煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)改造技術(shù)探討

付 京

(冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056107)

0 引言

峰峰煤田瓦斯儲量豐富，在瓦斯利用方面擁有得天獨(dú)厚優(yōu)勢的同時，也呈現(xiàn)出瓦斯涌出量大、煤與瓦斯突出危險性大的特點(diǎn)。在瓦斯治理經(jīng)驗上，我國已形成較為成熟的區(qū)域防突措施為主、局部防突措施補(bǔ)充的治理體系[1-2]。為防治煤與瓦斯突出等事故，國家相繼制定并出臺了《煤礦安全規(guī)程》、《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》等一系列文件，對采掘過程中的瓦斯治理工作進(jìn)行了具體要求。此外，隨著峰峰礦區(qū)采掘區(qū)域向深遠(yuǎn)部延伸后，由此帶來的瓦斯抽采壓力顯而易見[3-5]，各礦井抽采系統(tǒng)的改造工作勢在必行。

1 工程背景

1.1 礦井概況

大淑村礦是峰峰集團(tuán)所屬的一個現(xiàn)代化生產(chǎn)礦井，井田走向長約4.5 km，傾斜寬約2.2 km，井田面積9.8 km2，開采深度：+250.6～-800 m標(biāo)高。根據(jù)《冀煤安辦[2005]10號》批復(fù)文件，大淑村礦于2005年鑒定為煤與瓦斯突出礦井，礦井生產(chǎn)能力1.5 Mt/a，主采2#煤、4#煤：其中2#煤層為突出煤層，4#煤層作為保護(hù)層開采。根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)測定結(jié)果，2#煤層為低透氣性突出煤層，瓦斯抽采量約12 m3/min，抽采效率已無法滿足礦井對于瓦斯抽采利用的需求[6]。

1.2 礦井抽采系統(tǒng)概況

大淑村礦地面現(xiàn)建有高、低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)，地面泵站安裝有6臺瓦斯抽采泵。高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)安裝有4臺水循環(huán)式瓦斯抽采泵：2臺 2BE1355-IBV3型水循環(huán)式瓦斯抽采泵、2臺CBF410-2BV3型水循環(huán)式瓦斯抽采泵，目前使用CBF410-2BV3型水循環(huán)式瓦斯抽采泵，一臺工作，一臺備用：功率185 kW，單泵抽放能力158 m3/min，主要服務(wù)于井下三、四采區(qū)的揭煤、本煤層預(yù)抽區(qū)域；低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)安裝有2臺SKA-520型水循環(huán)式瓦斯抽采泵，一臺工作，一臺備用：功率315 kW，單泵抽放能力257 m3/min，主要服務(wù)于井下采空區(qū)、工作面上隅角、密閉墻等卸壓區(qū)域及三、四采區(qū)采掘工作面預(yù)抽鉆場。礦井高、低負(fù)壓抽采系統(tǒng)主管路經(jīng)回風(fēng)立井進(jìn)入井下，敷設(shè)至各瓦斯抽采點(diǎn)，主、干管路全長約5000 m。隨著礦井采掘區(qū)域向深部延伸和采空區(qū)逐漸增多，瓦斯壓力大，抽采管路長、阻力增大等問題凸顯[7]。

2 抽采系統(tǒng)改造必要性分析

現(xiàn)階段大淑村礦高、低負(fù)壓抽采系統(tǒng)管網(wǎng)整體布置情況如圖1所示。高、低負(fù)壓主管路走線：瓦斯抽采泵站—回風(fēng)立井—井底—專用回風(fēng)石門，主管路改造前各參數(shù)詳見表1、表2；抽采干管敷設(shè)長度為高負(fù)壓2880 m，低負(fù)壓3990 m；與三、四采區(qū)工作面、運(yùn)輸巷及井下采空區(qū)相連接的抽采支管約8500 m。

圖1 高、低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)管網(wǎng)布置圖

目前，大淑村礦回風(fēng)立井中的抽采主管路已老化損壞，且受現(xiàn)場條件限制無法維修。低負(fù)壓抽采泵站設(shè)計負(fù)壓46 kPa，而入井管路下口負(fù)壓則為28～30 kPa，負(fù)壓損失較大。為保證井下各生產(chǎn)地區(qū)抽采效果，有必要對回風(fēng)井內(nèi)抽采主管路進(jìn)行升級改造。

