煤矿瓦斯抽采系统改造技术探讨

付 京

(冀中能源峰峰集团有限公司，河北 邯郸 056107)

0 引言

峰峰煤田瓦斯储量丰富，在瓦斯利用方面拥有得天独厚优势的同时，也呈现出瓦斯涌出量大、煤与瓦斯突出危险性大的特点。在瓦斯治理经验上，我国已形成较为成熟的区域防突措施为主、局部防突措施补充的治理体系[1-2]。为防治煤与瓦斯突出等事故，国家相继制定并出台了《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出细则》等一系列文件，对采掘过程中的瓦斯治理工作进行了具体要求。此外，随着峰峰矿区采掘区域向深远部延伸后，由此带来的瓦斯抽采压力显而易见[3-5]，各矿井抽采系统的改造工作势在必行。

1 工程背景

1.1 矿井概况

大淑村矿是峰峰集团所属的一个现代化生产矿井，井田走向长约4.5 km，倾斜宽约2.2 km，井田面积9.8 km2，开采深度：+250.6～-800 m标高。根据《冀煤安办[2005]10号》批复文件，大淑村矿于2005年鉴定为煤与瓦斯突出矿井，矿井生产能力1.5 Mt/a，主采2#煤、4#煤：其中2#煤层为突出煤层，4#煤层作为保护层开采。根据煤层瓦斯参数测定结果，2#煤层为低透气性突出煤层，瓦斯抽采量约12 m3/min，抽采效率已无法满足矿井对于瓦斯抽采利用的需求[6]。

1.2 矿井抽采系统概况

大淑村矿地面现建有高、低负压瓦斯抽采系统，地面泵站安装有6台瓦斯抽采泵。高负压瓦斯抽采系统安装有4台水循环式瓦斯抽采泵：2台 2BE1355-IBV3型水循环式瓦斯抽采泵、2台CBF410-2BV3型水循环式瓦斯抽采泵，目前使用CBF410-2BV3型水循环式瓦斯抽采泵，一台工作，一台备用：功率185 kW，单泵抽放能力158 m3/min，主要服务于井下三、四采区的揭煤、本煤层预抽区域；低负压瓦斯抽采系统安装有2台SKA-520型水循环式瓦斯抽采泵，一台工作，一台备用：功率315 kW，单泵抽放能力257 m3/min，主要服务于井下采空区、工作面上隅角、密闭墙等卸压区域及三、四采区采掘工作面预抽钻场。矿井高、低负压抽采系统主管路经回风立井进入井下，敷设至各瓦斯抽采点，主、干管路全长约5000 m。随着矿井采掘区域向深部延伸和采空区逐渐增多，瓦斯压力大，抽采管路长、阻力增大等问题凸显[7]。

2 抽采系统改造必要性分析

现阶段大淑村矿高、低负压抽采系统管网整体布置情况如图1所示。高、低负压主管路走线：瓦斯抽采泵站—回风立井—井底—专用回风石门，主管路改造前各参数详见表1、表2；抽采干管敷设长度为高负压2880 m，低负压3990 m；与三、四采区工作面、运输巷及井下采空区相连接的抽采支管约8500 m。

图1 高、低负压瓦斯抽采系统管网布置图

目前，大淑村矿回风立井中的抽采主管路已老化损坏，且受现场条件限制无法维修。低负压抽采泵站设计负压46 kPa，而入井管路下口负压则为28～30 kPa，负压损失较大。为保证井下各生产地区抽采效果，有必要对回风井内抽采主管路进行升级改造。

2.1 高负压管网阻力、流速核算

大淑村矿高负压抽采系统主要服务于井下三、四采区的揭煤、本煤层预抽区域。根据抽采管路阻力损失计算原则[8]，本文高、低负压管网阻力均按从地面到井下三采区的抽采管路长度进行计算。按照安监总煤装[2012]163号文件有关孔口负压要求，对瓦斯抽采泵的运行压力进行校核时，高、低孔口负压分别取15 kPa和6 kPa。

根据式(1)计算可得目前高负压抽采系统中各段管网的摩擦阻力和管路内气体流速，并按1.2的富余系数(最低标准)对高负压瓦斯抽采泵的运行压力进行校核。

(1)

