基于压力梯度法瓦斯抽采管路检漏分析与维护

毛加宁，阮 锦，刘 昕，王绍留

(1.云南能源职业技术学院，云南 曲靖 655001； 2.云南东源镇雄煤业有限公司，云南 昭通 657200；3.云南省能源安全监测中心，云南 昆明 650041)

0 引 言

大部分高瓦斯矿井随着开采深度的增加，瓦斯含量、瓦斯压力逐渐增大，研究者需要对现有抽采技术进行评价以及针对性的系统优化[1—10]。

笔者对矿井常规瓦斯抽采系统进行评价，提出基于压力梯度法检测管路泄漏的理论分析方法，应用数值模拟的方法验证压力梯度法的可行性，通过现场验证该方法的准确性与高效性，并采取有效措施进行维修与维护，提高矿井瓦斯抽采系统抽采效率，该方法对矿井安全与高效生产具有重要的参考意义。

1 矿井瓦斯抽采系统现状

长岭煤矿为高瓦斯矿井，瓦斯已经成为危害矿井安全，制约煤矿高效生产的主要因素。

该矿建设了矿井瓦斯抽采系统，地面建有瓦斯抽采泵站，高、低负压瓦斯抽采系统2套。高负压瓦斯抽采系统瓦斯抽放泵为2台高负压SKA(2BE3)520型瓦斯抽放泵，低负压瓦斯抽采系统瓦斯抽放泵为2台低负压2BEC52型瓦斯抽放泵。

目前主要对C5b煤层进行瓦斯抽采，矿井瓦斯抽采率达40%以上，基本实现了抽采目标。

高、低负压瓦斯抽采主管经由地面瓦斯抽采泵站、地面工业广场、回风斜井进入回风大巷；分管、支管由回风大巷、采区回风上山、采煤工作面回风巷、运输巷分别进入工作面回风巷、轨道巷、运输巷掘进工作面。长岭煤矿矿井瓦斯抽采系统管路详见图1。

图1 矿井瓦斯抽采系统管路示意图

1.1 高负压抽采系统

地面工业广场、回风斜井高负压瓦斯抽放主管为Φ377 mm×6 mm 螺旋钢管；101采区回风大巷、101采区回风上山高负压瓦斯抽放主管为Φ400 mm×14.4 mm PE 瓦斯抽放管；工作面高负压抽放支管为Φ280 mm×10.1 mm PVC 瓦斯抽放管；支管与汇流放水器之间采用Φ110 PVC抽放软管连接；汇流放水器与抽放钻孔之间采用Φ40 PVC抽放软管连接。

高负压抽采系统为：

1)152106回风巷(152105轨道巷)→152105机巷→101采区回风上山→101采区回风大巷→回风斜井→地面瓦斯抽放泵站→放空(或利用)。

2)152106运输巷→101采区回风上山→101采区回风大巷→回风斜井→地面瓦斯抽放泵站→放空(或利用)。

1.2 低负压抽采系统

地面工业广场低负压瓦斯抽放主管为Φ529 mm×10 mm 螺旋钢管；回风斜井、101采区回风大巷、101采区回风上山低负压瓦斯抽放主管为Φ450 mm×20.4 mmPE 瓦斯抽放管；工作面低负压抽放支管为Φ280 mm×10.1 mm PVC 瓦斯抽放管。

低负压抽采系统为：

152106回风巷(152105轨道巷)→101采区回风上山→101采区回风大巷→回风斜井→地面瓦斯抽放泵站→放空(或利用)。

2 矿井瓦斯抽采效率评估

2.1 抽采泵标况压力

瓦斯泵压力，必须能克服抽采管网系统总阻力损失和保证钻孔有足够的负压，以及能满足泵出口正压之需求。瓦斯泵压力按式(1)计算：

H泵=K×(Hzk+Hrm+Hrj+Hc)

(1)

式(1)中：H泵为瓦斯抽采泵所需压力，Pa；K为压力备用系数，K=1.20；Hzk为抽采钻孔所需负压，Pa，高负压抽采钻孔取 20 kPa，抽采采空区负压取 10 kPa；Hrm为井下管网的最大摩擦阻力，Pa；Hrj为井下管网的最大局部阻力，Pa；Hc为瓦斯泵出口正压，Pa，不考虑瓦斯抽采利用的需要，取 3 800 Pa。

高负压瓦斯抽采管路总阻力为 8 335 Pa，低负压瓦斯抽采管路总阻力为 8 932 Pa。结合矿井实际抽采情况，确定井下抽采钻孔的孔口负压，高负压取 20 kPa，低负压取 10 kPa。

2.2 抽采泵工况压力

Pg=Pd-H

(2)

式(2)中：Pg为抽采泵工况压力，kPa；Pd为抽采泵站的大气压力，kPa，实测Pd=82 019 Pa。

2.3 抽采泵实际工况流量

(3)