2.1 高負(fù)壓管網(wǎng)阻力、流速核算

大淑村礦高負(fù)壓抽采系統(tǒng)主要服務(wù)于井下三、四采區(qū)的揭煤、本煤層預(yù)抽區(qū)域。根據(jù)抽采管路阻力損失計算原則[8]，本文高、低負(fù)壓管網(wǎng)阻力均按從地面到井下三采區(qū)的抽采管路長度進(jìn)行計算。按照安監(jiān)總煤裝[2012]163號文件有關(guān)孔口負(fù)壓要求，對瓦斯抽采泵的運(yùn)行壓力進(jìn)行校核時，高、低孔口負(fù)壓分別取15 kPa和6 kPa。

根據(jù)式(1)計算可得目前高負(fù)壓抽采系統(tǒng)中各段管網(wǎng)的摩擦阻力和管路內(nèi)氣體流速，并按1.2的富余系數(shù)(最低標(biāo)準(zhǔn))對高負(fù)壓瓦斯抽采泵的運(yùn)行壓力進(jìn)行校核。

(1)

式中，H摩為管路摩擦阻力，Pa；Δ為管路內(nèi)壁粗糙度，mm；d為瓦斯抽采管徑，mm；Q為管道內(nèi)混合瓦斯流量，m3/min,各類管道的流量應(yīng)按照其使用年限或服務(wù)區(qū)域內(nèi)的最大值確定，并應(yīng)有1.2～1.8的系數(shù)，這里按最低標(biāo)準(zhǔn)取1.2；V為管道中混合瓦斯流速，m/s，根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求以5～12 m/s 為宜；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，101325 Pa；P為管道內(nèi)氣體絕對壓力，Pa；v0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的混合瓦斯運(yùn)動黏度，m2/s,取1.51×10-5m2/s；ρ為管道內(nèi)混合瓦斯密度，kg/m3取1.28 kg/m3；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下熱力學(xué)溫度273.15 K；T為管路中的氣體溫度為T0時的熱力學(xué)溫度，K，管路中的氣體溫度為25℃，其熱力學(xué)溫度為298.15 K。

由式(1)計算結(jié)果見表1和表2。

表1 高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)摩擦阻力

表2 高負(fù)壓瓦斯抽采泵壓力核算表(孔口負(fù)壓取15 kPa)

由上表結(jié)果可知：①井下高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)總阻力為4728 Pa，在滿足目前抽采量的情況下，所需系統(tǒng)負(fù)壓為28 kPa，而礦井高負(fù)壓抽采泵負(fù)壓實(shí)際運(yùn)行在33 kPa左右，故能滿足現(xiàn)狀需求；②各段管路內(nèi)氣體流速均在5～12 m/s的經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)，不存在管路流速超標(biāo)的情況。綜上所述，現(xiàn)階段大淑村礦井下高負(fù)壓系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，管網(wǎng)能力暫能滿足現(xiàn)狀要求，故不需進(jìn)行升級改造。

2.2 低負(fù)壓管網(wǎng)阻力、流速核算

礦井低負(fù)壓抽采系統(tǒng)主要服務(wù)于井下采空區(qū)、工作面上隅角、密閉墻等卸壓區(qū)域及三、四采區(qū)采掘工作面預(yù)抽鉆場。同理，可由上述公式計算目前低負(fù)壓抽采系統(tǒng)中各段管網(wǎng)的摩擦阻力和管內(nèi)氣體流速，并對低負(fù)壓瓦斯抽采泵的運(yùn)行壓力進(jìn)行核算，結(jié)果見表3和表4。

表3 低負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)摩擦阻力(改造前)

表4 低負(fù)壓瓦斯抽采泵壓力核算表(孔口負(fù)壓取6 kPa)