式中，H摩为管路摩擦阻力，Pa；Δ为管路内壁粗糙度，mm；d为瓦斯抽采管径，mm；Q为管道内混合瓦斯流量，m3/min,各类管道的流量应按照其使用年限或服务区域内的最大值确定，并应有1.2～1.8的系数，这里按最低标准取1.2；V为管道中混合瓦斯流速，m/s，根据设计规范要求以5～12 m/s 为宜；P0为标准大气压力，101325 Pa；P为管道内气体绝对压力，Pa；v0为标准状态下的混合瓦斯运动黏度，m2/s,取1.51×10-5m2/s；ρ为管道内混合瓦斯密度，kg/m3取1.28 kg/m3；T0为标准状态下热力学温度273.15 K；T为管路中的气体温度为T0时的热力学温度，K，管路中的气体温度为25℃，其热力学温度为298.15 K。

由式(1)计算结果见表1和表2。

表1 高负压系统管网摩擦阻力

表2 高负压瓦斯抽采泵压力核算表(孔口负压取15 kPa)

由上表结果可知：①井下高负压系统管网总阻力为4728 Pa，在满足目前抽采量的情况下，所需系统负压为28 kPa，而矿井高负压抽采泵负压实际运行在33 kPa左右，故能满足现状需求；②各段管路内气体流速均在5～12 m/s的经济流速范围内，不存在管路流速超标的情况。综上所述，现阶段大淑村矿井下高负压系统整体运行平稳，管网能力暂能满足现状要求，故不需进行升级改造。

2.2 低负压管网阻力、流速核算

矿井低负压抽采系统主要服务于井下采空区、工作面上隅角、密闭墙等卸压区域及三、四采区采掘工作面预抽钻场。同理，可由上述公式计算目前低负压抽采系统中各段管网的摩擦阻力和管内气体流速，并对低负压瓦斯抽采泵的运行压力进行核算，结果见表3和表4。

表3 低负压系统管网摩擦阻力(改造前)

表4 低负压瓦斯抽采泵压力核算表(孔口负压取6 kPa)

从上表数据分析：①井下低负压系统管网总阻力为10374 Pa(包括局部阻力)，其中由于抽采干管管径小(DN300 mm)，线路长(3993 m)的原因使得干管阻力达到8352 Pa，占整个系统阻力80%左右，已然成为整个低负压管网阻力的核心段；②在当前抽采量下，所需的瓦斯抽采泵负压要达到25 kPa，虽然矿井低负压抽采泵的设计负压在46 kPa左右，但抽采主、干管内的气体流速已接近12 m/s，若增加抽采量，则管内气体流速必然超过12 m/s，管网已无扩容能力。随着采掘的推进，井下采空区增多以及未来矿井通风方式的改变，增加采空区瓦斯抽采量将是采空区瓦斯治理的重点，故需要扩大干管内径以降低管网阻力，解决管网内流速超标问题。

3 抽采系统改造方案

3.1 施工管道井

为解决入井管路下口低负压侧负压损失较大(达到17 kPa)的问题，同时利于今后入井主管路段的检修工作开展，可以通过新建管道井，敷设两趟瓦斯抽采主管路(高、低负压各一趟)入井。以替代目前回风立井中的高、低负压抽采主管路，根据抽采管道服务的范围和预计所负担抽采量的大小，按照公式(2)进行计算，考虑到改造成本和管网能力将来扩容的需要，管道内混合瓦斯流量的确定取1.5的富余系数。

(2)

式中,d为瓦斯抽采管径,mm；Q为管道内混合瓦斯流量,m3/min；V为管道中混合瓦斯流速,m/s。

管道井内两趟主管路参数选择见表5。

表5 管道井高、低负压主管路选择结果

根据表5中的管径选择和相关的规范要求，结合成本、工期等因素综合考虑，最终确定新建的2个管道井直径为660 mm。另外，从大淑村矿工业广场实地情况和最大限度地降低泵房至入井管路下口段主管路的阻力损失的角度出发，新建管道井位置最终选择在工业广场南围墙外靠近围墙处，管道井底部位于风井底总回风巷南侧。

