荥巩矿区采面增建抽放泵设计

高国强，郑彦涛，李 帅，李福玲，李腾飞，轩苗伟

荥巩矿区采面增建抽放泵设计

高国强1，郑彦涛1，李 帅1，李福玲1，李腾飞2，轩苗伟3

（1.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010；2.中国平煤神马集团十三矿，河南 平顶山 467000；3.山东肥城集团，山东 肥城 271600）

以荥巩矿井建立瓦斯抽放系统的实践为例，介绍了瓦斯抽放系统中瓦斯抽放管路系统的设计，即管路敷设路线的设计、瓦斯抽放管径的选择、管路阻力的计算；并根据管路阻力的计算结果及瓦斯抽放泵的选型原则，给出了瓦斯抽放泵的选型设计。通过实际操作的验证，设计能满足正常生产的需要。

瓦斯抽放；抽放管网；技术管理

1 概 况

荥巩矿井位于河南省巩义市境内，井口东距郑州市54 km，北距郑州市上街区18 km，西北距巩义市中心城20 km。井田东西长10 km，南北宽3.25 km，面积31.96 km2。设计生产能力为60万t／年，服务年限87年。谷山井田二煤地质储量1.390 4亿t，可采储量0.732 2亿t。

瓦斯抽放是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，研制和应用相关的装备［1］，建立瓦斯抽采监测系统，提高瓦斯抽采率，保证瓦斯安全抽采及输送，是确保井下安全生产的基础。下面就荥巩矿井概况，设计一套与之相匹配的抽放管路［2］。

2 抽放瓦斯的管道

2.1 本煤层抽放管径的选取

本煤层顺层平行孔抽放钻孔的百米抽出量根据河南省煤研所和新中矿业公司一起对二1煤层瓦斯抽放参数测定的结果为0.114 7 m3／min。按照最大两个抽放区段考虑，每个抽放区段顶分层顺层平行孔布置15 000 m，合计顺层平行孔抽放钻孔总长度为30 000 m，则本煤层抽放管道的直径按照下述公式计算：

式中：

D—管径，mm；

Qc—管内气体流量，m3／min；

v—管内气体流速，m／s。

Qc＝30 000×0.114 7 m3／min÷100＝34.41

管内瓦斯流速v：5 m／s＜v＜20 m／s，一般取10～15 m／s，这样才能使选择的管径有足够的通过能力和较低的阻力。

将相关数据代入，则有：

根据上述计算，兼顾经济效益，本煤层顶分层顺层平行孔抽放管径选取200 mm的钢管或抗静电的聚乙烯管。

2.2 底板穿层抽放管径的选取

根据本矿顶分层工作面穿层抽放设计，穿层抽放钻孔的有效抽放长度为17 000 m（两个抽放地区的穿层抽放钻孔），采用百米抽出量0.114 7 m3／min带入公式（1），得：D＝166 mm。根据上述计算，本煤层穿层抽放管径选取200 mm的钢管或抗静电的聚乙烯管。

2.3 顶板高位裂隙及采空区抽放管径的选取

目前，根据成熟的抽放经验，顶板高位裂隙抽放的管径一般采用d200的聚乙烯管道，因此，建议采用d200的聚乙烯管道。

2.4 并网抽放的选择

由于本煤层顺层平行孔及顶板高位裂隙钻孔所抽放的混合气体均为高浓度瓦斯［3］，如果一台抽放泵能满足两者的抽放混量之和，可并网用同一台泵抽放；如果一台泵不能满足要求，则应使用各自不同的管网进行抽放；本煤层穿层抽放的管网可以和本煤层顺层平行孔的管网并网抽放。

本设计把本煤层顺层平行孔和本煤层穿层的抽放管网并网抽放，高位裂隙钻孔独立管网抽放，采空区抽放的混合气体浓度较低，不能直接被利用，可采用单独的抽放管网进行抽放［4］。

如果本煤层顺层平行孔和本煤层穿层或高位裂隙钻孔抽放的瓦斯浓度高，抽出的瓦斯可用于发电，采空区抽放管网所抽瓦斯亦可作为配气而并网抽放。

2.5 抽放管网的管理

1）每个钻场（每组钻孔）必须安设阀门、测嘴；全部实现挂牌管理，牌上内容包括地点、钻场号、孔号、孔径、孔深、带抽时间、浓度、负压、观测人及日期等。每个钻孔封孔管外必须焊接测嘴，保证测定参数时能顺利打开，正常情况下严密不漏气，不带抽的钻孔，用堵头封堵严密。

