。

表2 高位鉆孔參數(shù)表

2.1.3 插管

插管抽采設(shè)計(jì)如圖4。在膠帶順槽鋪設(shè)一趟管路，管徑Φ300 mm，管路材質(zhì)為鋼材。

圖4 插管設(shè)計(jì)圖

2.2 抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 管路鋪設(shè)

管路鋪設(shè)路徑為：回采工作面膠帶順槽→二采區(qū)回風(fēng)下山→泵站→二采區(qū)回風(fēng)下山。其中泵站設(shè)置在2#膠帶聯(lián)絡(luò)巷，具體位置如圖5。

圖5 管路鋪設(shè)圖

2.2.2 泵站選型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及計(jì)算，擬采用ZWY360/400-G型抽采系統(tǒng)，該泵站系統(tǒng)安置泵站兩臺(tái)，一臺(tái)正常使用，一臺(tái)備用。

泵站額定功率400 kW，轉(zhuǎn)速可達(dá)320 r/min，設(shè)備設(shè)置了隔爆電機(jī)。額定抽氣量360 m3/min。

泵站系統(tǒng)配套：（1）專用控制閥門；（2）負(fù)壓排放水器；（3）孔板流量計(jì)；（4）測(cè)量專用壓嘴；（5）其他監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備。

3 抽采能力核定

3.1 額定功率核定

為確保二采區(qū)瓦斯抽采能力達(dá)標(biāo)，需對(duì)瓦斯抽采泵站的抽采能力進(jìn)行核定。根據(jù)其他工作面抽采數(shù)據(jù)推測(cè)，工作面采空區(qū)瓦斯抽采量為1.44 m3/min，故本次泵站核定過(guò)程中，采空區(qū)的瓦斯抽采量以1.44 m3/min來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q泵為抽采泵額定流量，m3/min；QZ為整個(gè)礦井瓦斯抽采純量，m3/min；x為瓦斯抽采濃度，%；K為備用系數(shù)，一般取3.5；η為瓦斯抽采泵的抽采效率。

根據(jù)二采區(qū)實(shí)際情況，QZ取值1.44 m3/min，x取值0.03，K取值3.5，η取值0.8。通過(guò)計(jì)算，礦井需要泵站的額定功率為210 m3/min。故所選用的泵站的額定功率不得小于210 m3/min。ZWY360/400-G型抽采泵額定抽采量360 m3/min，完全滿足二采區(qū)抽采需求。

3.2 本煤層抽采負(fù)壓核定

根據(jù)規(guī)程要求，預(yù)抽瓦斯鉆孔的孔口負(fù)壓不得低于13 kPa。

式中：H為直管阻力損失，Pa；L為管路長(zhǎng)度，m；Q為瓦斯流量，m3/h；D為管道內(nèi)徑，cm；k為與管道有關(guān)的系數(shù)；V為混合瓦斯對(duì)空氣的對(duì)比。其中，管網(wǎng)局部阻力為直管摩擦阻力的10%～20%，本次校核計(jì)算管網(wǎng)局部阻力為直管摩擦阻力的15%。

管路直管阻力損失計(jì)算：

H直總=（9.8×L×V×Q2）/（k×D5）

=[9.8×1440×0.951×（280×60）2]/（0.57×805）

=2.027 kPa。

管路局部阻力損失H局總按照直管阻力損失的15%計(jì)算：

H局總=H直總×15%=304 Pa。

管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力H總=H直總+H局總=2.331 kPa。

卸壓瓦斯抽采鉆孔的孔口負(fù)壓不得低于5 kPa，因此，真空泵所提供的負(fù)壓不得低于7.331 kPa。ZWY360/400-G型真空泵工況狀態(tài)完全滿足該區(qū)域抽采要求。

4 抽采效果分析

4-1#煤層原始瓦斯含量為6.33 m3/t，根據(jù)抽采需求，須預(yù)抽40%，即為2.532 m3/t，預(yù)抽瓦斯量為4 656 855.16 m3。通過(guò)對(duì)平行預(yù)抽鉆孔抽采情況進(jìn)行60 d的考察，考察結(jié)果如圖6。統(tǒng)計(jì)分析可知，鉆孔60 d內(nèi)平均抽采濃度為53.5%，平均抽采純量為0.035 635 m3/min。按照規(guī)定，180 d能完成預(yù)抽要求。

圖6 預(yù)抽情況曲線圖

回采過(guò)程中，抽采瓦斯量不低于4.79 m3/min。通過(guò)對(duì)回采過(guò)程中高位鉆孔、插管抽采情況進(jìn)行15 d的考察，考察結(jié)果如圖7、圖8。

圖7 插管抽采情況曲線圖

圖8 高位鉆孔抽采情況曲線圖

通過(guò)分析，插管平均抽采濃度為45.5%，平均抽采純量為2.026 3 m3/min；高位鉆孔平均抽采濃度為46.5%，平均抽采純量為1.600 8 m3/min；工作面回采過(guò)程中未出現(xiàn)上隅角、回風(fēng)巷瓦斯超限現(xiàn)象。

5 總結(jié)

本文闡述了正利煤業(yè)二采區(qū)概況及安裝井下移動(dòng)泵站系統(tǒng)的必要性。通過(guò)分析礦井二采區(qū)抽采方式，對(duì)煤礦二采區(qū)泵站系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

礦井主要抽采方式有：① 預(yù)抽采用順層鉆孔，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度265 m，孔間距3 m；② 施工高位鉆孔前先施工專用鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距30 m。每個(gè)鉆場(chǎng)施工一組鉆孔，每組鉆孔6個(gè)，設(shè)計(jì)孔徑113 mm；③ 設(shè)計(jì)插管一條，使用鋼管，管徑300 mm。

泵站選型為ZWY360/400-G型泵，額定抽氣量360 m3/min。

校核計(jì)算可知，需要的泵站額定抽風(fēng)量不得低于210 m3/min，所選用的泵站完全可以滿足需求。

通過(guò)抽采效果考察，抽采系統(tǒng)完全可以滿足二采區(qū)實(shí)際生產(chǎn)需求。

綜上所述，本文所涉及泵站可靠性強(qiáng)，完全可以滿足二采區(qū)抽采需求。研究成果對(duì)于礦井抽采系統(tǒng)選型具有一定的指導(dǎo)意義。