高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒在煤礦采空區(qū)瓦斯抽采的應(yīng)用

王 洋

(神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，山西 忻州 036600)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國煤礦開采深度不斷延深、礦井集約化程度及開采規(guī)模不斷提高，工作面瓦斯涌出量逐漸增大，隨之而來的瓦斯隱患逐漸增多，瓦斯已經(jīng)成為威脅煤礦安全生產(chǎn)及工人生命的重要因素[1-2]。大采高綜采放工作面由于開采強度大，推進(jìn)速度快，采空區(qū)域大、采空區(qū)遺煤多等因素，造成工作面瓦斯涌出量增大，制約煤礦安全生產(chǎn)[3-4]。 而礦井的瓦斯涌出很大一部分來自于采空區(qū)瓦斯，因此采取行之有效的措施抽采采空區(qū)瓦斯是解決這一問題的有效技術(shù)途徑。

周宗衛(wèi)[5]采用連通管均壓技術(shù)，有效地治理了瓦斯超限的問題。胡千庭、梁運培[6]在對采空區(qū)瓦斯涌出及分布規(guī)律分析的基礎(chǔ)上提出了地面鉆孔布置參數(shù)的優(yōu)化方案。周愛桃[7]對采空區(qū)埋管法抽采瓦斯進(jìn)行現(xiàn)場考察抽采負(fù)壓與抽采純量的關(guān)系，得出了合理的抽采負(fù)值。林柏泉教授[8-9]提出了在采空區(qū)埋管抽采采空區(qū)瓦斯技術(shù)，有效解決U型通風(fēng)工作面采空區(qū)上隅角瓦斯積聚的問題。王兆豐[10]利用采空區(qū)尾巷埋管、頂板走向長鉆孔及地面鉆井等多種措施對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，均取得了較好的瓦斯治理效果。

綜上所述，抽采采空區(qū)的瓦斯，能夠有效地減少采空區(qū)瓦斯涌出量，防止工作面和上隅角瓦斯超限[11-12]。大量的專家學(xué)者不斷探索采空區(qū)瓦斯治理方案，取得了很好的應(yīng)用效果。其中采空區(qū)瓦斯抽采是治理上隅角瓦斯積聚的主要方法之一，常用的采空區(qū)瓦斯抽采方法是埋管抽采[13]。

目前，絕大部分礦井采用鋼管作為抽采管道進(jìn)行抽采，但存在以下問題：一是鋼管作為導(dǎo)體，容易將外界電流導(dǎo)通進(jìn)入采空區(qū)；二是鋼管頂板冒落或錨索崩落碰撞時會產(chǎn)生火花，對于井下高瓦斯區(qū)域存在一定危險；三是鋼管單根質(zhì)量大，約1 t，拆卸運輸不便；四是鋼管價格高，單根DN800瓦斯抽采管路近萬元。以保德煤礦81307工作面為例，采用現(xiàn)場試驗結(jié)合理論分析的方法，對高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒抽采采空區(qū)瓦斯進(jìn)行探究，以期尋找一種合適的材料，實現(xiàn)方便、安全、經(jīng)濟(jì)的采空區(qū)抽采管路。

1 保德煤礦基本概況

保德煤礦隸屬于國家能源投資集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)，位于山西省保德縣境內(nèi)，河?xùn)|煤田北部，井田面積55.94 km2，地質(zhì)儲量12億t，可采儲量7.11億t。區(qū)域地層由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新近系、第四系，其中石炭系與二疊系為含煤地層。目前，礦井主采8號煤層，開采標(biāo)高+940～+420 m，埋藏深度122～663 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸0～8層，一般3～4層，夾矸總厚0～3.84 m，平均1.38 m。煤層傾角平均3.5°，以厚煤層為主。近3年礦井瓦斯等級鑒定見表1。保德煤礦分別建立有南、北部區(qū)的固定高、低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)，并正式投入運行。所有泵站均采用一運一備，且備用泵與運行泵同能力、同型號。目前采空區(qū)抽采利用低負(fù)壓抽采泵，其型號為2BEC120水環(huán)式泵，額定流量為1 480 m3/min。抽采方法為聯(lián)巷插管抽采方法，其示意圖如圖1所示。其抽采主管為DN800鋼管，抽采支管為DN800鋼管。

