采煤工作面移动式瓦斯抽采系统设计

张巨峰，谢亚东，张建江，杨峰峰，马德奇，苗在全

(1.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院， 湖南 湘潭 411201；3.靖远煤电股份有限公司 魏家地煤矿，甘肃 白银 730913)

瓦斯抽采是瓦斯矿井治理瓦斯灾害最为有效的措施之一，瓦斯抽采系统的设计对瓦斯抽采效果至关重要[1-2]。根据《煤矿安全规程》和《煤与瓦斯突出防治规定》相关要求，高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井必须建立瓦斯抽采系统。目前，国内大多数高瓦斯矿井建立了瓦斯抽采系统[3-6]，一些高瓦斯矿井因地面瓦斯抽采系统能力不足以及其他条件限制等特殊原因，不能满足井下瓦斯抽采要求，需要对个别采煤工作面进行移动式瓦斯抽采，即在井下建立移动式瓦斯抽采泵站，通过移动式瓦斯抽采泵将抽出的低浓度瓦斯直接排入采区回风巷、一翼回风或矿井总回风巷，以解决工作面瓦斯超限问题，保障工作面安全回采。

1 工作面概况及瓦斯抽采问题

1.1 工作面概况

靖远煤电股份有限公司魏家地煤矿2105综放工作面位于西二采区东翼中部1号煤层。工作面东部为西一、西二采区保护煤柱和已回采的西一采区106、108、1308和1306工作面，西部以一片煤厚小于0.8 m的薄煤区邻接西二采区系统上山保护煤柱，南部为未采动的1号煤层，北部为正在回采的1号煤层2103工作面。工作面走向长717 m，倾斜宽150 m，面积107 550 m2，工业储量83.72万t， 可采储量71.16万t，工作面标高1 204～1 243 m，对应地面标高1 620～1 652 m。煤尘具有爆炸性，挥发分含量为29.33%，爆炸指数为31.64%。

工作面区域内1号、3号煤层的层间距约50 m，因此，2105工作面瓦斯涌出主要受处于原始状态的本煤层瓦斯涌出的影响，其次受2103工作面及西一采区106、108、1308和1306工作面的开采影响，回采过程中瓦斯涌出量较大。

1.2 瓦斯抽采问题的提出

魏家地煤矿地面永久式瓦斯抽采系统采用一台SKA-120型真空泵和一台2BEP-67型水环式真空泵并联抽采整个矿井瓦斯，配用D325 mm、D426 mm两趟主管路工作，混合瓦斯抽采流量为230～250 m3/min，抽采区域最低抽采负压为1.36 kPa，《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》第15条规定，预抽瓦斯钻孔孔口负压不得低于13 kPa，卸压瓦斯抽采钻孔孔口负压不得低于5 kPa。而井下局部区域预抽瓦斯钻孔孔口负压低于13 kPa，矿井主抽采系统能力不足，因此，综放工作面必须通过井下移动式抽采系统实施工作面区域瓦斯抽采。

2105综放工作面为1310综放工作面的接续工作面，回采前预抽采时间仅为4个月，采前预抽不充分，工作面仍留有瓦斯抽采空白带，煤体残余瓦斯含量高，回采期间有瓦斯超限的可能。为了加强2105综放工作面瓦斯抽采，保障工作面安全回采，决定实施工作面移动式瓦斯抽采解决工作面回采过程中的瓦斯超限问题。

2 工作面移动式瓦斯抽采设计

2.1 工作面移动式瓦斯抽采设计参数

1) 移动式瓦斯抽采泵技术参数。2105工作面安装型号为BWY-85型水环式移动真空泵，外形尺寸：长×宽×高=4 100 mm×1 400 mm×2 200 mm(包括电机及直联传动装置)，进、排气口管路直径为325 mm，极限真空度为14.67 kPa，最大排气量为85 m3/min，耗水量为14.4 m3/h，配用功率为110 kW的电机。

2) 2105工作面运输巷、回风巷各敷设一趟D159 mm无缝钢管作为瓦斯抽采管，运输巷预计抽采13个钻场共117个钻孔，回风巷预计抽采28个钻场共252个钻孔，共计抽采钻孔369个。

3) 根据与2105综放工作面条件相似的2103工作面和2104工作面瓦斯抽采资料，2105工作面瓦斯抽采的流量为5～10 m3/min，瓦斯浓度为6%～15%。

