晉能控股煤業集團大通煤業瓦斯抽采系統設計

楊艷偉

（晉能控股煤業集團大峪煤業，山西 晉城 048400）

引言

大通煤業位于山西省高平市陳區鎮，隸屬于晉能控股煤業集團。礦井批準開采3號～15號煤，設計生產能力為1.2 Mt/年，為高瓦斯礦井。2017年7月，由煤科集團沈陽研究院有限公司完成了大通煤業3號煤瓦斯井下抽采工程設計工作，礦井設計抽采規模為4.54 m3/min。大通煤業3號煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.049 d-1、透氣性系數為1.014 9 m2/（MPa2·d）、平均百米鉆孔抽放量為0.0551m3/min，視密度為1.44t/m3。

1 瓦斯抽采的必要性

根據2010年10月河南理工大學編制的3號煤層礦井瓦斯涌出量預測報告，本著礦井涌出量最大時期，取預測最大原則，得出：本礦在開采3號煤層時，礦井最大相對瓦斯涌出量為7.17 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量18.11 m3/min；回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為6.19 m3/min，單個掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.89 m3/min。依據煤礦安全規程（2016版）、《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》安監總煤裝〔2011〕163號規定及安監總煤裝〔2011〕162號《煤礦瓦斯等級鑒定暫行辦法》第九條[1-2]，礦井為高瓦斯礦井，應建立瓦斯抽采系統進行抽采。大通煤業回采工作面采用U型通風，而U型通風易形成采空區瓦斯在通風負壓作用下造成上隅角和回風巷道的瓦斯超限，為了回采工作面的安全生產，有必要建立瓦斯抽采系統。

2 瓦斯抽采的可行性分析

開采層瓦斯抽采的可行性是指在原始透氣性條件下進行預抽的可能性，一般來說以煤層的透氣性系數和鉆孔瓦斯流量衰減系數來判定，大通煤業3號煤透氣性系數為1.014 9 m2/（MPa2·d），由于瓦斯含量和透氣性系數較高，需進行瓦斯抽采工作。

3 瓦斯抽采管路設計

3.1 管路敷設路線

大通煤業瓦斯抽采泵站建立在回風立井工業廣場內，抽采管路通過回風立井敷設至井下各巷道、采掘工作面和采空區。抽采管路敷設路線：采空區、回采巷道、預抽巷道→回風大巷→回風立井→地面管路→瓦斯抽放泵站。

3.2 管徑選擇

根據《大通煤業3號煤瓦斯抽采初步設計》中抽采管徑的計算，主管路管徑為426 mm，干管管路管徑為426 mm，支管、鄰近煤層抽采支管、已采采區支管、準備回采預抽支管和回采工作面預抽支管管徑為325 mm，管路材質均為螺旋焊接鋼管[3]。

4 管網阻力計算

瓦斯抽采管路阻力包括摩擦阻力和局部阻力。計算管網阻力應在抽采管網系統敷設線路確定后，按其最長的線路和抽采最困難時期的管網系統計算。根據大通煤業巷道布置情況，抽采最困難時期系統主管路長1 500 m，干管路長700 m左右，支管路長500 m左右。

4.1 摩擦阻力

式中：H為阻力損失，Pa；L為管路長度，m；Q0為標準狀態下的混合瓦斯流量，m3/h；d為管路內徑，mm；v0為標準狀態下的混合瓦斯運動黏度，m2/s；ρ為管路內混合瓦斯密度，kg/m3；Δ為管路內壁的當量絕對粗糙度，mm；P0為標準大氣壓力，取101 325 Pa；P為管路內氣體的絕對壓力，Pa；T為管路中的氣體溫度為t時的絕對溫度，K；T0為標準狀態下的絕對溫度，取290 K；t為管路中的氣體溫度，℃。

管路局部阻力可按管路摩擦阻力的10%～20%計算，取15%。

由下頁表1可知：抽采系統從工作面到地面抽采泵站之間管路最大總摩擦阻力H摩低為5 555 Pa。

4.2 局部阻力（H局）

抽采管網系統管件局部阻力H局按管道總摩擦力阻力的15%考慮，H局低=0.15H摩低=0.15×5 555=833.25 Pa。

表1 抽采系統管路摩擦阻力計算結果表

4.3 各系統總阻力（H總）

瓦斯抽采管網系統的總阻力H總，抽采系統總阻力H總低=H摩低+H局低=5 555+833.25=6 388.25 Pa。

5 瓦斯抽采水環真空泵選型

5.1 參數計算

5.1.1 瓦斯泵壓力

瓦斯抽采泵的壓力是克服瓦斯從井下抽采孔口起，經抽采管路到抽采泵，再到釋放點所產生的全部阻力損失，計算管網阻力應在抽采管網系統敷設線路確定后，按其最長的線路和抽采最困難時期的管網系統進行計算。標準狀態下抽采系統壓力可按式（2）計算：

式中：H為抽采系統壓力，Pa；Hr為抽采設備入口側（負壓段）10～15年內管路最大阻力損失，Pa；Hc為抽采設備出口側（正壓段）管路阻力損失，Pa；K為抽采系統壓力富余系數；hrm為入口側（負壓段）管路最大摩擦阻力，Pa；hrj為入口側（負壓段）管路局部阻力，Pa；hk為抽采管路入口負壓，Pa，抽采系統取6 700 Pa；hcm為出口側（正壓段）管路最大摩擦阻力，Pa；hcj為出口側（正壓段）管路局部阻力，取500 Pa；hz為出口側（正壓段）的出口正壓，取5 000 Pa。

瓦斯抽采泵壓力計算結果見表2。

5.1.2 抽采泵工況壓力

表2 瓦斯抽采泵壓力計算表

式中：Pg為抽采泵工況壓力，Pa；Pd為抽采泵站的大氣壓力，取92 018 Pa。

抽采泵工況壓力計算見表3。抽采泵工況壓力取70 kPa。

表3 抽采泵工況壓力計算表

5.2 水環真空泵選型

根據《大通煤業3號瓦斯抽采初步設計》中選用2BEC62型水環式真空泵對井下進行抽采作業，其中一臺工作、一臺備用及檢修，選用的水杯式真空泵完全能夠滿足礦井瓦斯抽采需求。

6 結語

根據大通煤業3號煤瓦斯地質各類參數設計的瓦斯抽采系統，該系統設計科學合理，能夠有效地防范采掘工作面的瓦斯，為井下采掘工作的瓦斯防治提供了可靠的科學保障。合理可靠的抽采設計不僅實現了抽采達標，還保證了礦井的高產高效。