高突礦井瓦斯抽采能力的評價方法及應(yīng)用

郎帥帥

（山西晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部安全環(huán)保部，山西 晉城 048006）

引言

隨著礦井采掘深度逐步向地層深處延伸，礦井的瓦斯涌出量和開采煤層的突出危險性逐步增強，給安全生產(chǎn)帶來巨大威脅[1-2]。瓦斯抽采是解決礦井瓦斯涌出和提供安全環(huán)境的有效保障，是高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井解決瓦斯涌出問題最為有效的方法[3-4]。黃曉鵬[5]針對礦井瓦斯抽采系統(tǒng)存在的能耗大、電機過載損壞等問題，提出了一種新的瓦斯抽采泵節(jié)能降耗方法。李安紅[6]針對瓦斯抽采系統(tǒng)容易發(fā)生燃爆的問題，提出了一種高低濃度分源抽采技術(shù)，合理避開了瓦斯爆炸范圍。賈智慧[7]針對礦井瓦斯抽采系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的問題，采用定量方法計算不同運行模式下瓦斯抽采泵的運行系統(tǒng)可靠度，為礦井瓦斯抽采系統(tǒng)的管理提供指導(dǎo)。郝光生[8]針對抽采系統(tǒng)存在的問題，提出了抽采系統(tǒng)擴能改造和系統(tǒng)調(diào)控優(yōu)化的必要性和可行性，為礦井大幅節(jié)約管理成本提供了方法。田新亮[9]針對瓦斯抽采系統(tǒng)中瓦斯抽采濃度低的問題，提出了提升瓦斯抽采濃度的方案，并獲得了較好效果。雖然有較多技術(shù)人員針對礦井瓦斯抽采系統(tǒng)的相關(guān)問題開展了研究，但關(guān)注點均是對現(xiàn)有抽采系統(tǒng)的管理和優(yōu)化，對礦井的抽采能力和礦井生產(chǎn)銜接進行通盤考慮并為后續(xù)礦井產(chǎn)能提升做出指導(dǎo)的研究未見相關(guān)文獻涉及。為此，本文提出了一種分源統(tǒng)計的方法，對預(yù)抽系統(tǒng)、采空區(qū)系統(tǒng)和上隅角系統(tǒng)進行分源統(tǒng)計分析，為礦井安全平穩(wěn)的生產(chǎn)提供有效指導(dǎo)。

1 礦井瓦斯抽采現(xiàn)狀

胡底礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井生產(chǎn)能力0.9 Mt/年，地面抽采泵站現(xiàn)有三個抽采系統(tǒng)，分別為：710預(yù)抽系統(tǒng)、710采空區(qū)系統(tǒng)和710上隅角系統(tǒng)，目前，整個礦井日抽采總純量33.7萬m3，礦井瓦斯抽采率達85%以上。710預(yù)抽系統(tǒng)共4臺抽放泵，型號為2BEC72，3用1備，單臺泵的額定抽放能力為375 m3/min，3臺泵并聯(lián)運行，負責(zé)礦井本煤層抽放。目前710預(yù)抽系統(tǒng)運行負壓46 kPa，濃度37%，標況混量480 m3/min，抽采純量177 m3/min，日抽放量25.5萬m3。710采空區(qū)泵站共3臺抽放泵，型號為2BEC72，2用1備（該備用泵與上隅角系統(tǒng)共用），單臺泵的額定抽放能力為375 m3/min，兩臺泵并聯(lián)運行，負責(zé)礦井采空區(qū)瓦斯抽放。目前710采空區(qū)系統(tǒng)運行負壓為20 kPa，濃度9.5%，標況混量395 m3/min，抽采純量37.5 m3/min，日抽采量5.4萬m3。710上隅角抽采泵站共2臺抽放泵，運行2臺（與采空區(qū)抽采系統(tǒng)共用1臺備用泵），型號為2BEC72，單臺泵額定抽采能力為375 m3/min，兩臺泵并聯(lián)運行，負責(zé)現(xiàn)回采工作面上隅角瓦斯抽采。目前710上隅角系統(tǒng)運行負壓22 kPa，濃度4.5%，標況混量430 m3/min，抽采純量19.4 m3/min，日抽采量2.8萬m3。