式(3)中：Qg为工况状态下的抽采泵流量，m3/min；Qb为标准状态下的抽采泵的计算流量，m3/min；P0为标准大气压力，kPa；Pg为抽采泵入口绝对压力，kPa；T为瓦斯泵入口瓦斯的绝对温度(T=273+t)，K；T0为按瓦斯抽采行业标准规定的标准状态绝对温度(T0=273+20)，K；t为瓦斯泵入口瓦斯的温度，℃。

2.4 抽采泵额定工况流量

长岭煤矿高负压SKA(2BE3)520型瓦斯抽采泵、低负压2BEC52型瓦斯抽采泵的工况曲线详见图2、3。抽采泵实际抽采工况负压下对应的额定抽采流量详见表1。

长岭煤矿高负压瓦斯抽采系统实际抽采工况流量为 112.18 m3/min，低负压瓦斯抽采系统实际抽采工况流量为 175.66 m3/min，根据真空泵工况曲线可知，高低负压抽采泵实际抽采工况负压下对应的额定抽采量为 233 m3/min、225 m3/min，计算可得目前高负压瓦斯抽采系统效率值为48%，低负压瓦斯抽采系统效率值为78%。

图2 高负压SKA(2BE3)520真空泵工作性能曲线

图3 低负压2BEC52真空泵工作性能曲线

表1 抽采泵的流量计算

3 瓦斯抽采管路漏风测试

3.1 压力梯度法泄漏检测原理

图4 压力梯度法示意

负压法主要通过分析所检测管道首末两端的负压变化来判断管道是否发生泄漏。当管道处于稳定流动条件下，可以近似地认为管内的压力沿管道呈线性变化趋势；当管道发生泄漏并再次达到稳态后，管道内的压力分布呈现折线变化形式，详见图4。

由于负压管道发生泄漏时外界气体瞬间流入管道，使得漏点位置压力急剧上升，当漏点前后的压力梯度不一致且图像出现明显的弯折现象时，可以认为管道发生泄漏。

3.2 按泄漏检测要求对抽采管路分段

根据漏风条件下的管道轴线压力分布规律和抽采管路敷设连接实际情况，现场对抽采管网进行分析排查，对高低负压抽采系统主、支管路进行测点布置和分段，整套管路共设置6个测点，测点1在地面井口处，测点2在02小眼处，测点3在04小眼处，测点4在 152 105 回风巷低负压支管距巷道口 85 m 处，测点5在 152 106 回风巷高负压支管距巷道口 85 m 处，测点6在152 106机巷高负压支管距巷道口 85 m 处。测点详细位置详见图5。

图5 瓦斯抽采管路捡漏测点位置示意

根据测点位置，抽采管路分段情况如下：高负压路段G1-2为1号测点与2号测点之间管路；路段二G2-3为2号测点与3号测点之间管路；路段三G3-5为3号测点与5号测点之间管路；路段四G3-6为3号测点与6号测点之间管路。低负压路段D1-2为1号测点与2号测点之间管路；路段二D2-3为2号测点与3号测点之间管路；路段三D3-4为3号测点与4号测点之间管路。

3.3 泄漏检测结果分析

负压法检漏过程中，假设抽采管路全程基本无堵塞情况，整个抽采管路从起始端到末尾端存在管路阻力，因此管路的不同部位能够为抽采钻孔提供的负压是不同的，当末尾端负压与管路阻力之和等于起始端的负压时，可以确定该管路不泄漏。

抽采管路末端负压计算公式如下：

H末=H首-H阻

(4)

式(4)中：H末为抽采支管末端压力，kPa；H首为抽采支管首端压力，kPa；H阻为抽采支管总阻力，kPa。

瓦斯抽采系统各段管路阻力如表2、3所示；对高低负压抽采管路负压进行测量，结果如表4所示。

表2 高负压抽采系统各段管路阻力

表3 低负压抽采系统各段管路阻力

表4 抽采系统各段管路负压分析

通过对矿井瓦斯抽采系统各路段抽采管路进行负压检测可以确定，目前抽采系统的整体漏风情况为：高负压管路G2-3、G3-5及低负压管路D1-2、D3-4气密性较好，高负压管路G3-6及低负压管路D2-3可能存在漏气现象。根据现场排查，高负压抽采管路G3-6存在积水堵塞现象，低负压抽采管路D2-3管路存在漏气现象。2趟管路存在的漏气情况均会不同程度地影响瓦斯抽采效果，应及时对漏气处进行维修与维护。

4 结 论

对长岭一号煤矿C5b煤层瓦斯抽采泵效率的评估表明：目前高负压瓦斯抽采系统效率值为48%，低负压瓦斯抽采系统效率值为78%；低负压瓦斯抽采泵运行效率尚可，但高负压瓦斯抽采泵运行效率较低，需要进行检修与维护。对瓦斯抽采管路进行漏风检测表明：高负压管路G3-6及低负压管路D2-3存在漏气现象；经现场排查，高负压抽采管路G3-6存在积水堵塞现象，低负压抽采管路D2-3管路存在漏气现象。现场及时对泄漏处进行了维修，对管路积水进行了疏导排泄，有效提高了矿井瓦斯抽采效率，对矿井安全与高效生产具有重要参考意义。