高突矿井瓦斯抽采能力的评价方法及应用

郎帅帅

（山西晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部安全环保部，山西 晋城 048006）

引言

随着矿井采掘深度逐步向地层深处延伸，矿井的瓦斯涌出量和开采煤层的突出危险性逐步增强，给安全生产带来巨大威胁[1-2]。瓦斯抽采是解决矿井瓦斯涌出和提供安全环境的有效保障，是高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井解决瓦斯涌出问题最为有效的方法[3-4]。黄晓鹏[5]针对矿井瓦斯抽采系统存在的能耗大、电机过载损坏等问题，提出了一种新的瓦斯抽采泵节能降耗方法。李安红[6]针对瓦斯抽采系统容易发生燃爆的问题，提出了一种高低浓度分源抽采技术，合理避开了瓦斯爆炸范围。贾智慧[7]针对矿井瓦斯抽采系统运行不稳定的问题，采用定量方法计算不同运行模式下瓦斯抽采泵的运行系统可靠度，为矿井瓦斯抽采系统的管理提供指导。郝光生[8]针对抽采系统存在的问题，提出了抽采系统扩能改造和系统调控优化的必要性和可行性，为矿井大幅节约管理成本提供了方法。田新亮[9]针对瓦斯抽采系统中瓦斯抽采浓度低的问题，提出了提升瓦斯抽采浓度的方案，并获得了较好效果。虽然有较多技术人员针对矿井瓦斯抽采系统的相关问题开展了研究，但关注点均是对现有抽采系统的管理和优化，对矿井的抽采能力和矿井生产衔接进行通盘考虑并为后续矿井产能提升做出指导的研究未见相关文献涉及。为此，本文提出了一种分源统计的方法，对预抽系统、采空区系统和上隅角系统进行分源统计分析，为矿井安全平稳的生产提供有效指导。

1 矿井瓦斯抽采现状

胡底矿为煤与瓦斯突出矿井，矿井生产能力0.9 Mt/年，地面抽采泵站现有三个抽采系统，分别为：710预抽系统、710采空区系统和710上隅角系统，目前，整个矿井日抽采总纯量33.7万m3，矿井瓦斯抽采率达85%以上。710预抽系统共4台抽放泵，型号为2BEC72，3用1备，单台泵的额定抽放能力为375 m3/min，3台泵并联运行，负责矿井本煤层抽放。目前710预抽系统运行负压46 kPa，浓度37%，标况混量480 m3/min，抽采纯量177 m3/min，日抽放量25.5万m3。710采空区泵站共3台抽放泵，型号为2BEC72，2用1备（该备用泵与上隅角系统共用），单台泵的额定抽放能力为375 m3/min，两台泵并联运行，负责矿井采空区瓦斯抽放。目前710采空区系统运行负压为20 kPa，浓度9.5%，标况混量395 m3/min，抽采纯量37.5 m3/min，日抽采量5.4万m3。710上隅角抽采泵站共2台抽放泵，运行2台（与采空区抽采系统共用1台备用泵），型号为2BEC72，单台泵额定抽采能力为375 m3/min，两台泵并联运行，负责现回采工作面上隅角瓦斯抽采。目前710上隅角系统运行负压22 kPa，浓度4.5%，标况混量430 m3/min，抽采纯量19.4 m3/min，日抽采量2.8万m3。

1.1 预抽系统的运行现状

矿井预抽系统采用3台710泵并联运行模式，每台抽采泵的抽采最大吸气量375 m3/min，按理论最高运行效率60%计算，预抽系统最大抽采能力约675 m3/min。目前，矿井预抽气量480 m3/min。预抽系统运行现状见下页表1。

表1 预抽系统管路现状

1.2 采空系统的运行现状

矿井采空区系统两台710抽采泵并联运行模式，每台抽采泵的抽采最大吸气量375 m3/min，按理论最高运行效率60%计算，采空区系统最大抽采能力约450 m3/min。预抽系统运行现状见表2。

