正利煤业二采区井下移动瓦斯抽采系统设计研究

谢一德

（山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司，山西 岚县 033599）

瓦斯一直是威胁煤矿安全生产的“隐形杀手”，瓦斯爆炸、突出等事故时有发生。我国已经在该领域做出大量研究，目前常用的方法是瓦斯抽采[1-3]。

正利煤业瓦斯涌出量为11.02 m3/min，为高瓦斯矿井，仅仅通过风排瓦斯无法满足矿井安全生产要求。矿井延伸至二采区，开采深度增大，导致抽采管路铺设长度增加，原一采区抽采设备陈旧，抽采能力下降，无法满足二采区抽采要求。因此，须建设一套全新的抽采系统。本文通过计算二采区抽采需求，选定一套抽采泵站系统，并进行了抽采能力和管道阻力的核定。

1 矿井及二采区概况

正利煤业设计产能150万t/a，批准开采煤层为4-1、4、7、9煤层，目前在采煤层为4-1#煤层，向深部二采区延伸，开采深度越来越大。4-1#煤平均厚度3.01 m，顶板为泥岩，底板为砂岩，整体赋存稳。煤层原始瓦斯为6.33 m3/t，瓦斯压力为0.42 MPa，煤层硬度介于0.5～1.2。具体3#煤层瓦斯参数见表1。

表1 3#煤层瓦斯参数

二采区井下标高+566～ +647 m，第一个回采工作面为14-1201工作面。14-1201工作面走向长度1300 m，倾向长度280 m。工作面布置情况如图1。

图1 二采区工作面布置图

2 二采区移动抽采系统设计

为确保移动抽采系统设计可靠，首先需要确定抽采方法。根据煤层瓦斯情况，拟采用的技术有[4-7]：（1）本煤层预抽；（2）高位钻孔；（3）插管抽采。预计本煤层预抽量为40%。

2.1 抽采方法

2.1.1 本煤层预抽

本煤层预抽钻孔设计如图2。由图可知，抽采管路布置在胶带顺槽。钻孔设计深度265 m，由轨道顺槽向胶带顺槽施工，孔间距为3 m，孔径为Φ94 mm。抽采管路铺设在轨道顺槽，材质为PVC，管径Φ300 mm。

图2 3号煤层平行工作面钻孔布置图

2.1.2 高位钻孔抽采

高位钻孔设计如图3。钻孔施工位置为胶带顺槽，每个钻场间隔30 m，所有钻孔在钻场内施工。

图3 高位钻孔设计图

每个钻场内实施一组钻孔，每组钻孔6个，孔径Φ113 mm。每组钻孔参数见表2。

表2 高位钻孔参数表

2.1.3 插管

插管抽采设计如图4。在胶带顺槽铺设一趟管路，管径Φ300 mm，管路材质为钢材。

图4 插管设计图

2.2 抽采系统设计

2.2.1 管路铺设

管路铺设路径为：回采工作面胶带顺槽→二采区回风下山→泵站→二采区回风下山。其中泵站设置在2#胶带联络巷，具体位置如图5。

图5 管路铺设图

2.2.2 泵站选型

根据现场情况及计算，拟采用ZWY360/400-G型抽采系统，该泵站系统安置泵站两台，一台正常使用，一台备用。

泵站额定功率400 kW，转速可达320 r/min，设备设置了隔爆电机。额定抽气量360 m3/min。

泵站系统配套：（1）专用控制阀门；（2）负压排放水器；（3）孔板流量计；（4）测量专用压嘴；（5）其他监测监控设备。

3 抽采能力核定

3.1 额定功率核定

为确保二采区瓦斯抽采能力达标，需对瓦斯抽采泵站的抽采能力进行核定。根据其他工作面抽采数据推测，工作面采空区瓦斯抽采量为1.44 m3/min，故本次泵站核定过程中，采空区的瓦斯抽采量以1.44 m3/min来进行计算。

式中：Q泵为抽采泵额定流量，m3/min；QZ为整个矿井瓦斯抽采纯量，m3/min；x为瓦斯抽采浓度，%；K为备用系数，一般取3.5；η为瓦斯抽采泵的抽采效率。

根据二采区实际情况，QZ取值1.44 m3/min，x取值0.03，K取值3.5，η取值0.8。通过计算，矿井需要泵站的额定功率为210 m3/min。故所选用的泵站的额定功率不得小于210 m3/min。ZWY360/400-G型抽采泵额定抽采量360 m3/min，完全满足二采区抽采需求。

3.2 本煤层抽采负压核定

根据规程要求，预抽瓦斯钻孔的孔口负压不得低于13 kPa。

式中：H为直管阻力损失，Pa；L为管路长度，m；Q为瓦斯流量，m3/h；D为管道内径，cm；k为与管道有关的系数；V为混合瓦斯对空气的对比。其中，管网局部阻力为直管摩擦阻力的10%～20%，本次校核计算管网局部阻力为直管摩擦阻力的15%。

管路直管阻力损失计算：

H直总=（9.8×L×V×Q2）/（k×D5）

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

=2.027 kPa。

管路局部阻力损失H局总按照直管阻力损失的15%计算：

H局总=H直总×15%=304 Pa。

管网系统总阻力H总=H直总+H局总=2.331 kPa。

卸压瓦斯抽采钻孔的孔口负压不得低于5 kPa，因此，真空泵所提供的负压不得低于7.331 kPa。ZWY360/400-G型真空泵工况状态完全满足该区域抽采要求。

4 抽采效果分析

4-1#煤层原始瓦斯含量为6.33 m3/t，根据抽采需求，须预抽40%，即为2.532 m3/t，预抽瓦斯量为4 656 855.16 m3。通过对平行预抽钻孔抽采情况进行60 d的考察，考察结果如图6。统计分析可知，钻孔60 d内平均抽采浓度为53.5%，平均抽采纯量为0.035 635 m3/min。按照规定，180 d能完成预抽要求。

图6 预抽情况曲线图

回采过程中，抽采瓦斯量不低于4.79 m3/min。通过对回采过程中高位钻孔、插管抽采情况进行15 d的考察，考察结果如图7、图8。

图7 插管抽采情况曲线图

图8 高位钻孔抽采情况曲线图

通过分析，插管平均抽采浓度为45.5%，平均抽采纯量为2.026 3 m3/min；高位钻孔平均抽采浓度为46.5%，平均抽采纯量为1.600 8 m3/min；工作面回采过程中未出现上隅角、回风巷瓦斯超限现象。

5 总结

本文阐述了正利煤业二采区概况及安装井下移动泵站系统的必要性。通过分析矿井二采区抽采方式，对煤矿二采区泵站系统进行了设计，得出以下结论：

矿井主要抽采方式有：① 预抽采用顺层钻孔，设计长度265 m，孔间距3 m；② 施工高位钻孔前先施工专用钻场，钻场间距30 m。每个钻场施工一组钻孔，每组钻孔6个，设计孔径113 mm；③ 设计插管一条，使用钢管，管径300 mm。

泵站选型为ZWY360/400-G型泵，额定抽气量360 m3/min。

校核计算可知，需要的泵站额定抽风量不得低于210 m3/min，所选用的泵站完全可以满足需求。

通过抽采效果考察，抽采系统完全可以满足二采区实际生产需求。

综上所述，本文所涉及泵站可靠性强，完全可以满足二采区抽采需求。研究成果对于矿井抽采系统选型具有一定的指导意义。