2）为了便于抽放管路系统的管理，各抽放地区必须安设阀门、孔板，顶板高位钻场的每个钻孔都须安设孔板，安设孔板处挂牌管理，内容包括地点、孔板系数、孔板压差、浓度、流量、观测人及日期。

3）管路敷设每根抽放管要有一个悬挂点，保证抽放管路吊挂平直；管路低凹处安装合适的放水器，高位钻场和有水的地区每个钻场都必须安装自动放水器，并能做到不停泵放水；涌水量大的地区可以安装人工放水器，容量不小于钻孔1～2天的涌水量。

4）加强钻孔封孔质量管理，确保钻孔抽放效果。保证煤孔封孔深度不小于6 m，岩孔封孔长度不小于3 m；针对不同地点，不同钻孔实际情况，采取合理的封孔方式和封孔长度；该矿要制定封孔质量管理办法，每月对钻孔封孔质量进行抽查，抽查数量不小于本月钻孔数的1／5，并有记录可查。

5）加强管路系统的巡查，防止管路积水、漏气影响抽放。每旬至少对抽放系统进行一次巡查。

3 瓦斯抽放泵的选取

抽放泵的选取主要根据其所在管网的阻力的大小及所担负抽放地区流量的大小而定［5］。抽放地区的流量上面已经阐述，本节主要对抽放管网的阻力进行计算。

3.1 抽放管网的布置

抽放管网可以布置在四条上山中的任意一条上，本设计中抽放管网布置如下：

两个区段（1101区段、1108区段）本煤层顺层平行孔和穿层钻孔的抽放管网设计长度为2 450 m；顶板高位裂隙抽放的管网1 450 m；采空区抽放的管网1 518 m。

3.2 抽放管网的阻力计算

管网阻力计算选择阻力最大时期的管网进行阻力计算，分别计算各段的摩擦阻力和局部阻力，累加起来即为整个抽放管网的总阻力。

1）本煤层顺层平行孔的抽放管网的摩擦阻力采用下式计算：

式中：

hf—抽放管网的摩擦阻力，Pa；

C—混合气体中的瓦斯浓度，%；

L—抽放管网的长度，m；

Qc—抽放管网内的混合气体的流量，m3／h；

k—系数；

D—抽放管网的管径，cm。

抽放管网中混合气体的瓦斯浓度依照30%计算，管网长度2 450 m，混合气体中的瓦斯流量为34.41 m3／h，混合气体的总流量为1 184 m3／h，抽放管网所选的管径均大于150 mm，因此，k值取0.072。则有：

管网的总阻力：

2）本煤层顶板高位裂隙抽放管网的摩擦阻力。根据目前成熟的本煤层顶板高位裂隙抽放的经验，一个本煤层顶板高位裂隙抽放钻场设计抽出纯瓦斯15 m3／min，抽出瓦斯浓度按30%计算，折合抽出混合气体流量为3 000 m3／h，抽放管网的长度为1 450 m，按照式（2）则有：

管网的总阻力：

3）本煤层穿层钻孔抽放管网的摩擦阻力。

抽放管网中混合气体的瓦斯浓度依照30%计算，管网长度2 450 m，混合气体中的瓦斯流量为19.50 m3／h，混合气体的总流量为381 m3／h，抽放管网所选的管径均大于150 mm，因此，k值取0.072。则有：

管网的总阻力：

4）采空区抽放管网的摩擦阻力。

各种抽放管网的抽出量及管网阻力汇总见表1。

表1 各种抽放管网的抽出量及管网阻力汇总表

3.3 瓦斯抽放泵的选取

顺层平行孔抽放和穿层抽放使用一台瓦斯泵，两类型抽放孔口抽放负压均大于100 mmHg，瓦斯泵应提供的真空度为32 092 Pa，考虑到1.5倍的富裕系数，选择2BEC405－1型水环式真空泵，最大抽气量：125.8 m3／min，配套电机型号：YB2315L14隔爆型三相异步电动机，功率160 kW。

穿层抽放单独使用一台瓦斯泵，抽放孔口抽放负压大于100 mmHg，瓦斯泵应提供的真空度为32 023 Pa，考虑到1.5倍的富裕系数，亦选择2BEC405－1型水环式真空泵，最大抽气量：125.8 m3／min，配套电机型号：YB2315L14隔爆型三相异步电动机，功率160 kW。