表2 采空区系统管路现状

目前，矿井采空区系统共分为东翼和西翼两条主线路，东翼一条线路为：主管管径711 mm、长度达1 200 m，对东翼的两个已采采空区进行密闭墙抽采。西翼一条线路为：主管管径711 mm、长度达到1 600 m，从主管上连接的457 mm管径，长度1 700 m的分支管路对西翼两个采空区进行埋管抽采。目前，采空区系统抽采能力达到393 m3/min。约有50 m3/min的抽采盈余量。东翼所带的两个采空区抽采混量280 m3/min，占整个采空区抽采量的71%，西翼4个采空区抽采量占采空区抽采量的113 m3/min，仅占系统总量的29%。东翼采空区低浓度瓦斯混量无法降低，因为该部分抽采的低浓度瓦斯主要用于下游的兰金电厂发电。

1.3 上隅角系统的运行现状

矿井上隅角系统采用两台710抽采泵并联运行，采用和采空区系统共用一台抽采泵的管理方法，最大化提高泵的利用效率。每台抽采泵的抽采最大吸气量375 m3/min，按理论最高运行效率60%计算，采空区系统最大抽采能力约450 m3/min。预抽系统运行现状见表3。

表3 上隅角系统管路现状

目前，上隅角系统只在西翼布置有管路和抽采系统。主管路只布置在西翼，管径914 mm，长度延深至矿井西部边界，长度达到3 000 m。从主管路分别连接两条支管路，管径均为559 mm，一条支管路长1 400 m，另一条支管路长度1 600 m，分别对矿井西部老采空区和2314（上）采面进行埋管抽采。依据该系统实际抽采参数，计算得到的该系统目前的运行能力达到430 m3/min，约有20 m3/min左右的抽采盈余量。

2 针对抽采衔接各抽采系统的服务能力分析

2.1 预抽系统预计

根据《胡底矿2021—2023年衔接计划》，2021—2022年主要围绕2309工作面、2306工作面和2308工作面等几个采面进行生产。胡底矿未来3年的抽采衔接计划见表4所示。

由表4得知回采工作面正常接替，每年回采约1.5个工作面，生产接替稳定，预抽系统用于采面瓦斯治理施工的抽采进尺基本不变，抽采量亦变化不大，可以判断，以目前的预抽运行能力480 m3/min，预抽系统在未来三年仍可以满足矿井正常生产衔接需要。统计了胡底未来三年预抽钻孔的施工计划，依照该矿测定的百米钻孔瓦斯流量0.453 8~0.615 3 m3/min，在2020年抽采进尺55万m的基础上，未来三年抽采进尺将减少5万m的实际规划，抽采量将减少约220~300万m3，预抽系统的抽采纯量将减少4.2~5.7 m3/min，按预抽系统瓦斯浓度35%进行反算，抽采混量将降低12~16 m3/min。届时，未来三年内，在2020年预抽系统盈余190 m3/min的基础上，预抽系统的盈余量将有小幅增长，盈余量将保持在205 m3/min左右。

表4 预抽系统未来三年的预计抽采规模和抽采量变化

2.2 采空区系统预计

2020年，东翼所带的两个采空区抽采混量280 m3/min，占整个采空区抽采量的71%，西翼4个采空区抽采量占采空区抽采量的113 m3/min，占系统总量的29%。在保持东翼抽采能力不变的前提下，采用剩余的113 m3/min解决西翼逐渐增加的采空区瓦斯问题，是本次讨论是否增加井下移动泵站的关键问题所在。

因胡底矿现有采空区系统约有50 m3/min的盈余量，2020年的采空区系统不存在问题，仅针对2021年以后新增的采空区进行分析。2021年下半年，胡底矿西翼将新增加一个2304（上）采空区问题，2022年将新增一个2309（上）采空区问题，可采用如下思路解决采空区瓦斯问题：

小学数学教学应与生活实际紧密相连，在设置游戏内容时应结合学生实际情况，从学生兴趣着手，选择有趣题材，挖掘学生的学习兴趣，通过各种方式向学生展示教学内容，培养学生合作学习能力。在教学中，教师应努力创设适合低年级学生特点的情景。例如，一年级下册“认识人民币”教学中，教师可以准备几张不同面值的人民币，引导学生了解元、角、分之间的关系，并让学生模拟去超市买东西，一个棒棒糖5毛钱，小明拿一元钱结账，应该找回多少钱。学生一个扮演超市老板，一个扮演购买者，通过购买不同价钱的东西，理解不同面值人民币之间的关系。教师要将课堂交给学生，充分发挥学生主体地位。

