地面瓦斯抽采泵站三防系统改造优化

［摘 要］地面瓦斯泵站是高突矿井的核心必备设施，为保证瓦斯泵站系统的安全运行，实现系统实时保护、实时调节、实时检修、维修的目标，对现有抽采管路改造优化合并成并联的上隅角瓦斯抽采管路系统，新增了1 套并联的预抽瓦斯抽采管路系统，完成了地面泵站3 套抽采系统三防保护装置的双系统并联运行，达到了并行工作、互为备用的效果。

［关键词］地面瓦斯泵站；三防装置；改造优化；并联系统

［中图分类号］TD712.6 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）03–0024–03

对于高突矿井瓦斯抽采是重中之重，作为瓦斯抽采核心设施的地面瓦斯泵站，其安全稳定运行是矿井的重要保障，而管路三防（阻爆、泄爆、抑爆）设施是保证瓦斯泵站安全的关键装备。为有效阻止瓦斯抽采管路中爆炸火焰向管路进口方向传播，保障地面和井下抽放泵站设备的安全，在瓦斯抽采管路上不同位置安装阻火泄爆装置。当爆炸火焰到达时，通过泄放爆炸能量和水路封锁，能阻断火焰传播[1]。实际应用表明，该系统装置运行稳定可靠，安装在瓦斯泵站的进气端，可实现自动补水、防回火、防回气、防爆的作用[2]。在地面瓦斯泵站的实际运行中，会根据载荷能力、设备换代以及能力不足等原因进行优化改造。文献[3] 对瓦斯抽放泵站管道间排气管路进行重新设计，对管道间排气管路进行改造并加装自动喷粉抑爆装置、水封阻火泄爆装置和火焰传感器等，以保证瓦斯输送管路、设备和人员的安全。文献[4] 针对目前瓦斯泵站运行中所存在的问题，将由高、低浓度两套瓦斯抽采系统优化改造为高、中、低浓度3 套瓦斯抽采系统，通过现场应用，结果表明改造后瓦斯泵站3 套瓦斯抽采系统运行稳定良好，可提高瓦斯利用率，降低瓦斯排空率。地面瓦斯泵站系统不是建成后一劳永逸，而是根据行业规范标准的完善、技术装备的升级以及矿井自身的抽采系统安全的需要进行不断的升级改造，以保证瓦斯抽采系统安全性万无一失。

1 地面瓦斯泵站系统背景

A 煤矿设计生产能力0.90 Mt/a，地面建有永久瓦斯泵站，布置了3 套瓦斯抽采系统：①本煤层预抽高负压瓦斯抽采系统，用于本煤层预抽瓦斯；②采空区低负压抽采系统，用于现采空区和老采空区瓦斯抽采；③上隅角瓦斯低负压抽采系统，用于回采工作面上隅角瓦斯抽采。

1.1 高负压预抽系统

预抽泵型号为2BEC72 型水环真空泵，单机额定抽采量为375 m3/min，单机功率为450 kW，目前运行负压38 kPa，预抽泵站地面管路为D 920 mm×10 mm螺旋卷焊钢管。

1.2 低负压抽采系统

采空区泵型号为2BEC72 型水环真空泵，单机功率为450 kW。其中一部分用于老采空区抽采，目前运行负压18 kPa。另一部分为综采工作面上隅角尾部采空区专用抽采系统，目前运行负压24 kPa。采空区泵站地面抽采管路为D 720 mm×10 mm 螺旋卷焊钢管，上隅角地面瓦斯抽采管路D 920 mm×10 mm螺旋卷焊钢管）。

泵站内6 台瓦斯泵，为预抽系统和上隅角系统，泵站建有循环水泵房给泵站内瓦斯泵及三防装置供水，采空区泵站建有循环水泵房向采空区泵站内瓦斯泵及三防装置供水。泵站场地内建有500 m3消防水池，消防泵房内有4台消防泵为泵站场地内提供消防用水。