1.1 預(yù)抽系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀

礦井預(yù)抽系統(tǒng)采用3臺710泵并聯(lián)運行模式，每臺抽采泵的抽采最大吸氣量375 m3/min，按理論最高運行效率60%計算，預(yù)抽系統(tǒng)最大抽采能力約675 m3/min。目前，礦井預(yù)抽氣量480 m3/min。預(yù)抽系統(tǒng)運行現(xiàn)狀見下頁表1。

表1 預(yù)抽系統(tǒng)管路現(xiàn)狀

1.2 采空系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀

礦井采空區(qū)系統(tǒng)兩臺710抽采泵并聯(lián)運行模式，每臺抽采泵的抽采最大吸氣量375 m3/min，按理論最高運行效率60%計算，采空區(qū)系統(tǒng)最大抽采能力約450 m3/min。預(yù)抽系統(tǒng)運行現(xiàn)狀見表2。

表2 采空區(qū)系統(tǒng)管路現(xiàn)狀

目前，礦井采空區(qū)系統(tǒng)共分為東翼和西翼兩條主線路，東翼一條線路為：主管管徑711 mm、長度達1 200 m，對東翼的兩個已采采空區(qū)進行密閉墻抽采。西翼一條線路為：主管管徑711 mm、長度達到1 600 m，從主管上連接的457 mm管徑，長度1 700 m的分支管路對西翼兩個采空區(qū)進行埋管抽采。目前，采空區(qū)系統(tǒng)抽采能力達到393 m3/min。約有50 m3/min的抽采盈余量。東翼所帶的兩個采空區(qū)抽采混量280 m3/min，占整個采空區(qū)抽采量的71%，西翼4個采空區(qū)抽采量占采空區(qū)抽采量的113 m3/min，僅占系統(tǒng)總量的29%。東翼采空區(qū)低濃度瓦斯混量無法降低，因為該部分抽采的低濃度瓦斯主要用于下游的蘭金電廠發(fā)電。

1.3 上隅角系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀

礦井上隅角系統(tǒng)采用兩臺710抽采泵并聯(lián)運行，采用和采空區(qū)系統(tǒng)共用一臺抽采泵的管理方法，最大化提高泵的利用效率。每臺抽采泵的抽采最大吸氣量375 m3/min，按理論最高運行效率60%計算，采空區(qū)系統(tǒng)最大抽采能力約450 m3/min。預(yù)抽系統(tǒng)運行現(xiàn)狀見表3。

表3 上隅角系統(tǒng)管路現(xiàn)狀

目前，上隅角系統(tǒng)只在西翼布置有管路和抽采系統(tǒng)。主管路只布置在西翼，管徑914 mm，長度延深至礦井西部邊界，長度達到3 000 m。從主管路分別連接兩條支管路，管徑均為559 mm，一條支管路長1 400 m，另一條支管路長度1 600 m，分別對礦井西部老采空區(qū)和2314（上）采面進行埋管抽采。依據(jù)該系統(tǒng)實際抽采參數(shù)，計算得到的該系統(tǒng)目前的運行能力達到430 m3/min，約有20 m3/min左右的抽采盈余量。

2 針對抽采銜接各抽采系統(tǒng)的服務(wù)能力分析

2.1 預(yù)抽系統(tǒng)預(yù)計

根據(jù)《胡底礦2021—2023年銜接計劃》，2021—2022年主要圍繞2309工作面、2306工作面和2308工作面等幾個采面進行生產(chǎn)。胡底礦未來3年的抽采銜接計劃見表4所示。

由表4得知回采工作面正常接替，每年回采約1.5個工作面，生產(chǎn)接替穩(wěn)定，預(yù)抽系統(tǒng)用于采面瓦斯治理施工的抽采進尺基本不變，抽采量亦變化不大，可以判斷，以目前的預(yù)抽運行能力480 m3/min，預(yù)抽系統(tǒng)在未來三年仍可以滿足礦井正常生產(chǎn)銜接需要。統(tǒng)計了胡底未來三年預(yù)抽鉆孔的施工計劃，依照該礦測定的百米鉆孔瓦斯流量0.453 8~0.615 3 m3/min，在2020年抽采進尺55萬m的基礎(chǔ)上，未來三年抽采進尺將減少5萬m的實際規(guī)劃，抽采量將減少約220~300萬m3，預(yù)抽系統(tǒng)的抽采純量將減少4.2~5.7 m3/min，按預(yù)抽系統(tǒng)瓦斯?jié)舛?5%進行反算，抽采混量將降低12~16 m3/min。屆時，未來三年內(nèi)，在2020年預(yù)抽系統(tǒng)盈余190 m3/min的基礎(chǔ)上，預(yù)抽系統(tǒng)的盈余量將有小幅增長，盈余量將保持在205 m3/min左右。