1）2021年新增的采空区位于东翼的大巷的北部，该采空区附近的煤体区域在2022年和2023年均不生产，且2023年出现的采空区距离2304（上）采空区较远。同时，考虑到采空区闭墙涌出瓦斯的实际，采用目前已经盈余的50 m3/min抽采量，持续不断对2304（上）采空区进行抽采，引导采空区风流向采空区系统流动，是可以解决东翼大巷北部的采空区瓦斯问题。

2）针对2022年回采2305（下）工作面的瓦斯问题，因上分层开采及持续不断对西翼南部4个采空区的抽采，抽采浓度和抽采量将持续不断降低。采用目前的采空区抽采管控方法是可以解决下分层开采时周边采空区瓦斯涌出问题的。（工作面初采时，采用尾部埋管抽采，在工作面回采距离底部巷道较远时，对23074巷密闭墙埋管进行接替抽采，掩护工作面回采亦是可行的。）另一个可以考虑的解决方法是，2022年回采2305（下）工作面时，2304（上）所应用的上隅角抽采系统可继续转移到23073巷沿途密闭墙及东翼南部密闭墙的抽采。

因此，2022年回采2305（下）工作面回采时，采用上隅角的450 m3/min及采空区130 m3/min对西翼南部四个采空区进行抽采，可以解决工作面回采期间的瓦斯问题。

2.3 上隅角系统预计

因2304（上）工作面正处于初采阶段，在正常回采阶段，采取对23073巷及西翼南部密闭墙埋管全部关闭，全系统对2304（上）工作面上隅角抽采以保障工作面正常生产。上隅角系统未来三年的抽采情况见表5所示。

表5 上隅角系统未来三年预计的抽采区域

因此，2021年，2304（上）工作面上隅角系统不存在问题。2022年，2305（下）工作面生产时，对23073巷及西翼南部沿途密闭墙抽采，可保障2305（下）工作面正常回采。2023年，生产2309（上）工作面时，再采用上隅角系统全流量对该采面进行抽采，可保障该工作面正常回采。

3 矿井系统优化能力的分析

抽采瓦斯管路的阻力分摩擦阻力和局部阻力。管路摩擦阻力应根据每段管路管径、流量的不同分段计算，各段摩擦阻力按《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》中6.3节相关公式进行计算。根据胡底矿东翼和西翼巷道的布置情况，抽采最困难时期的高低负压系统管路长度，对各抽采系统分别进行分析。计算中，局部阻力按模拟阻力的20%进行计算。以瓦斯混合气体黏度系数1.5×10-5m2/s、密度1.293 kg/m3及标准大气压92 500 Pa为常数进行各系统抽采阻力的计算。

3.1 预抽系统

预抽系统管路通过地面抽采泵站通过管道井铺设东翼和西翼两条主管路，其中最长的一条线路列出如下，主管：管道井底1 016 mm管路2 200 m→干管：西一回457 mm管路3 050 m。预抽系统各线路的阻力见下页表6所示。

表6 预抽各线路的总阻力分析（实际计算）

预抽系统中最长的线路是线路1（23074巷）总线路长度4 330 m（主管路1 280 m，分支管路3 050 m），但总阻力为9 361 Pa；线路2（23073巷）总线路长度4 225 m（主管路2325m，分支管路1 900），总阻力9 705 Pa，在整个预抽系统中最大。按照矿井实测得到的各个线路进出口的阻力进行分析，可以得到每个线路每米的阻力衰减系数，进而得出阻力异常点。各线路的实测阻力见下页表7所示。

表7 预抽系统实测各线路每米阻力分析

从实测的各个支管路的始端和末端的负压衰减梯度可以看出，23092/93巷每米的衰减系数在整个矿井中最大，但其管路仅460 m。模块进风巷和模块回风巷每米管路负压衰减系数相同，均为11.8 kPa左右。这三条线路的管路阻力衰减系数大，是制约矿井瓦斯管路阻力的瓶颈。23092/93巷、模块进风巷因管路阀门开的角度过小是阻力快速衰减的主要原因，模块回风巷管路阀门已开至90°，但其阻力衰减系数大，管路内积水多，煤渣去除不及时、漏气等因素可能是造成管路快速衰减的原因。