表1 近3 a瓦斯等級鑒定表

圖1 回采期間采空區(qū)瓦斯抽采方式示意

2 前期試驗準(zhǔn)備及改進(jìn)措施

為了確保高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒在81307工作面回采時安全利用，在81505工作面回采時，進(jìn)行了可行性試驗。通過對保德煤礦井下抽采環(huán)境、抽采條件的實際考察后，此次試驗地點選取81506二回12聯(lián)巷DN800抽采主管末端以及81506二回7聯(lián)巷抽采支管進(jìn)行試驗。

2.1 抽采主管試驗

在81506二回12聯(lián)巷DN800抽采主管末端的閥門后側(cè)加設(shè)一節(jié)負(fù)壓風(fēng)筒。安裝完畢后，逐漸打開閥門，查看負(fù)壓風(fēng)筒在抽采負(fù)壓的作用下變形情況，如圖2、3所示。

圖2 柔性負(fù)壓風(fēng)筒抽采主管試驗示意

保德煤礦技術(shù)人員在81506二回12聯(lián)巷進(jìn)行了抽采主管柔性負(fù)壓風(fēng)筒試驗。在現(xiàn)場試驗過程中，緩慢打開閥門。發(fā)現(xiàn)當(dāng)閥門打開至45°時，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)筒布明顯向內(nèi)凹陷，并可以聽到明顯的吸氣聲響。當(dāng)閥門打開至90°時，在堅持?jǐn)?shù)10 s后風(fēng)筒布被吸扁至撕裂，現(xiàn)場試驗過程風(fēng)筒布吸扁至撕裂過程圖片，如圖3所示。

圖3 風(fēng)筒布吸扁至撕裂過程

之所以出現(xiàn)風(fēng)筒被撕裂這種情況，可能是因為抽采主管路其負(fù)壓較大，在實際生產(chǎn)過程中，可以達(dá)到負(fù)壓18 kPa左右，雖然風(fēng)筒經(jīng)過改造，其耐風(fēng)壓能力有所提高，但其最大可耐風(fēng)壓為負(fù)壓5 kPa，遠(yuǎn)小于其抽采主管路內(nèi)負(fù)壓值。因此，現(xiàn)場試驗過程中高負(fù)壓柔性負(fù)壓風(fēng)筒出現(xiàn)了撕裂現(xiàn)場?，F(xiàn)場試驗結(jié)果也說明了利用高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒代替采空區(qū)抽采主管是不可行的。

2.2 抽采聯(lián)巷支管路試驗

為探究是否能夠采用柔性負(fù)壓風(fēng)筒來代替聯(lián)巷抽采支管，保德煤礦技術(shù)人員在81506二回7聯(lián)巷進(jìn)行了抽采支管路柔性負(fù)壓風(fēng)筒試驗，如圖4所示。

圖4 柔性負(fù)壓風(fēng)筒抽采支管試驗示意

試驗前，81506二回7聯(lián)巷正常抽放參數(shù)為抽放主管路負(fù)壓15.64 kPa，抽放濃度1.48%，抽放量536 m3/min。試驗過程中測得的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 柔性負(fù)壓風(fēng)筒抽采支管試驗

由表2可以得出：抽采量在540 m3/min左右時，柔性負(fù)壓風(fēng)筒承受的負(fù)壓在1.35 kPa左右(距離抽采口6 m)。柔性負(fù)壓風(fēng)筒的耐壓強度在5 kPa左右，能夠滿足抽采支管路的承壓要求，且有較大的富裕系數(shù)，因此用柔性負(fù)壓風(fēng)筒來作為采空區(qū)抽采支管是可行的。

2.3 管路安拆工效對比

根據(jù)保德煤礦實際勞動定額統(tǒng)計，安裝DN800瓦斯鋼管工效4 m/工，拆除DN800瓦斯鋼管工效6 m/工；負(fù)壓風(fēng)筒質(zhì)量輕便，一節(jié)5 m長的風(fēng)筒重約40 kg，安裝工效為20 m/工，拆除工效為35 m/工。

因此，采用柔性負(fù)壓風(fēng)筒來作為采空區(qū)抽采支管工效為鋼管的4倍以上。

2.4 試驗結(jié)論

柔性負(fù)壓風(fēng)筒作為采空區(qū)抽采支管是可行的，且具備方便、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。

