厚煤层综采矿井瓦斯抽采系统扩能优化技术研究

王学兵，苏保山

（国能乌海能源五虎山矿业有限责任公司，内蒙古 乌海 016000）

1 矿井概况

1.1 矿井总体概况

根据五虎山煤矿2014 年度瓦斯等级鉴定的结果，矿井瓦斯相对涌出量为37.08 m3/t、绝对涌出量为92.91 m3/min，为高瓦斯矿井。开采的各煤层煤尘均具有爆炸危险性，煤层属自燃煤层。开采水平标高为+1 149～+939 m，原设计生产能力为150 万t/a，目前煤矿核定生产能力为200 万t/a。本矿井采用斜井盘区式开拓，9、10 煤层联合布置1 个盘区，12 煤层单独布置一个盘区。采用走向长壁一次采全高采煤法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，工作面后退式回采。矿井通风系统为分区式通风，主斜井、副斜井、四层反斜井及行人斜井为进风井，九层回风斜井和十二层回风斜井为回风井。通风方法为机械抽出式，掘进工作面采用压入式。

1.2 瓦斯抽放系统概况

五虎山煤矿瓦斯抽放以预抽煤层瓦斯为主，采空区抽放瓦斯为辅。矿井目前共有甲、乙 2 个瓦斯抽放泵站，甲泵站用于预抽煤层瓦斯，乙泵站用于采空区瓦斯抽放。

甲泵站瓦斯抽放泵房内预留有2 台泵的安装位置，以备后期泵站扩能改造使用。甲泵站泵房内安装2 台额定抽放量为380 m3/min 的2BEC67 型水环式真空泵，1 用1 备，每台泵配功率为450 kW 的电机1 台，电机转速270 r/min。甲泵站用于9、12 煤层盘区各采掘工作面本煤层及邻近煤层的瓦斯预抽，抽放主管路从甲泵站架空敷设至九层回风斜井井口，沿九层回风斜井敷设至九层集中回风巷与十二层集中回风巷之间的联络巷口处，分管路分别沿九层集中回风巷与十二层集中回风巷、九层回风上山与十二层回风上山敷设至各工作面顺槽口，支管路分别沿各工作面顺槽敷设至各抽放钻场。抽放管路采用钢骨架纤维增强树脂管，主管路管径为φ600 mm，分管路管径为φ450 mm，支管路管径为φ300 mm。

乙泵站位于九层回风斜井井口东北侧，乙泵站长20 m、宽10 m，总占地面积：200 m2。泵站内安装2台额定抽放量为200 m3/min 的2BEC52 型水环式真空泵，1 用1 备，每台泵配功率为250 kW 的电机1台，电机转速322 r/min。乙泵站用于9、10 煤层盘区各采煤工作面采空区埋管抽放、高位抽放，抽放主管路从乙泵站架空敷设至十二层回风斜井井口，沿十二层回风斜井敷设至十二层集中回风巷与九层集中回风巷之间的联络巷口处，分管路分别沿十二层集中回风巷与九层集中回风巷、十二层回风上山与九层回风上山敷设至各工作面顺槽口，支管路分别沿各工作面顺槽敷设至各抽放钻场。抽放管路采用抗静电PE管，主管路管径为φ450 mm，分管路管径为φ450 mm，支管路管径为φ300 mm。

2 瓦斯抽放系统存在问题分析

2014-2015 年一季度瓦斯抽放情况见表1。

表1 矿井瓦斯抽放统计表

从表1 可知，五虎山煤矿乙泵站内已经安装的2BEC52 型水环式真空泵用于采空区瓦斯抽放，其标准状态下抽放量为200 m3/min，工况状态下抽放量为128.60 m3/min。由于抽放设备的机械效率、设备使用年限等原因使得乙泵站内2BEC52 型水环式真空泵实际抽放能力已达到最大抽放能力，即混合量在110 m3/min 左右；矿井目前总回风量约为14 000 m3/min，按现场最大瓦斯浓度0.50 %管理，风排瓦斯纯量最多为70 m3/min，即剩余采空区瓦斯涌出纯量22.91 m3/min(混合量为184.61 m3/min)需通过瓦斯抽放设备解决；为此，2015 年2 月五虎山煤矿在井下增加2 台移动抽放泵用以辅助抽放采空区瓦斯，但移动抽放泵抽放能力较小、只能临时解决局部区域瓦斯涌出量大的问题；随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量越来越大，采空区瓦斯涌出量也相应增大；综上所述，矿井乙泵站内2BEC52 型水环式真空泵抽放能力不能满足矿井采空区瓦斯抽放的要求，需要进行扩能改造。

3 瓦斯抽放系统扩能改造方案

3.1 方案设计

在矿井的甲泵站抽放泵间内已预留的空间位置新布置2 台2BEY72 型水环式真空泵，用于井下采空区瓦斯抽放；由于已有的乙泵站泵房间面积太小，不能满足更换安装大泵的要求，乙泵站维持现状，作为备用抽放泵站，若井下采掘面瓦斯涌出量大幅增加，乙泵站内抽放泵可与正常工作的甲泵站内抽放泵并联运行，以增大瓦斯抽放能力；矿井采空区瓦斯抽放系统管路敷设线路与原系统相同，管路大部分利用已有管路。