2.2 移动式瓦斯抽采泵安装方案

《煤矿安全规程》第147条规定，临时瓦斯抽采泵站应安装在抽采瓦斯地点附近的新鲜风流中，抽出的瓦斯可引排到地面、总回风巷、一翼回风巷或分区回风巷。因此，2105工作面移动式瓦斯抽采泵安装位置有以下三种方案：

方案Ⅰ：继续安装在西二回风上山底弯道(原2302工作面移动式瓦斯抽采泵安装位置)。

优点：不需要新建瓦斯抽采泵站，能兼顾工作面运输巷及回风巷钻孔抽采，同时，可以继续用于2304工作面回采过程中的移动式瓦斯抽采，能较好地实现与地面抽采泵的并网联合抽采。

缺点：路线距离长，达1 960 m，管道阻力大，抽采负压消耗大，致使最远处钻孔瓦斯抽采负压小，瓦斯抽采效果不佳。

方案Ⅱ：在1200回风联巷口新建移动式瓦斯抽采泵站。

优点：抽采距离较近，约为1 440 m，同时，可以兼顾工作面运输巷及回风巷的钻孔抽采，可以继续用于2304工作面回采期间的移动式瓦斯抽采，能实现与地面抽采泵间的并网联合抽采。

缺点：需新建泵站，泵站处原来设置的隔绝风门需改造为调节风门。

方案Ⅲ：在2105回风联巷口新建移动式瓦斯抽采泵站。

优点：抽采距离近，约为1 070 m。

缺点：不能兼顾工作面运输巷及回风巷的钻孔抽采，且不能继续为2304工作面回采期间的移动式瓦斯抽采服务，不能实现与地面抽采泵间的并网联合抽采。

2105移动式抽采系统方案选择平面示意见图1。

图1 2105工作面移动抽采系统方案选择示意

为了兼顾后期2304工作面移动式瓦斯抽采的需要，以及考虑投资、瓦斯抽采效果等方面，最终选择方案Ⅱ。移动泵站平面布置见图2。

图2 移动泵站平面布置

2.3 移动式瓦斯抽采泵管径选择

瓦斯抽采管径的选择对瓦斯抽采效果及抽采系统的建设投资至关重要。管径太小，管路阻力大，瓦斯抽采效果差；管径太大，投资成本高，不经济。根据瓦斯抽采泵的实际抽采能力，借鉴瓦斯地质赋存条件相似的工作面，2105工作面移动式瓦斯抽采浓度约15%、混合瓦斯抽采量约34 m3/min，纯瓦斯抽采量约5 m3/min，计算瓦斯抽采管路管径为[7-8]：

式中：D为抽采管直径，m；Q为瓦斯抽采管内流量，m3/min，根据同地质条件工作面抽采纯瓦斯5 m3/min、抽采浓度15%计算，抽采混合流量为34 m3/min；v为抽采管内流速，一般取5～15 m/s，移动抽采线路取值15 m/s。

根据计算取值应选择D220 mm管路，但与矿井日常使用的D219 mm管路规格不符，且抽采最大瓦斯量出现在工作面中段，考虑适用性和成本等因素，选取D219 mm常用管路。

抽采管路内摩擦阻力[7-8]为：

式中：Hf为抽采管路内摩擦阻力，Pa；L为管路长度，m；约1 500 m；K为与管径有关的系数，查表可知，管径大于150 mm，取0.71；D为瓦斯管内径，D219 mm管路的内径为20 cm；Q为抽采混合瓦斯量，取34 m3/min，即2 040 m3/h；γ为混合瓦斯对空气的密度比，按15%的瓦斯浓度，查表可知，取0.933。

根据文献[7]，瓦斯抽采管路的局部阻力按摩擦阻力的15%计算，则瓦斯抽采管路的局部阻力为：

Hl=0.15Hf=0.15×25 147.4=3 772.1 Pa

瓦斯抽采管路的总阻力为：

Ht=Hf+Hl=25 147.4+3 772.1

=28 919.5 Pa≈28.92 kPa

移动式瓦斯抽采泵最大排气量为85 m3/min，抽采系统预计流量为34 m3/min，因此，移动泵在高负压状态下运行，抽采能力充分，移动式抽采泵的极限真空度为14.67 kPa，2105工作面移动式瓦斯抽采泵的最大抽采负压为73.69 kPa，大于抽采管路系统阻力28.92 kPa，因此，抽采管路可以满足瓦斯抽采系统的要求。

