高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化改造研究

仝太照

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)帽帽山煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037100）

引言

在礦井建立的地面高低負(fù)壓瓦斯抽放系統(tǒng)中，高負(fù)壓瓦斯抽放系統(tǒng)用于煤層回采工作面和掘進(jìn)工作面抽放，低負(fù)壓瓦斯抽放系統(tǒng)用于采空區(qū)抽放。以華遠(yuǎn)礦高低負(fù)壓抽采系統(tǒng)為例，隨著采掘區(qū)域的延伸，瓦斯抽采管路長度增加，管網(wǎng)阻力增大，高負(fù)壓系統(tǒng)孔口負(fù)壓不足，管路內(nèi)氣體流速超標(biāo)，為了解決抽采系統(tǒng)存在的問題，滿足未來高低負(fù)壓抽采需求，需對(duì)現(xiàn)有抽采系統(tǒng)進(jìn)行管網(wǎng)能力核算，并針對(duì)問題進(jìn)行改造優(yōu)化。

1 抽采系統(tǒng)現(xiàn)狀

華遠(yuǎn)礦現(xiàn)階段井下高負(fù)壓抽采過程中，高負(fù)壓抽采孔口負(fù)壓在13～15 kPa，不能完全滿足孔口負(fù)壓15%富余系數(shù)的要求，根據(jù)安全操作規(guī)程，高負(fù)壓抽采孔口負(fù)壓不低于13 kPa，即高負(fù)壓孔口負(fù)壓要達(dá)到14.95 kPa，現(xiàn)在高負(fù)壓抽采區(qū)域在礦區(qū)中部，還未到達(dá)最遠(yuǎn)區(qū)域，也就是還未達(dá)到抽采最困難時(shí)期，到抽采最困難時(shí)期管網(wǎng)阻力會(huì)進(jìn)一步增大，孔口負(fù)壓不足問題會(huì)凸顯出來。按照抽采困難時(shí)期管網(wǎng)長度，按照現(xiàn)有管路以及瓦斯流量等參數(shù)，計(jì)算管網(wǎng)阻力以及抽采系統(tǒng)所需負(fù)壓[1]。

現(xiàn)高負(fù)壓系統(tǒng)地面主管采用螺旋焊縫鋼管D920 mm×10 mm，地面至井下的管路選用回風(fēng)立井內(nèi)兩趟D630 mm×12 mm螺旋焊縫鋼管；井下干管選擇聚乙烯管D1 000 mm×59.3 mm，工作面順槽支管選用聚乙烯管D450 mm×26.7 mm，支管最長1 400 m，干管最長2 600 m。當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?3 662.6 Pa，當(dāng)前運(yùn)行的高負(fù)壓系統(tǒng)抽采量為33 600 m3/h，滿足抽采率以及未來高負(fù)壓抽采量的需求，以此數(shù)據(jù)計(jì)算在當(dāng)前高負(fù)壓管網(wǎng)系統(tǒng)下，在抽采最困難時(shí)期的管網(wǎng)阻力，回風(fēng)立井內(nèi)有兩趟并聯(lián)主管，單個(gè)主管流量按總流量50%計(jì)算，孔口負(fù)壓按15 kPa計(jì)算。

摩擦阻力計(jì)算公式：

式中：H為阻力損失；L為管路長度；Q0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的混合瓦斯流量；d為管路內(nèi)徑；v0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的混合瓦斯運(yùn)動(dòng)黏度；ρ為管路內(nèi)混合瓦斯密度；Δ為管路內(nèi)壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力；P為管路內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力；T為管路中的氣體溫度為t時(shí)的絕對(duì)溫度；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度；t為管路中的氣體溫度。

由下頁表1可得：高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)摩擦阻力=6 200+5 490+1 260+815=13 765 Pa。

抽采管網(wǎng)系統(tǒng)中管件局部阻力，根據(jù)規(guī)范可取管道總摩擦力阻力的10%～20%考慮，本次計(jì)算按15%選取。則：高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)局部阻力=13765×0.15=2 065 Pa，高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)總阻力=13 765+2065=15830Pa。

2 抽采系統(tǒng)所需負(fù)壓計(jì)算

瓦斯抽采泵的壓力是克服瓦斯從井下抽采孔口起，經(jīng)抽采管路到抽采泵，再到釋放點(diǎn)所產(chǎn)生的全部阻力損失，計(jì)算管網(wǎng)阻力應(yīng)在抽采管網(wǎng)系統(tǒng)敷設(shè)線路確定后，按其最長的線路和抽采最困難時(shí)期的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下抽采系統(tǒng)壓力可按下列公式計(jì)算：