從上表數(shù)據(jù)分析：①井下低負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)總阻力為10374 Pa(包括局部阻力)，其中由于抽采干管管徑小(DN300 mm)，線路長(3993 m)的原因使得干管阻力達(dá)到8352 Pa，占整個系統(tǒng)阻力80%左右，已然成為整個低負(fù)壓管網(wǎng)阻力的核心段；②在當(dāng)前抽采量下，所需的瓦斯抽采泵負(fù)壓要達(dá)到25 kPa，雖然礦井低負(fù)壓抽采泵的設(shè)計負(fù)壓在46 kPa左右，但抽采主、干管內(nèi)的氣體流速已接近12 m/s，若增加抽采量，則管內(nèi)氣體流速必然超過12 m/s，管網(wǎng)已無擴(kuò)容能力。隨著采掘的推進(jìn)，井下采空區(qū)增多以及未來礦井通風(fēng)方式的改變，增加采空區(qū)瓦斯抽采量將是采空區(qū)瓦斯治理的重點(diǎn)，故需要擴(kuò)大干管內(nèi)徑以降低管網(wǎng)阻力，解決管網(wǎng)內(nèi)流速超標(biāo)問題。

3 抽采系統(tǒng)改造方案

3.1 施工管道井

為解決入井管路下口低負(fù)壓側(cè)負(fù)壓損失較大(達(dá)到17 kPa)的問題，同時利于今后入井主管路段的檢修工作開展，可以通過新建管道井，敷設(shè)兩趟瓦斯抽采主管路(高、低負(fù)壓各一趟)入井。以替代目前回風(fēng)立井中的高、低負(fù)壓抽采主管路，根據(jù)抽采管道服務(wù)的范圍和預(yù)計所負(fù)擔(dān)抽采量的大小，按照公式(2)進(jìn)行計算，考慮到改造成本和管網(wǎng)能力將來擴(kuò)容的需要，管道內(nèi)混合瓦斯流量的確定取1.5的富余系數(shù)。

(2)

式中,d為瓦斯抽采管徑,mm；Q為管道內(nèi)混合瓦斯流量,m3/min；V為管道中混合瓦斯流速,m/s。

管道井內(nèi)兩趟主管路參數(shù)選擇見表5。

表5 管道井高、低負(fù)壓主管路選擇結(jié)果

根據(jù)表5中的管徑選擇和相關(guān)的規(guī)范要求，結(jié)合成本、工期等因素綜合考慮，最終確定新建的2個管道井直徑為660 mm。另外，從大淑村礦工業(yè)廣場實(shí)地情況和最大限度地降低泵房至入井管路下口段主管路的阻力損失的角度出發(fā)，新建管道井位置最終選擇在工業(yè)廣場南圍墻外靠近圍墻處，管道井底部位于風(fēng)井底總回風(fēng)巷南側(cè)。

3.2 低負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)選型

由上述分析已知低負(fù)壓系統(tǒng)干管段是低負(fù)壓阻力的核心段，且管內(nèi)氣體流速超標(biāo)，故通過擴(kuò)大低負(fù)壓干管內(nèi)徑可降低管網(wǎng)阻力。同理按前述公式進(jìn)行計算可得低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)抽采管路管徑選擇結(jié)果，見表6。

表6 低負(fù)壓系統(tǒng)抽采管路管徑選擇結(jié)果

井下低負(fù)壓支管不變，其它各段管路依次按照上述管徑更換，同時把地面主管連接至新的管道井主管。根據(jù)改造后的管徑和預(yù)計抽采量，計算改造后的管網(wǎng)摩擦阻力以及對所需泵的負(fù)壓進(jìn)行校核，計算結(jié)果見表7。

表7 低負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)摩擦阻力(改造后)

由上表計算得出改造后的低負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)總阻力(包括局部阻力)由改造前的10374 Pa降為6324 Pa,其中抽采干管在改造后阻力由8352 Pa降為4390 Pa，降比達(dá)到47.3%。對改造后的低負(fù)壓瓦斯抽采管網(wǎng)進(jìn)行校核，低負(fù)壓瓦斯抽采泵壓力核算結(jié)果見表8。

表8 改造后低負(fù)壓瓦斯抽采泵壓力計算表(孔口負(fù)壓取6 kPa)