表4 預(yù)抽系統(tǒng)未來三年的預(yù)計抽采規(guī)模和抽采量變化

2.2 采空區(qū)系統(tǒng)預(yù)計

2020年，東翼所帶的兩個采空區(qū)抽采混量280 m3/min，占整個采空區(qū)抽采量的71%，西翼4個采空區(qū)抽采量占采空區(qū)抽采量的113 m3/min，占系統(tǒng)總量的29%。在保持東翼抽采能力不變的前提下，采用剩余的113 m3/min解決西翼逐漸增加的采空區(qū)瓦斯問題，是本次討論是否增加井下移動泵站的關(guān)鍵問題所在。

因胡底礦現(xiàn)有采空區(qū)系統(tǒng)約有50 m3/min的盈余量，2020年的采空區(qū)系統(tǒng)不存在問題，僅針對2021年以后新增的采空區(qū)進行分析。2021年下半年，胡底礦西翼將新增加一個2304（上）采空區(qū)問題，2022年將新增一個2309（上）采空區(qū)問題，可采用如下思路解決采空區(qū)瓦斯問題：

小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)與生活實際緊密相連，在設(shè)置游戲內(nèi)容時應(yīng)結(jié)合學(xué)生實際情況，從學(xué)生興趣著手，選擇有趣題材，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)興趣，通過各種方式向?qū)W生展示教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生合作學(xué)習(xí)能力。在教學(xué)中，教師應(yīng)努力創(chuàng)設(shè)適合低年級學(xué)生特點的情景。例如，一年級下冊“認識人民幣”教學(xué)中，教師可以準備幾張不同面值的人民幣，引導(dǎo)學(xué)生了解元、角、分之間的關(guān)系，并讓學(xué)生模擬去超市買東西，一個棒棒糖5毛錢，小明拿一元錢結(jié)賬，應(yīng)該找回多少錢。學(xué)生一個扮演超市老板，一個扮演購買者，通過購買不同價錢的東西，理解不同面值人民幣之間的關(guān)系。教師要將課堂交給學(xué)生，充分發(fā)揮學(xué)生主體地位。

1）2021年新增的采空區(qū)位于東翼的大巷的北部，該采空區(qū)附近的煤體區(qū)域在2022年和2023年均不生產(chǎn)，且2023年出現(xiàn)的采空區(qū)距離2304（上）采空區(qū)較遠。同時，考慮到采空區(qū)閉墻涌出瓦斯的實際，采用目前已經(jīng)盈余的50 m3/min抽采量，持續(xù)不斷對2304（上）采空區(qū)進行抽采，引導(dǎo)采空區(qū)風(fēng)流向采空區(qū)系統(tǒng)流動，是可以解決東翼大巷北部的采空區(qū)瓦斯問題。

2）針對2022年回采2305（下）工作面的瓦斯問題，因上分層開采及持續(xù)不斷對西翼南部4個采空區(qū)的抽采，抽采濃度和抽采量將持續(xù)不斷降低。采用目前的采空區(qū)抽采管控方法是可以解決下分層開采時周邊采空區(qū)瓦斯涌出問題的。（工作面初采時，采用尾部埋管抽采，在工作面回采距離底部巷道較遠時，對23074巷密閉墻埋管進行接替抽采，掩護工作面回采亦是可行的。）另一個可以考慮的解決方法是，2022年回采2305（下）工作面時，2304（上）所應(yīng)用的上隅角抽采系統(tǒng)可繼續(xù)轉(zhuǎn)移到23073巷沿途密閉墻及東翼南部密閉墻的抽采。

因此，2022年回采2305（下）工作面回采時，采用上隅角的450 m3/min及采空區(qū)130 m3/min對西翼南部四個采空區(qū)進行抽采，可以解決工作面回采期間的瓦斯問題。