3.2 采空区系统

由管道井底向东翼和西翼分别设置两趟采空区管路，线路最长的一趟管路如下，主管：管道井底711 mm管路→西二回主管共计1 600 m→干管：23074巷457 mm的采空区管路1 700 m。采空区各线路的阻力见表8所示。

表8 采空区系统各线路的阻力分析

西翼支管路在整个采空区系统中所占阻力最大，虽与西翼主管路线路基本相同，瓦斯浓度相差无几，但通过现场排查分析，主要是因为西翼支管路由711 mm管路变成457 mm管径，且西翼支管路共抽采4个采空区。且从东翼主管的抽采情况看，管路长度虽达到了1 200 m，但抽采阻力仅为西翼最长的采空区线路阻力的1/2，主要原因即管路管径仍保持711 mm，抽采的两个采空区纯量28.62 m3/min，是西翼抽采四个采空区抽采量8.14 m3/min的3.5倍。

从实测的采空区管内各线路之间的阻力衰减情况看（见表9），西翼主管和西翼支管的阻力衰减系数最大，每米负压衰减系数分别达到了6.8和5.7。西翼主管阀门控制在50°，管路内存在积水或淤泥或煤粉导致管路阻力增大，应该是管路负压迅速下降的主要原因。

表9 采空区系统实测各线路每米阻力分析

3.3 上隅角系统

目前2304（上）分层处于初采阶段，在23073巷沿途密闭墙插管和2304（上）采面进行上隅角插管抽采，最长的一个线路即，主管：管道井底914 mm管路到西二回最远端3 000 m→干管：23043巷559 mm管径的上隅角管路1 600 m。上隅角各线路的阻力见表10所示。

表10 上隅角系统各线路的阻力分析

目前2304（上）采面处于初采阶段，支管2所处的阻力为2 670 Pa，主要是因为采面初采期间，采空区顶板未垮落，抽放阻力较小。支管1所在的23073巷所带的密闭墙有26个（其中74巷7横川闭墙插管负压开启45°，8横川闭墙插管负压开启15°，其他横川闭墙开启角度均小于5°），阻力在整个系统中最大。主要是为了2303（下）采面末采服务。矿方计划，待2304（上）采面进入正产生产阶段，采空区顶板完全垮落后，整个系统450 m3/min的抽采能力服务于采面上隅角，抽采阻力将进一步增大。

从每米管路负压的衰减系数（见表11）来看，上隅角系统所带的23073巷支管路阻力衰减最大，达到7.4 Pa/m，可以看出，在主管比支管更长的前提下，支管负压衰减得更大，可判断是23073巷埋管抽采采空区支管管径小是负压快速降低的主要原因之一。

表11 上隅角系统实测各线路每米阻力分析

4 结论

通过上述分析，结合矿井生产衔接规划，目前的抽采系统可以满足瓦斯生产需要，暂可不建设井下移动瓦斯抽采系统，得出的结论如下：

1）预抽系统：2021—2023年，生产衔接可实现正常接替，系统盈余将保持在200~205 m3/min。

2）采空系统：2021—2023年，在东翼两个采空区抽采能力280 m3/min保障兰金电厂发电不变的前提下，113 m3/min用于西翼采空区抽采。2021年回采西翼北部2304（上）工作面时，采用113 m3/min抽采能力对西翼南部采空区进行抽采，不影响工作面生产。2022年回采2305（下）工作面时，2304（上）上隅角系统430 m3/min和原有113 m3/min同时对西翼南部采空区进行抽采以保障该工作面生产，是可行性的。2023年，回采2309（上）工作面时，上隅角抽采系统转至该工作面进行上隅角瓦斯抽采，保障工作面正常回采亦可行。

3）上隅角系统：2021—2013年，依据矿井生产衔接，在2020年抽采能力略有20 m3/min盈余的基础上，2021年，2304（上）工作面正常回采时，对23073巷及西翼底部闭墙埋管进行关闭，全系统流量抽采该工作面上隅角，可保证工作面正常生产。2022年，2305（下）工作面生产时，2304（上）所用的上隅角抽采系统用于该工作面上部的采空区抽采；2023年，2309（上）工作面生产时，上隅角系统全流量服务于该工作面上隅角抽采，可保障该工作面正常生产。