當(dāng)?shù)蛪撼椴杀眠\(yùn)行負(fù)壓在26 kPa(在低壓泵的設(shè)計運(yùn)行工作范圍內(nèi))時，低負(fù)壓系統(tǒng)孔口負(fù)壓可達(dá)6 kPa，改造后各管網(wǎng)段氣體流速均符合規(guī)范要求的12 m/s，且還有提升負(fù)壓的空間，因此按照低負(fù)壓管網(wǎng)改造方案實(shí)施可滿足現(xiàn)階段以及未來一段時間內(nèi)的低負(fù)壓抽采需求。另外該趟抽采干管在完成和現(xiàn)有的高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)并聯(lián)后，可在高、低負(fù)壓抽采需求發(fā)生變化時，實(shí)現(xiàn)高、低負(fù)壓系統(tǒng)的靈活切換，以保證系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的充分利用和維護(hù)檢修的靈活性。

3.3 并網(wǎng)提壓管網(wǎng)改造

此外，結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)情況，針對井下三、四采區(qū)部分預(yù)抽鉆孔、工作面上隅角等地點(diǎn)負(fù)壓無法留足富余系數(shù)、管網(wǎng)布置不合理等問題，可以通過對抽采支管實(shí)施并網(wǎng)提壓等措施進(jìn)行升級改造。

根據(jù)前人的研究成果可知當(dāng)井下區(qū)段主管路較長時，采掘工作面有較大一部分區(qū)域處于抽采負(fù)壓較低范圍內(nèi)，相應(yīng)的鉆孔抽采效果差[9]。經(jīng)實(shí)踐研究表明，若對井下抽采支管段采用增壓管路技術(shù)[10](該技術(shù)已在陽煤集團(tuán)新元礦、潞安集團(tuán)五陽煤礦成功實(shí)施)可大幅提高煤層、采空區(qū)瓦斯抽采率。鑒于此，我們在大淑村礦172404區(qū)段主管路試驗并管提壓技術(shù)，試驗前后負(fù)壓和抽采量等監(jiān)測數(shù)據(jù)見表9。

表9 增壓前后測點(diǎn)抽采效果對比表

由上表數(shù)據(jù)分析，區(qū)段主管路各測點(diǎn)區(qū)域在采用增壓管路系統(tǒng)后,抽采負(fù)壓由試驗前的200 Pa 左右升至1400 Pa，提升幅度達(dá)460%；單孔抽采量由試驗前趨于0升至0.04 m3/min，升幅達(dá)1130%。此外，現(xiàn)場實(shí)測404工作面上隅角瓦斯?jié)舛然究刂圃?.5%～0.7%之間，無瓦斯超限發(fā)生。實(shí)踐表明，該強(qiáng)化預(yù)抽技術(shù)有效增加了順層孔的瓦斯抽采量，一定程度上可降低煤層瓦斯涌出量和預(yù)抽時間。

此外，可考慮在抽采主管及井下干、支管連接處全部加設(shè)雙向三通，通過編號管理實(shí)現(xiàn)泵站、管路間的相互調(diào)換和聯(lián)網(wǎng)控制，從而避免生產(chǎn)過程中需要對泵站、管路抽采地點(diǎn)進(jìn)行調(diào)換時，出現(xiàn)的管網(wǎng)布置混亂、資源浪費(fèi)等問題。

4 結(jié)論

(1) 新設(shè)管道井。施工2個直徑為660 mm的管道井，敷設(shè)2趟高、低負(fù)壓主管路，最大限度地降低入井管路段阻力損失，也利于未來生產(chǎn)中主管路段的檢修工作，滿足大淑村礦現(xiàn)階段生產(chǎn)的抽采需求。

(2) 對大淑村礦井下高、低負(fù)壓管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行阻力、流速核算：目前大淑村礦井下高負(fù)壓系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，管網(wǎng)能力暫能滿足現(xiàn)狀要求；改造前的低負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)總阻力為10374 Pa，其中干管阻力達(dá)到8352 Pa，成為整個低負(fù)壓管網(wǎng)阻力的核心段，管內(nèi)氣流速接近12 m/s，管網(wǎng)已無擴(kuò)容能力。經(jīng)過新建管道井，擴(kuò)大低負(fù)壓干管管徑(300→500 mm)，管網(wǎng)總阻力降至6324 Pa，抽采干管阻力降為4390 Pa，降比達(dá)47.3%，各管網(wǎng)流速均處于經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)，且還有提升負(fù)壓的空間。

(3) 在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，對井下抽采支管采取并管提壓、聯(lián)網(wǎng)控制等技術(shù)改造措施，可有效提升礦井瓦斯抽采能力和生產(chǎn)效率。