3 高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒應(yīng)用

3.1 高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒的應(yīng)用

經(jīng)過試驗后，保德煤礦決定在81307采空區(qū)抽采進(jìn)行推廣應(yīng)用。81307工作面走向長度2 400 m，抽采主管路長度4 600 m，共設(shè)計27個采空區(qū)抽采支管，抽采支管路長度約2 000 m?，F(xiàn)采空區(qū)抽采支管鋪設(shè)示意圖，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)采空區(qū)抽采支管鋪設(shè)示意

3.2 高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒改進(jìn)措施

為了保證高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒的耐壓強度，在安裝過程中采用如下改進(jìn)措施：①負(fù)壓風(fēng)筒與DN800彎頭處采用接口器連接，并在彎頭上設(shè)置卡擋，防止在負(fù)壓作用下接口器脫落；②骨架負(fù)壓風(fēng)筒每處吊掛至少有3個方向，上部和兩側(cè)。安裝骨架負(fù)壓風(fēng)筒時必須逢環(huán)必掛，采用8#鐵絲吊掛；③在風(fēng)筒拐彎處必須在兩側(cè)加設(shè)鋼筋，并用鋼絲繩向?qū)?cè)斜拉，確保拐彎處的骨架風(fēng)筒強度。高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒作為抽采支管安裝效果，如圖6所示。

圖6 高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒作為抽采支管安裝效果

4 結(jié)果與分析

4.1 抽采支管現(xiàn)場試驗結(jié)果

保德煤礦81307工作面于2018年開始回采，于2019年4月回采結(jié)束?；夭蛇^程中，抽采支管全部采用高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒，均能保證正常的抽采效果。采空區(qū)最大抽采量在600 m3/min以上，風(fēng)筒吸風(fēng)口負(fù)壓在800～2 800 Pa范圍內(nèi)波動，本次試驗應(yīng)用取得了良好的效果。

在應(yīng)用過程中，保德煤礦技術(shù)人員對抽采管路距離工作面距離以及抽采管路吸風(fēng)口負(fù)壓進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果見表3，風(fēng)筒距工作面距離與吸風(fēng)口負(fù)壓變化特征，如圖7所示。

圖7 風(fēng)筒距工作面距離與吸風(fēng)口負(fù)壓變化特征

由圖7可知，在抽采支管剛切換時，抽采負(fù)壓突然下降至600～800 Pa，隨著工作面的推進(jìn)，其抽采負(fù)壓迅速增加，而后趨于穩(wěn)定?？梢钥闯?，隨著工作面的推進(jìn)，其抽采負(fù)壓呈現(xiàn)出周期性變化。結(jié)合圖表可知，其最大的管口負(fù)壓為2 800 Pa。因此，高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒的耐風(fēng)壓強度可以滿足其要求。

4.2 高強度柔性風(fēng)筒風(fēng)壓分析

風(fēng)筒的風(fēng)阻主要包括有摩擦風(fēng)阻以及局部風(fēng)阻，局部風(fēng)阻包括風(fēng)筒接頭處局部風(fēng)阻以及風(fēng)筒拐彎處局部風(fēng)阻，可用下式進(jìn)行計算

R=R1+R2+R3

(1)

式中，R—風(fēng)筒的總風(fēng)阻，N·S2/m8；R1—風(fēng)筒摩擦風(fēng)阻，N·S2/m8；R2—風(fēng)筒接頭處局部風(fēng)阻，N·S2/m8；R3—風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎處局部風(fēng)阻，N·S2/m8；α—風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎處局部風(fēng)阻，此處取32×10-4N·S2/m4；l—風(fēng)筒長度，此處取67 m；d—風(fēng)筒直徑，此處取0.8 m；n—風(fēng)筒的接頭數(shù)目，此處取7；ξj—風(fēng)筒接頭的局部阻力系數(shù)，無因次，此處取0.037；ξb—風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎的局部阻力系數(shù)，無因次，此處取1.4；ρ—空氣密度，此處取1.2 kg/m3。

由式(1)計算可得表3。

表3 各部分風(fēng)阻大小及其所占比例

從表3可知，風(fēng)筒總阻力大小為7.87 N·S2/m8，其中風(fēng)筒摩擦風(fēng)阻占比最大，為53.37%。風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎處局部風(fēng)阻次之，占比為42.69%。因此，在實際工作中，為了降低風(fēng)筒總風(fēng)阻，應(yīng)盡可能地降低風(fēng)筒長度，減少風(fēng)筒的轉(zhuǎn)彎次數(shù)。

