基于能量理论的瓦斯抽采系统优化研究

杨利平，简 瑞

(1.中国煤炭科工集团有限公司重庆研究院，重庆400037;2.国家煤矿安全技术工程研究中心，重庆400037; 3.中国石油化工股份有限公司中原油田分公司普光气田公司，四川达州637156)

1 概述

目前我国高瓦斯矿井及突出矿井的煤炭储量占全国总储量的一半以上，其瓦斯资源量几乎与常规天然气资源量相当［1］。但是大部分煤层透气性较低，一般在0.005～10.00m2/(MPa2·d)范围内［2］，高瓦斯煤层的低渗透性成为制约我国瓦斯抽采的瓶颈［3－4］。低透气性煤是由周围多种原子团的缩聚芳香稠环、氢化芳香稠环［5－7］，通过各种交联键、桥键缔合联结而成，其大分子结构中含有各种缺陷，这种结构缺陷以及分子间的作用力使得低透气性煤的吸附瓦斯能力强，不利于瓦斯抽采。因此，尽管多数高瓦斯矿井已建立瓦斯抽采系统［8］，甚至地面钻井实现煤层气与煤共采［9］，但是，系统负压较低，抽采效果并不理想，致使煤炭企业在生产过程中瓦斯窒息、瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等事故时有发生。

鉴于此，在前人的研究基础上，以山西潞安集团五阳煤矿为例，将该矿原有风井地面瓦斯抽采系统进行优化，改扩建新瓦斯抽采泵站，并且分开高、低负压瓦斯抽采管路;另外在井下采用“并管提压”的瓦斯强化抽采技术，实现矿井瓦斯分源抽采。这项措施对我国多数矿井旧瓦斯抽采系统进行升级改造具有一定的技术指导意义。

2 工程背景

2.1 矿井概况

五阳煤矿是山西潞安集团所属的一座大型现代化矿井，现开采3号煤层，2008年矿井升级改造完成，核定生产能力为3.00Mt/a。主采的3号煤层为高瓦斯、低透气性厚煤层，旧的地面瓦斯抽采系统为高、低负压混合抽采，不符合《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》［10］，抽采瓦斯纯量约35m3/ min，抽采效率低下，已经不能满足目前矿井安全生产，也不利于瓦斯利用［11］。

在3号煤层7607运输巷取样，瓦斯基本参数情况见表1，旧地面瓦斯抽采系统服务范围为76，78采区，该采区生产过程中矿井最大相对瓦斯涌出量为50.76m3/t，矿井最大绝对瓦斯涌出量为321m3/min。

2.2 原有抽采系统概况

五阳煤矿现有2个瓦斯抽采站:旧地面瓦斯抽采站和井下移动式抽采站，共同服务于矿井76，78采区。井下移动式瓦斯抽采站位于76采区专用回风巷，于2004年2月1日建成投运，现抽采瓦斯纯量约10m3/min。旧地面瓦斯抽采站位于南丰风井工业场地，2BEY－52水环式真空泵3台，2运1备，于2005年5月30日建成投运。现抽采瓦斯纯量约35m3/min，泵站抽采浓度12.5%，抽采负压约31kPa，混合流量约280m3/min，末端钻孔几乎无负压。该系统抽采能力目前已经饱和，且高、低负压混合抽采，不利于瓦斯利用。

目前井下布置瓦斯抽采钻孔20800多个，矿井主要抽采地点及抽采方法有:7602，7806，7607回采工作面采前预抽;7603掘进工作面边掘边抽; 7801回采工作面边采边抽;7605采空区抽采。

3 地面瓦斯抽采系统优化研究

3.1 改扩建地面瓦斯抽采泵站

五阳煤矿自2004年开始瓦斯抽采工作至今已有5a，矿井已积累了较丰富的瓦斯抽采经验。改造工艺主要针对原有地面瓦斯抽采泵站高、低负压混合抽采系统。

由于五阳煤矿的3号煤层透气性较低，目前矿井及工作面瓦斯抽采率为30%～35%，而采空区抽采浓度很低，在12%左右，与煤矿瓦斯抽采达标暂行规定［12］相差较远。矿井需要对目前的抽采工艺系统进行完善和改造［13］，提高工作面、采空区［14－15］和矿井瓦斯抽采效果。

根据改扩建设计需求，设计安装6台CBF810－2水环式真空泵，其中高负压抽采泵4台，2运2备;低负压抽采泵2台，1运1备。高、低负压抽采系统的备用泵可实现互为备用，改扩建系统布置见图1。选用配套防爆电机，电压等级6 kV，电机功率900 kW。在场地内布置3条管道立井，2用1备:高负压管道井直径1250mm，低负压管道井直径1050mm，备用管道井直径1250mm。