3.2 低负压系统管网选型

由上述分析已知低负压系统干管段是低负压阻力的核心段，且管内气体流速超标，故通过扩大低负压干管内径可降低管网阻力。同理按前述公式进行计算可得低负压瓦斯抽采系统抽采管路管径选择结果，见表6。

表6 低负压系统抽采管路管径选择结果

井下低负压支管不变，其它各段管路依次按照上述管径更换，同时把地面主管连接至新的管道井主管。根据改造后的管径和预计抽采量，计算改造后的管网摩擦阻力以及对所需泵的负压进行校核，计算结果见表7。

表7 低负压系统管网摩擦阻力(改造后)

由上表计算得出改造后的低负压系统管网总阻力(包括局部阻力)由改造前的10374 Pa降为6324 Pa,其中抽采干管在改造后阻力由8352 Pa降为4390 Pa，降比达到47.3%。对改造后的低负压瓦斯抽采管网进行校核，低负压瓦斯抽采泵压力核算结果见表8。

表8 改造后低负压瓦斯抽采泵压力计算表(孔口负压取6 kPa)

当低压抽采泵运行负压在26 kPa(在低压泵的设计运行工作范围内)时，低负压系统孔口负压可达6 kPa，改造后各管网段气体流速均符合规范要求的12 m/s，且还有提升负压的空间，因此按照低负压管网改造方案实施可满足现阶段以及未来一段时间内的低负压抽采需求。另外该趟抽采干管在完成和现有的高负压系统管网并联后，可在高、低负压抽采需求发生变化时，实现高、低负压系统的灵活切换，以保证系统内各设备的充分利用和维护检修的灵活性。

3.3 并网提压管网改造

此外，结合矿井实际生产情况，针对井下三、四采区部分预抽钻孔、工作面上隅角等地点负压无法留足富余系数、管网布置不合理等问题，可以通过对抽采支管实施并网提压等措施进行升级改造。

根据前人的研究成果可知当井下区段主管路较长时，采掘工作面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[9]。经实践研究表明，若对井下抽采支管段采用增压管路技术[10](该技术已在阳煤集团新元矿、潞安集团五阳煤矿成功实施)可大幅提高煤层、采空区瓦斯抽采率。鉴于此，我们在大淑村矿172404区段主管路试验并管提压技术，试验前后负压和抽采量等监测数据见表9。

表9 增压前后测点抽采效果对比表

由上表数据分析，区段主管路各测点区域在采用增压管路系统后,抽采负压由试验前的200 Pa 左右升至1400 Pa，提升幅度达460%；单孔抽采量由试验前趋于0升至0.04 m3/min，升幅达1130%。此外，现场实测404工作面上隅角瓦斯浓度基本控制在0.5%～0.7%之间，无瓦斯超限发生。实践表明，该强化预抽技术有效增加了顺层孔的瓦斯抽采量，一定程度上可降低煤层瓦斯涌出量和预抽时间。

此外，可考虑在抽采主管及井下干、支管连接处全部加设双向三通，通过编号管理实现泵站、管路间的相互调换和联网控制，从而避免生产过程中需要对泵站、管路抽采地点进行调换时，出现的管网布置混乱、资源浪费等问题。

4 结论

(1) 新设管道井。施工2个直径为660 mm的管道井，敷设2趟高、低负压主管路，最大限度地降低入井管路段阻力损失，也利于未来生产中主管路段的检修工作，满足大淑村矿现阶段生产的抽采需求。

(2) 对大淑村矿井下高、低负压管网系统进行阻力、流速核算：目前大淑村矿井下高负压系统整体运行平稳，管网能力暂能满足现状要求；改造前的低负压系统管网总阻力为10374 Pa，其中干管阻力达到8352 Pa，成为整个低负压管网阻力的核心段，管内气流速接近12 m/s，管网已无扩容能力。经过新建管道井，扩大低负压干管管径(300→500 mm)，管网总阻力降至6324 Pa，抽采干管阻力降为4390 Pa，降比达47.3%，各管网流速均处于经济流速范围内，且还有提升负压的空间。

(3) 在现有生产条件下，对井下抽采支管采取并管提压、联网控制等技术改造措施，可有效提升矿井瓦斯抽采能力和生产效率。