2 瓦斯抽采三防系统存在的问题及改造目标

2.1 地面抽放泵站瓦斯抽采三防装置系统存在的问题

共2 座抽放泵，采空区抽放泵站进、出气三防装置为双系统并联，即在进气管路和出气管路的安全设施段，进、出气管路各并联了两套抑爆装置、阻爆装置和双筒水封泄爆装置，每套三防可单独运行，一用一备，也可以并联同时运行，增加系统的可靠性，当有1 套三防装置需要检修或更换时，可关闭此趟管路，开启另一个支路，不需要关闭抽放泵就能保持系统的正常运行，实现系统的连续抽采。

另一座泵站内安设了6 台2BEC72 型瓦斯抽放泵，6 台泵可互为切换，按需分配分为本煤层预抽抽采系统和回采面上隅角瓦斯抽采系统，预抽高负压系统有一趟进气和出气管路，每趟进、出气管路连接了1 套抑爆、阻爆、泄爆三防装置；上隅角低负压系统有1趟进气和出气管路，每趟进、出气管路连接了1套抑爆、阻爆、泄爆三防装置；每趟抽采管路对应安装1 套三防装置，即单趟管路单三防系统模式，单系统模式优点是系统简单，缺点就是系统抗风险能力和持续性能力较弱，只要三防装置其中的任何一个设备发生故障或损耗需要维修或者更换时，必须停掉整个系统进行补救，而系统停止对于高突矿井来说会带来无法承受的瓦斯风险隐患。

2.2 瓦斯泵站三防装置系统改造目标

（1）尽量利用现有系统及附属设施，降低成本不浪费。

（2）采空区三防装置系统符合要求，维持现状。

（3）上隅角抽采系统利用现有的4 趟DN900 管路进行改造，形成进、出气的三防装置的双系统布置方式。

（4）新增2 趟预抽系统DN900 进气管路及三防装置，形成双系统；新增2 趟预抽系统DN900 出气管路及三防装置，形成双系统，新增管路管径同原管路一致。

2.3 抽放泵站三防装置改造的可行性

2.3.1改造工程基本不影响现有系统运行

预抽系统室外安全设施段布置在泵房广场内，有足够的空间和时间进行管路及附属装置安设工作；对上隅角抽采系统进行改造对接，可短时间内完成，同时实现预抽系统主管路与新系统的对接，完成最终的改造。

2.3.2并联双系统后安全、维修有保障

并联两趟带有三防管路的进、出气主管后，两趟并联管路可单独运行，也可同时运行，同时运行时，可降低管网阻力，降低管路流量流速，有利于双筒水封泄爆装置保持水位，安全运行。

并联管路上的三防装置如需维修、保养或者更换时，此管路两侧阀门关闭，另一并联支路开启，实现无缝切换，对抽采系统的连续稳定运行无任何影响。

3 地面瓦斯泵站抽采管路三防系统改造优化方案

3.1 上隅角低负压抽采管路三防系统改造优化

上隅角低负压抽采系统和预抽高负压抽采系统各有独自的管道间，管道间都各敷设1 趟DN900 mm 管径的进气和出气抽采管路，即两个管道间4 趟相同的抽采管路，且每趟抽采管路都安设有抑爆、阻爆和泄爆三防装置，即4 套三防装置。将上隅角低负压抽采系统改造成双系统并联管路连接，即需要4 趟支路以及4 套三防装置，其中两趟支路用于进气管路，两趟支路用于出气管路。根据上述现有的两个管道间管路和三防装置数量，按照尽量利用现有设施的原则，将上隅角低负压管道间的两趟抽采管路改造成上隅角系统的进气管路，原上隅角进、出气管路安全设施段前端合并，原出气管路连接上隅角进气管路，安全设施段后端合并，原出气管路连接上隅角进气管路，形成新的上隅角进气管路三防双系统，即1 趟进气管路中间并联两趟支路分支的三防系统结构，三防装置的重新布局以后，将相应位置的电动阀门进行移位即可。上隅角管路系统管道间布置如图1 所示。

将现有的本煤层预抽高负压系统管道间的两趟抽采管路改造成上隅角系统的两趟出气管路，原预抽高负压系统的进、出气管路安全设施段前端合并，原进气管路连接预抽系统出气管路，安全设施段后端合并，原进气管路连接预抽系统出气管路，形成新的预抽系统出气管路三防双系统，即1 趟出气管路中间并联两趟支路分支的三防系统结构，三防装置的重新布局以后，将相应位置的电动阀门进行移位即可。同时也要对放空管进行缩减，由原来的4 趟管路4 个放空管改造成2 趟管路2 个放空管，改造放空管时需要拆除相应位置屋顶，安装后恢复。