矿井瓦斯抽采管路布置:地面抽采站→管道井→采区专用回风巷→两巷。

高负压瓦斯抽采管路:地面主管和管道立井选择螺旋焊接钢管，地面主管规格为D1020×10mm，管道立井管路规格为D1020×15mm;井下采区专用回风巷干管选用矿用聚乙烯瓦斯管，规格为D710×42.1mm;两巷支管选用矿用聚乙烯瓦斯管，规格为D400×23.7mm。备用管道立井铺设规格为D1020×15mm。

低负压瓦斯抽采管路:地面主管和管道立井选择螺旋焊接钢管，地面主管规格为D820×10mm，管道立井管路规格为D820×15mm;井下采区专用回风巷、大巷干管选用矿用聚乙烯瓦斯管，规格为D630×37.4mm;两巷支管选用矿用聚乙烯瓦斯管，规格为D355×21.1mm。

3.2 本煤层瓦斯强化抽采技术研究

五阳煤矿高产高效综合机械化开采工作面的推进长度可达2km，采用顺层密集大直径钻孔的布置方式抽采瓦斯，将有千余个预抽支管接入区段主管路，如图2中区段主管路接入n个预抽钻孔。

为研究抽采管路内混合瓦斯流动过程中的能量变化，假设煤层各向均质，可简化能量方程:

式中，hR为任意两断面间的管网阻力;Pi，Pj为瓦斯流在i，j断面的绝对压力，MPa;ρw为混合瓦斯流的密度，kg/m3;vi，vj为i，j断面外混合瓦斯流的流速，m/s。

图1 改扩建系统布置

图2 区段主管路混合瓦斯流的能量坡度线

由式 (1)可知，任意两断面间的管网阻力等于两断面的全压差。因此，依据瓦斯管路的管网阻力即可得出区段主管路的能量坡度线。客观反映了混合瓦斯流在流动过程中，沿程各断面上能量与管网阻力之间的关系。设预抽支管接入的混合瓦斯流量为qi，则抽采管路中流体能量变化的计算公式:

式中，l为区段主管路任意两预抽支管间的距离，m;K为不同管径系数;D为瓦斯管路内径，cm; ξ为局部阻力系数;vi为区段主管路中混合瓦斯流的平均流速，m/s;g为重力加速度。

由式(2)可知，从区段主管路A至D，坡度逐渐变小，如图2中AO'O″D能量坡度线。O″D段抽采负压低于P″，且该段能量坡度线平缓，流体基本处于不流动状态，表明该区域qi趋于0，处于抽采无效区;AO'段抽采负压高于P'，能量坡度线坡度较大，表明该段管路流量增加较快，即qi值较大，预抽效果较好;位于高效和无效抽采区间的为低效抽采区，能量坡度线坡度介于两者之间。因此，当区段主管路较长时，有较大一部分区域处于抽采负压较低范围内，相应的钻孔抽采效果差。根据上述分析结果，五阳煤矿工作面推进长度可达2km以上，靠近工作面切眼区域的抽采负压较低，抽采效果差，根据五阳煤矿测定综采工作面初始开采阶段的瓦斯涌出结果表明，综采工作面生产上隅角瓦斯浓度达0.89%以上，虽未超限，但接近临界值;煤壁瓦斯涌出量所占比例达45%以上。因此，基于上述分析和现场实际存在的问题，提出了区段主管路增压的瓦斯强化抽采技术，提升区段管路的整体抽采负压，增加瓦斯抽采量，改进现有本煤层瓦斯抽采效果差的现状。

本煤层预抽强化抽采技术是将本煤层多个顺层密集钻孔的瓦斯通过软管连接装置接入区段巷道中的区段主管路;在邻近区段巷道内铺设区段增压支管路，接入区段主管路，以提高区段主管路的整体抽采负压，增加瓦斯抽采量，提高预抽率。增压管路铺设抽采系统如图3所示。

图3 本煤层预抽的“并管提压”系统

区段主管路和区段支管路内的能量坡度线分别为ABCD，AB'B和AC'C。由能量坡度线可知，区段支管路明显提升了区段主管路中B点和C点的抽采负压，在BC段区段主管间安装调节阀门控制管道瓦斯流。由图2可以看出，增压管路系统中区段主管路能量坡度线ABCD明显低于AO'O″D，均位于高效抽采区范围内。

4 基于能量理论的瓦斯抽采系统升级改造

五阳煤矿南丰工业区地面瓦斯抽采泵站改扩建工程于2011年11月正式施工建设，2013年4月全部安装调试投运，新泵站投运初期高、低负压暂时各开启1台泵满足井下生产需求，后期本煤层增加预抽钻孔，高负压2台泵同时运行。目前高负压1运，监测混合瓦斯流量 253m3/min，抽采负压58kPa，抽采浓度21%，抽采纯量约53m3/min;低负压1运，监测混合流量146m3/min，抽采负压43kPa，抽采浓度15%，抽采纯量约22m3/min。新扩建泵站投产运行初期总的瓦斯混合流量约400m3/min，是旧泵站的1.5倍，有效提高了瓦斯抽采量。