3.2 抽采管路选型

瓦斯抽放管的直径选择采用下式计算：

式中：d为抽放瓦斯管内径，m；Q为瓦斯管中瓦斯流量，m3/min；V为瓦斯管中的瓦斯经济流速，主管取 12 m/s，分管、支管取8 m/s。

根据抽放系统布置，地面、十二层回风斜井中敷设的管路为主管，十二层集中回风巷、十二层回风上山中敷设的管路为分管1，九层集中回风巷、九层回风上山中敷设的管路为分管2，12 煤层工作面顺槽敷设的管路为支管1、支管2，9、10 煤层工作面顺槽敷设的管路为支管3、支管4，抽放管路计算取抽放量的1.2 倍系数，抽放管路直径计算结果见表2。

表2 抽放瓦斯管路管径选择结果表

通过以上计算，瓦斯抽放系统目前已有的管路均能够满足使用要求，无需更换，地面只需增加部分至甲泵站的管路以及泵站内外的连接管路即可。

3.3 抽采设备选型

抽放瓦斯管路的阻力分摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力计算公式如下：

式中：Hm为管路摩擦阻力，Pa；L为管路长度，m；△为混合瓦斯对空气密度比；K为与管径有关系数；D为管道内径，cm；Q为瓦斯流量（混合量）m3/h。

局部阻力按摩擦阻力的20%计算，即：

式中：Hj式抽采瓦斯管路局部阻力，Pa。

采空区瓦斯抽放系统的最困难路线为：12 煤层工作面顺槽1 200 、4 300 mm →十二层回风上山、十二层集中回风巷1 200 m、中450 mm →十二层回风斜井1300 m、中450 mm →瓦斯泵站。

据此，利用上述阻力计算公式计算得出的抽放管路阻力如表3.2 所示。矿井采空区瓦斯抽放系统地面及井下管路阻力之和为8 671.51 Pa。

表3 抽放管路阻力计算结果表

采空区瓦斯抽放系统抽放钻孔孔口负压取15 000 Pa，出口正压均取5 000 Pa。

1）抽放系统压力。标准状态下抽放系统压力可按下列公式计算：

式中：H 为抽放系统压力，Pa；HGZ为管路最大阻力损失，Pa；HK为抽放钻孔孔口负压，Pa；HZ为出口正压，Pa；K为压力富余系数。

2）抽放泵工况压力：

式中：Pg为抽放泵工况压力，Pa；Pd为抽放泵站的大气压力，Pa。Pg=88 825-43 007.27=45 817.73 Pa

式中：Qb为标准状态下瓦斯抽放泵流量，m3/min；Q为矿井每分钟抽放瓦斯混合量，m3/min；K为备用系数；η为瓦斯抽放泵效率。Qb=110×1.5/0.8=206.25 m3/min。

3）抽放泵工况状态下流量：

式中：Qg为工况状态下的瓦斯泵流量，m3/min；Qb为标准状态下的瓦斯泵流量，m3/min；P0为标准大气压力，Pa；P为瓦斯系入口绝对压力，Pa（P=Pd-HGZ-HK）；T为瓦斯泵入口瓦斯的绝对温度（T=273+t）；T0为按瓦斯抽采行业标准规定的标准状态下绝对温度（T0=273 +20）；t为瓦斯泵入口瓦斯的温度，200C。

4 现场应用效果

根据以上各计算参数，已有的2 台2BEY72 水环式真空泵能够满足五虎山煤矿井下采空区瓦斯抽放的需求；因此，将这2 台真空泵调配使用瓦斯抽放，煤层瓦斯预抽系统和采空区瓦斯抽放系统进气侧管路已经互相连通，实际使用过程中可根据井下预抽瓦斯量和采空区瓦斯涌出量的变化情况，2 套系统可实现功能的互换，充分发挥设备的抽放能力，最大程度的抽放井下瓦斯，保证井下安全生产。

5 结 论

1）五虎山煤矿乙泵站内2BEC52 型水环式真空泵实际抽放能力已达到最大抽放能力，即混合量在110 m3/min 左右；矿井目前总回风量约为14 000 m3/min，按现场最大瓦斯浓度0.50 %管理，风排瓦斯纯量最多为70 m3/min，即剩余采空区瓦斯涌出纯量22.91 m3/min（混合量为184.61 m3/min）需通过瓦斯抽放设备解决矿井乙泵站内2BEC52 型水环式真空泵抽放能力不能满足矿井采空区瓦斯抽放的要求，需要进行扩能改造。

2）通过抽采设备选型计算，得出矿井采空区瓦斯抽放系统地面及井下管路阻力之和为8 671.51 Pa，抽放系统压力为43 007.27 Pa，抽放泵工况压力为45 817.73 Pa，瓦斯抽放泵流量为206.25 m3/min。

3）根据设备参数计算，利用已有的 2 台2BEY72 水环式真空泵用于采空区瓦斯抽放，2 套系统实现了功能的互换，充分发挥设备的抽放能力，最大程度的抽放井下瓦斯，保证井下安全生产。