2.4 移动式瓦斯抽采设计说明

2105移动式瓦斯抽采泵站设在1200回风联巷口，采空区半封闭式瓦斯抽采管、顺层钻孔瓦斯抽采管通过D219 mm的抽采管与移动式瓦斯抽采泵连接，抽出的低浓度瓦斯通过D219 mm排气管排入采区回风或总回风巷中，具体见图3。

图3 瓦斯抽采管路连接示意

为便于工作面移动式瓦斯抽采负压调节，保证移动瓦斯抽采泵与矿井地面永久式主抽采泵协同运行，对移动抽采系统调控阀K1～K6作用说明如下，并应正确操作：

1) K1为移动式瓦斯抽采移动泵D219 mm进气管调节控制阀，系统抽采时打开，否则为关闭状态。

2) K2为运输巷与回风巷间D219 mm连通管路的调节控制阀，两巷道的两路抽采系统独立抽采时为关闭状态，两路抽采系统同时通过移动式抽采泵抽采或地面永久泵抽采时为打开状态。

3) K3为接入地面永久瓦斯抽采泵的D219 mm顺层改造抽采管路的控制阀，进行地面永久泵抽采时打开，否则为关闭状态。

4) K4为D108 mm的移动抽采配空气阀，移动抽采泵启动前打开，启动正常后关闭；在移动抽采泵抽采负压过高时，可少许打开调压，使移动抽采泵负压保持在安全范围，但必须立即通知有关人员进行系统故障检查、处理。

5) K5为移动抽采向西一下部总回风巷排放瓦斯的D219 mm排空阀，抽出瓦斯排入回风巷时打开，否则为关闭状态。

6) K6为移动抽采D219 mm顺层抽采管与改造D219 mm抽采管路串接控制阀，抽出瓦斯并入地面永久瓦斯抽采系统时打开，否则为关闭状态。

7) 抽采管路与电缆不能布置在巷道的同侧，并尽量减少交叉。

3 工作面移动式瓦斯抽采安全技术措施

1) 2105工作面移动式瓦斯抽采管路瓦斯排放口应设在矿井西一下部总回风巷内，并在管口上风流5 m、下风流30 m间设置栅栏、提示警标，以防人员误入，造成人员窒息等伤亡事故。

2) 根据《煤矿安全规程》规定，移动式瓦斯抽采泵下风流3～5 m处需安装低浓度硐室环境监测瓦斯传感器，报警浓度值为0.5%，断电值>0.5%，断电范围为瓦斯抽采泵站及其回风流内全部非本质安全型电器设备，复电值<0.5%；在矿井西一下部总回风巷瓦斯排放口栅栏1 m范围内，要求安装低浓度瓦斯传感器，报警值为0.75%，断电值>0.75%，断电范围为移动式瓦斯抽采泵站内全部非本质安全型电器设备，复电值<0.75%。

3) 瓦斯抽采管路应平直吊挂在巷帮中线以上部位，要求附件齐全、接头严密、吊挂稳固、区段安装平直，瓦斯抽采管路的每个区段低点处均应安装放水器，以防管路内积水影响瓦斯抽采效果。

4) 移动式瓦斯抽采泵进、排气管上应安装瓦斯抽采流量、负压、正压、温度、管道瓦斯等监测装置、仪表，并在移动式瓦斯抽采泵房配置能直通调度信息中心的电话。

5) 为了避免无计划停电影响工作面瓦斯抽采，移动式瓦斯抽采泵站应由采区变电所双回路直接供电。

6) 移动式瓦斯抽采泵站内应配有D60 mm清水管，以便瓦斯抽采泵冷却水池补充或更换清水。

4 结 语

魏家地煤矿2105工作面通过建立井下移动式瓦斯抽采系统，并与地面永久式瓦斯抽采系统协同运行，抽采能力得到了较大提高，工作面未出现瓦斯超限现象，上隅角瓦斯浓度一直处于0.8%以下，回风巷瓦斯浓度基本在0.5%以下。瓦斯抽采系统运行平稳、技术可行、经济合理，为矿井安全、高效生产提供了保障。