式中：H為抽采系統(tǒng)壓力；Hr為抽采設(shè)備入口側(cè)（負(fù)壓段）內(nèi)管路最大阻力損失；Hc為抽采設(shè)備出口側(cè)（正壓段）管路阻力損失；K為抽采系統(tǒng)壓力富余系數(shù)，根據(jù)GB5074—2008煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范取1.2；hrm為入口側(cè)管路最大摩擦阻力；hrj為入口側(cè)管路局部阻力；hk為井下抽采鉆孔的設(shè)計(jì)孔口負(fù)壓或抽采管路入口負(fù)壓；hcm為出口側(cè)管路最大摩擦阻力；hcj為出口側(cè)管路局部阻力；hz為出口側(cè)的出口正壓。具體計(jì)算如表2所示。

表1 改造前抽采困難時(shí)期高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)摩擦阻力

表2 改造前高負(fù)壓瓦斯抽采泵壓力計(jì)算表（孔口負(fù)壓取15 kPa）

由上述計(jì)算可知，在困難時(shí)期要達(dá)到目前抽采量所需的瓦斯抽采泵負(fù)壓要達(dá)到43 kPa，而從實(shí)際運(yùn)行情況看，高負(fù)壓抽采泵負(fù)壓運(yùn)行在33～38 kPa區(qū)間，要達(dá)到43 kPa已超出瓦斯泵的能力范圍。由表1可知，阻力大的管路段主要集中在支管和干管上[2-3]。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，瓦斯氣體在管路內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速5～12 m/s為宜，通過流量和管徑可以計(jì)算目前情況下是否存在流速超標(biāo)的管路。

由表3可知，回風(fēng)立井內(nèi)D630管路流速超標(biāo)35%，超標(biāo)嚴(yán)重，其它管路段也存在流速超標(biāo)問題。

表3 高負(fù)壓系統(tǒng)各管路內(nèi)瓦斯氣體流速（改造前）m/s

3 高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化改造

現(xiàn)有的高負(fù)壓管網(wǎng)系統(tǒng)按現(xiàn)在的抽采量在抽采困難時(shí)期需要抽采泵運(yùn)行負(fù)壓在43 kPa，現(xiàn)有抽采泵達(dá)不到這個(gè)負(fù)壓水平，而且抽采管網(wǎng)各個(gè)管路段內(nèi)氣體流速都超過了12 m/s的規(guī)范要求，特別是回風(fēng)立井內(nèi)的主管氣體流速達(dá)到了16.19 m/s，流速超標(biāo)必須通過擴(kuò)大管路內(nèi)徑解決，管路管徑增大，管道內(nèi)阻力減小，所需泵的負(fù)壓就會(huì)降低，因此，本次改造從管網(wǎng)優(yōu)化途徑解決未來困難時(shí)期孔口負(fù)壓不足的問題，而不從更換更大能力的抽采泵的角度來解決問題。根據(jù)山西省PE管路全部更換為鋼管的文件精神，坪上煤業(yè)井下PE管路更換為不銹鋼的計(jì)劃已經(jīng)制定并已部分實(shí)施，本次改造優(yōu)化正好與更換管路更換計(jì)劃配合實(shí)施，使更換后不銹鋼管滿足未來抽采需求，解決高負(fù)壓管網(wǎng)阻力大，氣體流速超標(biāo)的問題[4]。

華遠(yuǎn)礦管路更換計(jì)劃把高負(fù)壓干管D1 000 mm×59.3 mmPE管和支管D450 mm×26.7 mm更換為內(nèi)徑不小于1 000 mm的不銹鋼管和內(nèi)徑不小于450 mm的不銹鋼管。由于內(nèi)徑較原來有較大提高，以此內(nèi)徑根據(jù)相關(guān)公式驗(yàn)算新更換的不銹鋼管內(nèi)氣體流速是否滿足小于12 m/s的要求。通過代入相關(guān)公式求得內(nèi)徑1 000 mm的不銹鋼管氣體流速為11.89 m/s，內(nèi)徑450 mm的不銹鋼管氣體流速為10.83 m/s滿足規(guī)范要求。由于回風(fēng)立井內(nèi)主管流速超標(biāo)嚴(yán)重，通過在回風(fēng)立井工業(yè)廣場內(nèi)新打一管道井的方案來解決，新管道井內(nèi)主管內(nèi)徑選用同干管內(nèi)徑相同的尺寸，由于不銹鋼管壁厚薄，不適合在管道井內(nèi)安裝，因此，新管道井內(nèi)主管選用D1 032 mm×16 mm的螺旋焊縫光管，內(nèi)徑為1 000 mm，管道井主管氣體流速為11.89 m/s滿足要求。新管道井安裝完畢后地面及井下管路與其對(duì)接，管道井工程期間不會(huì)對(duì)現(xiàn)有高負(fù)壓抽采造成影響?；仫L(fēng)立井內(nèi)兩趟主管可用于管網(wǎng)優(yōu)化改造，不會(huì)造成資源浪費(fèi)[5]。