2.3 上隅角系統(tǒng)預(yù)計

因2304（上）工作面正處于初采階段，在正?；夭呻A段，采取對23073巷及西翼南部密閉墻埋管全部關(guān)閉，全系統(tǒng)對2304（上）工作面上隅角抽采以保障工作面正常生產(chǎn)。上隅角系統(tǒng)未來三年的抽采情況見表5所示。

表5 上隅角系統(tǒng)未來三年預(yù)計的抽采區(qū)域

因此，2021年，2304（上）工作面上隅角系統(tǒng)不存在問題。2022年，2305（下）工作面生產(chǎn)時，對23073巷及西翼南部沿途密閉墻抽采，可保障2305（下）工作面正常回采。2023年，生產(chǎn)2309（上）工作面時，再采用上隅角系統(tǒng)全流量對該采面進行抽采，可保障該工作面正?；夭伞?/p>

3 礦井系統(tǒng)優(yōu)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。管路摩擦阻力應(yīng)根據(jù)每段管路管徑、流量的不同分段計算，各段摩擦阻力按《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計規(guī)范》中6.3節(jié)相關(guān)公式進行計算。根據(jù)胡底礦東翼和西翼巷道的布置情況，抽采最困難時期的高低負壓系統(tǒng)管路長度，對各抽采系統(tǒng)分別進行分析。計算中，局部阻力按模擬阻力的20%進行計算。以瓦斯混合氣體黏度系數(shù)1.5×10-5m2/s、密度1.293 kg/m3及標準大氣壓92 500 Pa為常數(shù)進行各系統(tǒng)抽采阻力的計算。

3.1 預(yù)抽系統(tǒng)

預(yù)抽系統(tǒng)管路通過地面抽采泵站通過管道井鋪設(shè)東翼和西翼兩條主管路，其中最長的一條線路列出如下，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。預(yù)抽系統(tǒng)各線路的阻力見下頁表6所示。

表6 預(yù)抽各線路的總阻力分析（實際計算）

預(yù)抽系統(tǒng)中最長的線路是線路1（23074巷）總線路長度4 330 m（主管路1 280 m，分支管路3 050 m），但總阻力為9 361 Pa；線路2（23073巷）總線路長度4 225 m（主管路2325m，分支管路1 900），總阻力9 705 Pa，在整個預(yù)抽系統(tǒng)中最大。按照礦井實測得到的各個線路進出口的阻力進行分析，可以得到每個線路每米的阻力衰減系數(shù)，進而得出阻力異常點。各線路的實測阻力見下頁表7所示。

表7 預(yù)抽系統(tǒng)實測各線路每米阻力分析

從實測的各個支管路的始端和末端的負壓衰減梯度可以看出，23092/93巷每米的衰減系數(shù)在整個礦井中最大，但其管路僅460 m。模塊進風(fēng)巷和模塊回風(fēng)巷每米管路負壓衰減系數(shù)相同，均為11.8 kPa左右。這三條線路的管路阻力衰減系數(shù)大，是制約礦井瓦斯管路阻力的瓶頸。23092/93巷、模塊進風(fēng)巷因管路閥門開的角度過小是阻力快速衰減的主要原因，模塊回風(fēng)巷管路閥門已開至90°，但其阻力衰減系數(shù)大，管路內(nèi)積水多，煤渣去除不及時、漏氣等因素可能是造成管路快速衰減的原因。

3.2 采空區(qū)系統(tǒng)

由管道井底向東翼和西翼分別設(shè)置兩趟采空區(qū)管路，線路最長的一趟管路如下，主管：管道井底711 mm管路→西二回主管共計1 600 m→干管：23074巷457 mm的采空區(qū)管路1 700 m。采空區(qū)各線路的阻力見表8所示。

表8 采空區(qū)系統(tǒng)各線路的阻力分析

西翼支管路在整個采空區(qū)系統(tǒng)中所占阻力最大，雖與西翼主管路線路基本相同，瓦斯?jié)舛认嗖顭o幾，但通過現(xiàn)場排查分析，主要是因為西翼支管路由711 mm管路變成457 mm管徑，且西翼支管路共抽采4個采空區(qū)。且從東翼主管的抽采情況看，管路長度雖達到了1 200 m，但抽采阻力僅為西翼最長的采空區(qū)線路阻力的1/2，主要原因即管路管徑仍保持711 mm，抽采的兩個采空區(qū)純量28.62 m3/min，是西翼抽采四個采空區(qū)抽采量8.14 m3/min的3.5倍。

