厚煤層綜采礦井瓦斯抽采系統擴能優化技術研究

王學兵，蘇保山

（國能烏海能源五虎山礦業有限責任公司，內蒙古 烏海 016000）

1 礦井概況

1.1 礦井總體概況

根據五虎山煤礦2014 年度瓦斯等級鑒定的結果，礦井瓦斯相對涌出量為37.08 m3/t、絕對涌出量為92.91 m3/min，為高瓦斯礦井。開采的各煤層煤塵均具有爆炸危險性，煤層屬自燃煤層。開采水平標高為+1 149～+939 m，原設計生產能力為150 萬t/a，目前煤礦核定生產能力為200 萬t/a。本礦井采用斜井盤區式開拓，9、10 煤層聯合布置1 個盤區，12 煤層單獨布置一個盤區。采用走向長壁一次采全高采煤法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面后退式回采。礦井通風系統為分區式通風，主斜井、副斜井、四層反斜井及行人斜井為進風井，九層回風斜井和十二層回風斜井為回風井。通風方法為機械抽出式，掘進工作面采用壓入式。

1.2 瓦斯抽放系統概況

五虎山煤礦瓦斯抽放以預抽煤層瓦斯為主，采空區抽放瓦斯為輔。礦井目前共有甲、乙 2 個瓦斯抽放泵站，甲泵站用于預抽煤層瓦斯，乙泵站用于采空區瓦斯抽放。

甲泵站瓦斯抽放泵房內預留有2 臺泵的安裝位置，以備后期泵站擴能改造使用。甲泵站泵房內安裝2 臺額定抽放量為380 m3/min 的2BEC67 型水環式真空泵，1 用1 備，每臺泵配功率為450 kW 的電機1 臺，電機轉速270 r/min。甲泵站用于9、12 煤層盤區各采掘工作面本煤層及鄰近煤層的瓦斯預抽，抽放主管路從甲泵站架空敷設至九層回風斜井井口，沿九層回風斜井敷設至九層集中回風巷與十二層集中回風巷之間的聯絡巷口處，分管路分別沿九層集中回風巷與十二層集中回風巷、九層回風上山與十二層回風上山敷設至各工作面順槽口，支管路分別沿各工作面順槽敷設至各抽放鉆場。抽放管路采用鋼骨架纖維增強樹脂管，主管路管徑為φ600 mm，分管路管徑為φ450 mm，支管路管徑為φ300 mm。

乙泵站位于九層回風斜井井口東北側，乙泵站長20 m、寬10 m，總占地面積：200 m2。泵站內安裝2臺額定抽放量為200 m3/min 的2BEC52 型水環式真空泵，1 用1 備，每臺泵配功率為250 kW 的電機1臺，電機轉速322 r/min。乙泵站用于9、10 煤層盤區各采煤工作面采空區埋管抽放、高位抽放，抽放主管路從乙泵站架空敷設至十二層回風斜井井口，沿十二層回風斜井敷設至十二層集中回風巷與九層集中回風巷之間的聯絡巷口處，分管路分別沿十二層集中回風巷與九層集中回風巷、十二層回風上山與九層回風上山敷設至各工作面順槽口，支管路分別沿各工作面順槽敷設至各抽放鉆場。抽放管路采用抗靜電PE管，主管路管徑為φ450 mm，分管路管徑為φ450 mm，支管路管徑為φ300 mm。

2 瓦斯抽放系統存在問題分析

2014-2015 年一季度瓦斯抽放情況見表1。

表1 礦井瓦斯抽放統計表

從表1 可知，五虎山煤礦乙泵站內已經安裝的2BEC52 型水環式真空泵用于采空區瓦斯抽放，其標準狀態下抽放量為200 m3/min，工況狀態下抽放量為128.60 m3/min。由于抽放設備的機械效率、設備使用年限等原因使得乙泵站內2BEC52 型水環式真空泵實際抽放能力已達到最大抽放能力，即混合量在110 m3/min 左右；礦井目前總回風量約為14 000 m3/min，按現場最大瓦斯濃度0.50 %管理，風排瓦斯純量最多為70 m3/min，即剩余采空區瓦斯涌出純量22.91 m3/min(混合量為184.61 m3/min)需通過瓦斯抽放設備解決；為此，2015 年2 月五虎山煤礦在井下增加2 臺移動抽放泵用以輔助抽放采空區瓦斯，但移動抽放泵抽放能力較小、只能臨時解決局部區域瓦斯涌出量大的問題；隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量越來越大，采空區瓦斯涌出量也相應增大；綜上所述，礦井乙泵站內2BEC52 型水環式真空泵抽放能力不能滿足礦井采空區瓦斯抽放的要求，需要進行擴能改造。

3 瓦斯抽放系統擴能改造方案

3.1 方案設計

在礦井的甲泵站抽放泵間內已預留的空間位置新布置2 臺2BEY72 型水環式真空泵，用于井下采空區瓦斯抽放；由于已有的乙泵站泵房間面積太小，不能滿足更換安裝大泵的要求，乙泵站維持現狀，作為備用抽放泵站，若井下采掘面瓦斯涌出量大幅增加，乙泵站內抽放泵可與正常工作的甲泵站內抽放泵并聯運行，以增大瓦斯抽放能力；礦井采空區瓦斯抽放系統管路敷設線路與原系統相同，管路大部分利用已有管路。