因此，風(fēng)流在流經(jīng)支管時，克服沿程阻力的能量損失可用式(2)計算

hf=RQ2

(2)

式中,hf—克服沿程阻力的能量損失，J/m3;Q—單位時間內(nèi)風(fēng)筒內(nèi)流量，此處取10.1 m3。

因此，計算風(fēng)流流經(jīng)支管時，克服沿程阻力的能量消耗為818.8 J/m3。此風(fēng)筒漏風(fēng)率較低，且風(fēng)筒長度相對較短，在流動過程中其勢能并未發(fā)生變化。因此，流體的能量方程可以簡化為

hf=P1-P2

(3)

式中,P1—支管路吸風(fēng)口處風(fēng)壓；P2—支管路接口處風(fēng)壓。

在井下試驗期間，利用壓差計測量支管路入風(fēng)口出風(fēng)壓，測其最大負(fù)壓值為2 800 Pa，經(jīng)計算，可得支管路接口處最大負(fù)壓為3 618.8 Pa。

高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒為實現(xiàn)其高抗負(fù)壓性，筒體內(nèi)側(cè)設(shè)有若干個骨架，所述骨架穿過有吊掛部件，骨架和位于所述筒體內(nèi)側(cè)的所述吊掛部件部分通過壓條布包覆在筒體內(nèi)側(cè)，骨架為高抗彎強度特種定制合金骨架。改造過后的風(fēng)筒具有高耐風(fēng)壓性能強。試驗證明負(fù)壓風(fēng)筒在5 000 Pa風(fēng)壓下保持5 min，無風(fēng)筒脫節(jié)、涂覆布撕裂、接縫開口等現(xiàn)象。因此，在現(xiàn)場最大負(fù)壓3 618.8 Pa條件下，依然可以滿足現(xiàn)場使用。在現(xiàn)場使用過程中，并未出現(xiàn)風(fēng)筒被吸扁撕裂的現(xiàn)象。

4.3 回風(fēng)隅角及回風(fēng)瓦斯?jié)舛忍卣?/h3>

在現(xiàn)場試驗期間，對81307工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛纫约盎仫L(fēng)隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，回風(fēng)瓦斯?jié)舛纫约盎仫L(fēng)隅角瓦斯?jié)舛茸兓卣鳎鐖D8所示。

圖8 回風(fēng)瓦斯?jié)舛纫约盎仫L(fēng)隅角瓦斯?jié)舛?/p>

由圖8可知，回采工作面其回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛扰c回風(fēng)瓦斯?jié)舛染哂邢嗨频淖兓?guī)律。采用高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒抽采采空區(qū)瓦斯期間，工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸罡邽?.54%，工作面回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛茸罡邽?.62%。因此，現(xiàn)場試驗監(jiān)測說明利用高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采可以滿足保德煤礦采空區(qū)瓦斯治理的需求。

5 結(jié)語

(1)利用高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒代替采空區(qū)抽采主管的方案是不可行的，在現(xiàn)場試驗過程中出現(xiàn)了風(fēng)筒被吸扁撕裂現(xiàn)象。

(2)利用高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒代替采空區(qū)抽采支管的方案是可行的。在現(xiàn)場試驗取得了很好的應(yīng)用效果。其安裝、拆卸回收方便，節(jié)約了大量的人力、物力和時間成本。

(3)利用高強度柔性負(fù)壓風(fēng)筒進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采具有很好的瓦斯治理效果。利用此方法可抑制回風(fēng)隅角瓦斯超限，可滿足現(xiàn)場瓦斯治理的需求。

(4)通過理論計算分析，風(fēng)筒的摩擦風(fēng)阻以及風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎處的局部風(fēng)阻占比較大。在現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)盡可能降低風(fēng)筒長度，減少風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎次數(shù)。

在實際生產(chǎn)過程中，風(fēng)筒存在易漏氣、不耐磨等問題，因此在使用過程中應(yīng)時刻關(guān)注其磨損、漏風(fēng)情況，發(fā)現(xiàn)磨損、漏風(fēng)等情況應(yīng)及時更換。時刻關(guān)注工作面回風(fēng)隅角及回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸兓?，以防出現(xiàn)瓦斯超限等問題。同時，應(yīng)積極探索新的解決方法，以求找到更便捷、實用解決此類問題的方法。