3.2 预抽高负压抽采系统三防装置改造优化方案

上隅角高负压抽采系统利用现有设施改造完成后，已经没有管路和设备供预抽高负压系统所用，只能选择一处位置进行预抽系统改造，新系统管路继续沿用原来的DN900 mm 管路，新增预抽管路系统采用一主管两支路并联的双系统三防装置布置模式，根据GB40881—2021《煤矿瓦斯安全输送保障系统设计规范》，地面瓦斯抽采管路及三防装置布置方式有两种，分别为有旁通管设计和无旁通管设计，按照三防装置双系统改造目标的要求，分别按两种方案进行改造设计，一种为有旁通管的方案一，另一种为无旁通管的方案二。通过设计方案可知，方案二的无旁通管模式进气管路不用安装三防装置，节省了设备采购成本，同时不用安装设备也节省了空间，因此从成本低、空间小的角度考虑，方案二优于方案一。方案一由于进、出气侧采用并联支路的三防装置双系统，增加了系统的成本投入，但并联双系统的三防系统模式具有高度的安全性，可互为备用，维修、更换三防装置不影响系统的持续运行，而方案二一旦旁通管阀门等问题需要更换、维修则影响抽采系统的稳定运行，因此，从安全可靠性角度看，方案一优于方案二。根据GB50471—2018《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》，地面瓦斯抽采泵房入口、出口应分别设放空管，考虑设置放空管的要求、矿井抽采管路三防装置安全可靠性及瓦斯利用，确定选择方案一的布置方式。

根据方案一要求，新增的预抽高负压管路并联三防双系统在进气管路安全设施段安装一主管两支路的并联三防系统，其中阻爆装置1 台，选用DN900型管道阻爆装置， 管道抑爆装置1 台选用GY2-2型，水封泄爆装置两台选用DN1400 mm 型。新增的预抽高负压管路并联三防双系统在出气管路安全设施段安装一主管两支路的并联三防系统，其中阻爆装置1 台，选用DN900 型管道阻爆装置，管道抑爆装置1 台选用GY2-2 型，水封泄爆装置两台选用DN1400 mm 型，形成一趟进气两套三防，一趟出气两套三防的双系统并联运行模式。同时安装孔板流量计人工计量装置、管道自动计量装置、进气管路布置配气管，出气管路布置放空管，新增的预抽高负压系统三防设施段和配气管、防空管进行防雷保护，通过避雷针塔的方式覆盖被保护区域。

4 结束语

文章从高突矿井地面抽采系统的安全可靠性出发，分析了已有抽采系统存在的管路三防装置单系统运行存在不停泵难以检修、维修的问题，存在管路气体流速过高可能造成水封泄爆装置无法存水，进而造成保护失效的问题。针对以上问题，利用现有的抽采管路系统合并改造成1 套并联的上隅角瓦斯抽采管路系统，通过方案比较，在工业场地内新增了1 套并联的预抽瓦斯抽采管路系统，优化改造后地面三套瓦斯抽采系统的管路三防保护都具备了双系统并联运行能力，对瓦斯抽采系统的保护能力、实时调节能力、实时检修维修能力都有了提升，有效保障了抽采系统的可靠稳定性，为其他矿井抽采系统改造提供了借鉴的思路。

参考文献

[1] 祝钊. 瓦斯输送管道水封阻火泄爆机理研究[J]. 煤矿安全，2014，45（9）：9-12.

[2] 郭磊. 瓦斯抽放系统自动补水水封式隔爆装置的应用[J].技术与市场，2015，22（7）：138-139.

[3] 周小明. 一号风井瓦斯抽放泵站抑爆泄爆装置的完善[J].内蒙古煤炭经济，2019（11）：86-87，58.

[4] 韩葶. 胡底煤业瓦斯泵站系统改造方案与应用[J]. 机械工程与自动化，2021（6）：193-194，196.