3.2 抽采管路選型

瓦斯抽放管的直徑選擇采用下式計算：

式中：d為抽放瓦斯管內徑，m；Q為瓦斯管中瓦斯流量，m3/min；V為瓦斯管中的瓦斯經濟流速，主管取 12 m/s，分管、支管取8 m/s。

根據抽放系統布置，地面、十二層回風斜井中敷設的管路為主管，十二層集中回風巷、十二層回風上山中敷設的管路為分管1，九層集中回風巷、九層回風上山中敷設的管路為分管2，12 煤層工作面順槽敷設的管路為支管1、支管2，9、10 煤層工作面順槽敷設的管路為支管3、支管4，抽放管路計算取抽放量的1.2 倍系數，抽放管路直徑計算結果見表2。

表2 抽放瓦斯管路管徑選擇結果表

通過以上計算，瓦斯抽放系統目前已有的管路均能夠滿足使用要求，無需更換，地面只需增加部分至甲泵站的管路以及泵站內外的連接管路即可。

3.3 抽采設備選型

抽放瓦斯管路的阻力分摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力計算公式如下：

式中：Hm為管路摩擦阻力，Pa；L為管路長度，m；△為混合瓦斯對空氣密度比；K為與管徑有關系數；D為管道內徑，cm；Q為瓦斯流量（混合量）m3/h。

局部阻力按摩擦阻力的20%計算，即：

式中：Hj式抽采瓦斯管路局部阻力，Pa。

采空區瓦斯抽放系統的最困難路線為：12 煤層工作面順槽1 200 、4 300 mm →十二層回風上山、十二層集中回風巷1 200 m、中450 mm →十二層回風斜井1300 m、中450 mm →瓦斯泵站。

據此，利用上述阻力計算公式計算得出的抽放管路阻力如表3.2 所示。礦井采空區瓦斯抽放系統地面及井下管路阻力之和為8 671.51 Pa。

表3 抽放管路阻力計算結果表

采空區瓦斯抽放系統抽放鉆孔孔口負壓取15 000 Pa，出口正壓均取5 000 Pa。

1）抽放系統壓力。標準狀態下抽放系統壓力可按下列公式計算：

式中：H 為抽放系統壓力，Pa；HGZ為管路最大阻力損失，Pa；HK為抽放鉆孔孔口負壓，Pa；HZ為出口正壓，Pa；K為壓力富余系數。

2）抽放泵工況壓力：

式中：Pg為抽放泵工況壓力，Pa；Pd為抽放泵站的大氣壓力，Pa。Pg=88 825-43 007.27=45 817.73 Pa

式中：Qb為標準狀態下瓦斯抽放泵流量，m3/min；Q為礦井每分鐘抽放瓦斯混合量，m3/min；K為備用系數；η為瓦斯抽放泵效率。Qb=110×1.5/0.8=206.25 m3/min。

3）抽放泵工況狀態下流量：

式中：Qg為工況狀態下的瓦斯泵流量，m3/min；Qb為標準狀態下的瓦斯泵流量，m3/min；P0為標準大氣壓力，Pa；P為瓦斯系入口絕對壓力，Pa（P=Pd-HGZ-HK）；T為瓦斯泵入口瓦斯的絕對溫度（T=273+t）；T0為按瓦斯抽采行業標準規定的標準狀態下絕對溫度（T0=273 +20）；t為瓦斯泵入口瓦斯的溫度，200C。

4 現場應用效果

根據以上各計算參數，已有的2 臺2BEY72 水環式真空泵能夠滿足五虎山煤礦井下采空區瓦斯抽放的需求；因此，將這2 臺真空泵調配使用瓦斯抽放，煤層瓦斯預抽系統和采空區瓦斯抽放系統進氣側管路已經互相連通，實際使用過程中可根據井下預抽瓦斯量和采空區瓦斯涌出量的變化情況，2 套系統可實現功能的互換，充分發揮設備的抽放能力，最大程度的抽放井下瓦斯，保證井下安全生產。

5 結 論

1）五虎山煤礦乙泵站內2BEC52 型水環式真空泵實際抽放能力已達到最大抽放能力，即混合量在110 m3/min 左右；礦井目前總回風量約為14 000 m3/min，按現場最大瓦斯濃度0.50 %管理，風排瓦斯純量最多為70 m3/min，即剩余采空區瓦斯涌出純量22.91 m3/min（混合量為184.61 m3/min）需通過瓦斯抽放設備解決礦井乙泵站內2BEC52 型水環式真空泵抽放能力不能滿足礦井采空區瓦斯抽放的要求，需要進行擴能改造。

2）通過抽采設備選型計算，得出礦井采空區瓦斯抽放系統地面及井下管路阻力之和為8 671.51 Pa，抽放系統壓力為43 007.27 Pa，抽放泵工況壓力為45 817.73 Pa，瓦斯抽放泵流量為206.25 m3/min。

3）根據設備參數計算，利用已有的 2 臺2BEY72 水環式真空泵用于采空區瓦斯抽放，2 套系統實現了功能的互換，充分發揮設備的抽放能力，最大程度的抽放井下瓦斯，保證井下安全生產。