從表3可知，地面主管氣體流速為14.68 m/s，已經(jīng)超出12 m/s的標(biāo)準(zhǔn)，如果更換更大管徑的主管，則配套的“三防”裝置附屬設(shè)備都要進(jìn)行更換，相應(yīng)的管道間要進(jìn)行改造，如果按此方案實(shí)施不僅會(huì)造成附帶的投資，而且更換主管，高負(fù)壓系統(tǒng)則無法運(yùn)行，抽采必須中斷，實(shí)施比較困難。從表1可知，地面主管由于其管路長度有限，因此其阻力在高負(fù)壓管網(wǎng)系統(tǒng)中占比很小，對(duì)整個(gè)高負(fù)壓管網(wǎng)系統(tǒng)阻力影響不大，管網(wǎng)阻力主要集中在干管、支管和回風(fēng)井內(nèi)主管上，因此，管網(wǎng)優(yōu)化優(yōu)先考慮干管、支管和回風(fēng)井主管，地面主管改造計(jì)劃在以后有條件的情況下實(shí)施。

雖然上述新管道主管、不銹鋼干管和不銹鋼支管內(nèi)的氣體流速能滿足規(guī)范要求，管網(wǎng)改造后，管徑增大，阻力減小，所需抽采泵運(yùn)行負(fù)壓減小，是否能在合理的負(fù)壓范圍內(nèi)還需進(jìn)行驗(yàn)算。

根據(jù)改造后的管路管徑，根據(jù)現(xiàn)有抽采量，計(jì)算最困難時(shí)期的管網(wǎng)阻力以及所需泵的負(fù)壓。參數(shù)見表4。

改造后高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)摩擦阻力=3 259+2 772+343+742=7116Pa。

表4 困難時(shí)期高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)摩擦阻力（改造后）

抽采管網(wǎng)系統(tǒng)中管件局部阻力，根據(jù)規(guī)范可取管道總摩擦力阻力的10%～20%考慮，本次計(jì)算按15%選取。則：高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)局部阻力=7 116×0.15=1 067 Pa，高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)總阻力 =7 116+1 067=8 183 Pa。

改造后，管網(wǎng)阻力降低了30 830-23 184=7 646 Pa，抽采泵壓力參數(shù)取值見表5。瓦斯泵運(yùn)行負(fù)壓34 kPa即能滿足孔口負(fù)壓15 kPa的要求，且泵運(yùn)行負(fù)壓34 kPa在正常工作范圍內(nèi)，且還有提升負(fù)壓的空間。因此，高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)改造后能滿足高負(fù)壓抽采能力的需求，管網(wǎng)符合規(guī)范要求。

表5 改造后高負(fù)壓瓦斯抽采泵壓力參數(shù)表（孔口負(fù)壓取15 kPa）

因此，高負(fù)壓系統(tǒng)管網(wǎng)改造為：新打管道井并敷設(shè)D1 032 mm×16 mm的螺旋焊縫鋼管替代回風(fēng)立井內(nèi)兩趟D630 mm×12 mm的主管，選用內(nèi)徑不小于1 000 mm的不銹鋼管作為高負(fù)壓系統(tǒng)干管，選用內(nèi)徑不小于450 mm的不銹鋼管作為高負(fù)壓系統(tǒng)支管，地面主管由與回風(fēng)立井主管連接改造成與新管道井主管連接，不銹鋼干管在井下與新管道井主管對(duì)接。

4 結(jié)語

礦井抽采系統(tǒng)孔口負(fù)壓不足，為瓦斯治理抽采達(dá)標(biāo)埋下了隱患。通過抽采系統(tǒng)的改造優(yōu)化，為全礦井的瓦斯治理，抽采達(dá)標(biāo)提供了有力的保證，為礦井安全生產(chǎn)提供了保障，增加了安全效益。