井下管路采用增压管路 (图3)(该技术已在阳煤集团新元煤炭有限责任公司成功实施)瓦斯强化抽采技术，五阳煤矿对采用并管提压系统前后的区段主管路抽采负压和抽采量进行实测。未增加并管提压系统的区段主管路D点区域的抽采负压值仅为－136Pa左右，单孔抽采量趋于0m3/min。采用并管提压系统后，在区段主管路CD段均布4个测点进行抽采负压和单孔抽采量的监测，监测数据见表2。监测结果表明，在采用增压管路系统后，区段主管路低效和无效抽采区的抽采负压和单孔抽采量均得到了大幅提升。此外，现场实测上隅角瓦斯浓度基本控制在0.56%～0.75%之间，无超限现象发生。实践表明，该强化预抽技术增加了瓦斯抽采量，减少了预抽时间，有效降低了本煤层瓦斯涌出量。

五阳煤矿对地面瓦斯抽采系统进行升级优化后，高、低负压分源抽采，有效提高了瓦斯抽采率，平均瓦斯浓度在18.9%以上，高、低负压瓦斯抽采进行加压脱水处理，将来高浓度瓦斯进行并网利用。目前南丰工业区已经建立低浓度瓦斯发电系统，目前配备4台机组，2运2备，平均每日利用量为 21700m3左右，平均每日发电量为38000kWh。

表2 抽采负压与单孔抽采量关系

5 结论

(1)结合五阳煤矿实际情况，在现有南丰工业区瓦斯抽采系统基础上进行优化，既节约了瓦斯治理的经济成本，很好地利用了原有管路及发电设备，避免浪费和重复性建设，又很好地解决了西风井瓦斯超限问题，并且大幅度提高了瓦斯抽出率。

(2)分别建立高、低负压双瓦斯抽采系统，实现矿井瓦斯分源抽采，这项措施提高了瓦斯抽放的总量，新扩建系统初期抽采能力是旧系统的1.5倍，后期正式投运能力更大，有效地缩短了本煤层瓦斯预抽时间，解决了高瓦斯低透气性煤层采掘工作面瓦斯超限与突出的问题。高、低浓度瓦斯分源抽采，有针对性地利用瓦斯，高浓度瓦斯并网利用，低浓度瓦斯进行发电(目前平均每日发电量为38000kWh)，提高了瓦斯的利用价值及环保价值。

［1］周世宁，林柏泉.煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术［M］.北京:科学出版社，2007.

［2］钱鸣高.煤炭的科学开采［J］.煤炭学报，2010，35(4): 529－534.

［3］陈 静，王继仁，贾宝山.低透气性煤层瓦斯抽采技术与应用［J］.煤炭技术，2009，28(3):70－73.

［4］姚尚文.高瓦斯低透气性煤层强化增透抽放瓦斯技术研究［D］.淮南:安徽理工大学，2005.

［5］Ju Y W，Jiang B，Wang G L，et al.Tectonic coals:structures and physical properties of reservoirs［M］.Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2005.

［6］张小东，刘 浩，刘炎昊，等.煤体结构差异的吸附响应及其控制机理［J］.地球科学 (中国地质大学学报)，2009，34(5):848－854.

［7］桑树勋，朱炎铭，张 井，等.煤吸附气体的固气作用机理(Ⅱ)——煤吸附气体的物理过程与理论模型［J］.天然气工业，2005，25(1):16－18.

［8］周世宁，林伯泉，李增华.高瓦斯煤层开采的新思路及待研究的主要问题［J］.中国矿业大学学报，2001，30(2).

［9］许家林，钱鸣高，金宏伟.基于岩层移动的“煤与煤层气共采”技术研究［J］.煤炭学报，2004，29(2):129－133.

［10］中国煤炭建设协会.煤矿瓦斯抽采工程设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［11］王富强，董 飞.煤矿瓦斯抽采方案优化设计［J］.科技与企业，2013，13(3)，309－313.

［12］国家安全生产监督管理总局，国家发展和改革委员会，国家能源局，等.煤矿瓦斯抽采达标暂行规定［S］.北京:煤炭工业出版社，2011.

［13］王小朋，乔 伟，姜 骞，等.低透气性厚煤层瓦斯双抽采系统优化研究［J］.煤炭科学技术，2013，41(2):45－48.

［14］袁 亮，郭 华，李 平，等.大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术［J］.煤炭学报，2013，38(1):1－8.

［15］栗振刚.高瓦斯综放工作面卸压瓦斯抽采技术研究［D］.西安:西安科技大学，2009.