采空区瓦斯抽放泵选取2BE1253－0型水环式真空泵，其配套电机功率75 kW。

为了提前进行瓦斯抽放可先行安装一台小流量的瓦斯泵进行抽放工作。

4 抽放技术管理

1）煤与瓦斯突出矿井在开采二1煤层的年度作业计划及月作业计划中必须明确瓦斯抽放工程计划。

2）煤与瓦斯突出矿井必须根据该矿的年度作业计划在安技措资金及维检工程中排足瓦斯抽放工程计划所需的瓦斯抽放资金。

3）规范瓦斯抽放设计。根据不同地点的地质情况，采取措施，消除瓦斯抽放空白带。

4）合理安排瓦斯抽采岩巷工程。突出矿井每个采煤工作面可布置一条底板岩巷，作为瓦斯抽放巷，也可根据煤层赋存情况布置在顶板岩石中，沿煤层倾向、走向，实施区域性穿层钻孔，网格式预抽采面瓦斯，抽放钻孔的终孔间距不大于10 m，控制在顶分层工作面上、下顺槽轮廓线以外8～10 m的范围以内。

5）石门揭突出煤层前，必须按规定报批施工设计和防突措施。钻孔控制范围、数量达到《煤矿瓦斯抽采基本指标》和《防突细则》要求。

6）煤巷掘进工作面巷道两帮布置上、下向抽放钻孔，且突出地区煤巷掘进工作面必须采取边掘边抽措施，做到应抽尽抽。

7）新投产的顶层采煤工作面及工作面倾斜长度大于80 m，必须在上、下顺槽布置抽放钻孔，且上顺槽钻孔与下顺槽钻孔搭接，无抽放空白带。

8）所有顶层采煤工作面要实施本煤层、顶板高位裂隙、采空区埋管等综合抽放措施。工作面瓦斯涌出量较大时，还应考虑采用浅孔抽放或顶板低位钻孔抽放。

9）新投产的顶层工作面必须实施工作面下顺槽向下山布置瓦斯抽放钻孔，提前抽放下一区段的瓦斯，增加下一区段工作面的预抽时间，提高矿井瓦斯抽放量。

10）针对松软突出煤层易塌孔、衰减较快的现象，实行穿层钻孔套花管措施，延长钻孔抽放时间。通过加大供风管路直径不得小于100 mm，风压达到5 kg／cm2，风量不低于30 m3／min。

11）加强抽放系统维护管理。抽放管路要吊挂平直，在通往各抽放地区的抽放支管分岔处必须安设阀门、孔板；低凹处应安装放水器；钻场、钻孔等地点实行挂牌管理，定期测量负压、流量、瓦斯浓度等参数，并及时进行调整。各抽放地区放水、管路维修、参数观测等工作责任到人，实行工作目标与工资挂钩制度。

12）针对不同地点的情况，采取合理的封孔方式，保证抽放钻孔的封孔质量，本煤层钻孔封孔长度不小于6 m，采用的聚氨酯－水泥砂浆联合封孔技术，或压注马丽散封孔技术；在裂隙较发育或有淋水的地点，尽量不单纯采用聚氨酯封孔。为便于考察封孔质量和抽放效果，每个封孔管外必须焊接测嘴，保证测定参数时能顺利打开，正常情况下严密不漏气。

［1］ 李国雄，孙德宁，王洪存，等.瓦斯抽放管路系统的设计及其设备的配套选型［J］.工矿自动化，2012（2）：79.

［2］ 刘志平，张景松.瓦斯抽放管路多参数在线检测系统设计［J］.江苏煤炭，2003（1）：28－29.

［3］ 秦 博，马宪胜.煤矿低浓度瓦斯抽采泵站设计研究［J］.煤炭工程，2012（1）：61－62.

［4］ 哈明洁.井下瓦斯管路的简化计算［J］.煤矿安全，1982（2）：57.

［5］ 宋庆尧.改造矿井瓦斯抽放系统提高瓦斯抽放率［J］.矿业安全与环保，2004（4）：22.

Design of Build out Drainage Pump in Mining Face of Xinggong Mining Area

Gao Guo－qiang，Zheng Yan－tao，Li Shuai，Li Fu－ling，Li Teng－fei，Xuan Miao－Wei

Takes the practice of establishing gas drainage systems in Xinggongmine for example，introduces the systeMdesign of gas drainage pipeline in the gas drainage system，namely the design of the pipeline laying line，the selection of gas drainage pipe diameter，the calculation of pipeline resistance.And according to the calculation results of pipeline resistance and the selection principle of gas drainage pump，gives the design of gas drainage pump selection.Verified by the actual operation，the design can meet the needs of normal production.

Gas Drainage；Drainage pipe network；Technologymanagement

TD712＋.6

B

1672－0652（2013）04－0017－04

2013－02－06

高国强（1988—），男，河南新郑人，2011级内蒙古科技大学在读硕士研究生，主要从事矿业系统工程、矿井瓦斯抽放方面的研究（E－mail）yinyuanbaby＠qq.com