從實測的采空區(qū)管內(nèi)各線路之間的阻力衰減情況看（見表9），西翼主管和西翼支管的阻力衰減系數(shù)最大，每米負壓衰減系數(shù)分別達到了6.8和5.7。西翼主管閥門控制在50°，管路內(nèi)存在積水或淤泥或煤粉導(dǎo)致管路阻力增大，應(yīng)該是管路負壓迅速下降的主要原因。

表9 采空區(qū)系統(tǒng)實測各線路每米阻力分析

3.3 上隅角系統(tǒng)

目前2304（上）分層處于初采階段，在23073巷沿途密閉墻插管和2304（上）采面進行上隅角插管抽采，最長的一個線路即，主管：管道井底914 mm管路到西二回最遠端3 000 m→干管：23043巷559 mm管徑的上隅角管路1 600 m。上隅角各線路的阻力見表10所示。

表10 上隅角系統(tǒng)各線路的阻力分析

目前2304（上）采面處于初采階段，支管2所處的阻力為2 670 Pa，主要是因為采面初采期間，采空區(qū)頂板未垮落，抽放阻力較小。支管1所在的23073巷所帶的密閉墻有26個（其中74巷7橫川閉墻插管負壓開啟45°，8橫川閉墻插管負壓開啟15°，其他橫川閉墻開啟角度均小于5°），阻力在整個系統(tǒng)中最大。主要是為了2303（下）采面末采服務(wù)。礦方計劃，待2304（上）采面進入正產(chǎn)生產(chǎn)階段，采空區(qū)頂板完全垮落后，整個系統(tǒng)450 m3/min的抽采能力服務(wù)于采面上隅角，抽采阻力將進一步增大。

從每米管路負壓的衰減系數(shù)（見表11）來看，上隅角系統(tǒng)所帶的23073巷支管路阻力衰減最大，達到7.4 Pa/m，可以看出，在主管比支管更長的前提下，支管負壓衰減得更大，可判斷是23073巷埋管抽采采空區(qū)支管管徑小是負壓快速降低的主要原因之一。

表11 上隅角系統(tǒng)實測各線路每米阻力分析

4 結(jié)論

通過上述分析，結(jié)合礦井生產(chǎn)銜接規(guī)劃，目前的抽采系統(tǒng)可以滿足瓦斯生產(chǎn)需要，暫可不建設(shè)井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)，得出的結(jié)論如下：

1）預(yù)抽系統(tǒng)：2021—2023年，生產(chǎn)銜接可實現(xiàn)正常接替，系統(tǒng)盈余將保持在200~205 m3/min。

2）采空系統(tǒng)：2021—2023年，在東翼兩個采空區(qū)抽采能力280 m3/min保障蘭金電廠發(fā)電不變的前提下，113 m3/min用于西翼采空區(qū)抽采。2021年回采西翼北部2304（上）工作面時，采用113 m3/min抽采能力對西翼南部采空區(qū)進行抽采，不影響工作面生產(chǎn)。2022年回采2305（下）工作面時，2304（上）上隅角系統(tǒng)430 m3/min和原有113 m3/min同時對西翼南部采空區(qū)進行抽采以保障該工作面生產(chǎn)，是可行性的。2023年，回采2309（上）工作面時，上隅角抽采系統(tǒng)轉(zhuǎn)至該工作面進行上隅角瓦斯抽采，保障工作面正?；夭梢嗫尚?。

3）上隅角系統(tǒng)：2021—2013年，依據(jù)礦井生產(chǎn)銜接，在2020年抽采能力略有20 m3/min盈余的基礎(chǔ)上，2021年，2304（上）工作面正?；夭蓵r，對23073巷及西翼底部閉墻埋管進行關(guān)閉，全系統(tǒng)流量抽采該工作面上隅角，可保證工作面正常生產(chǎn)。2022年，2305（下）工作面生產(chǎn)時，2304（上）所用的上隅角抽采系統(tǒng)用于該工作面上部的采空區(qū)抽采；2023年，2309（上）工作面生產(chǎn)時，上隅角系統(tǒng)全流量服務(wù)于該工作面上隅角抽采，可保障該工作面正常生產(chǎn)。