山西保德煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化研究

李哲遠(yuǎn)

(華電煤業(yè)集團有限公司，北京 100035)

1 礦井概況

1.1 礦井基本情況

保德煤礦隸屬于國能神東煤炭集團，位于山西省保德縣境內(nèi)，東西寬約5.7km，南北長約14km，井田面積約55.9km2。礦區(qū)東與晉能控股煤業(yè)集團蘆子溝煤業(yè)有限公司、山西忻州神達(dá)望田煤業(yè)有限公司、晉能控股煤業(yè)集團泰山隆安煤業(yè)有限公司相接，西與蘇家里村為鄰。礦區(qū)地處黃河?xùn)|岸、屬黃土高原的晉西北邊緣，呈黃土溝峁、丘陵地貌，總體地勢中部低、南北高，最高處標(biāo)高+1148.1m，最低處位于朱家川溝底，標(biāo)高+812.2m，最大高差335.9m。礦區(qū)位于河?xùn)|煤田的北部，構(gòu)造簡單，呈平緩的單斜構(gòu)造形態(tài)，并且發(fā)育有寬緩的波狀起伏，地層產(chǎn)狀總體呈走向350°，傾向260°，傾角 3°～9°，一般5°左右，未見有大型斷層、褶皺及陷落柱。礦井目前開采8號煤層，共有4個盤區(qū)，分別布置一個綜采放頂煤工作面和一個雙巷交替掘進工作面。保德煤礦礦井絕對瓦斯涌出量119.59m3/min，相對瓦斯涌出量10.72m3/t，為高瓦斯礦井。

1.2 礦井抽采系統(tǒng)概況

保德煤礦通過建立地面永久泵站來抽采煤層瓦斯，根據(jù)礦井瓦斯抽放設(shè)計采用以本煤層瓦斯抽采為主、采空區(qū)和鄰近層抽采為輔，預(yù)抽與邊采邊抽相結(jié)合的綜合抽采瓦斯方法?；夭晒ぷ髅娌捎米呦蝽槍娱L鉆孔與普通順層鉆孔相結(jié)合的方式進行預(yù)抽及邊采邊抽，掘進工作面采用扇形長鉆孔預(yù)抽、多巷交替預(yù)抽條帶煤層瓦斯、采空區(qū)采用聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采、高位鉆孔抽采。地面抽采礦井分別建立有南、北部區(qū)的固定高、低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)，所有泵站均采用一運一備。本文以南部區(qū)的棗林高負(fù)壓抽采系統(tǒng)為例進行研究。棗林瓦斯抽采泵站位于棗林主井工業(yè)場地，高負(fù)壓抽采泵型號為2BEC87水環(huán)式泵，額定流量為900m3/min，負(fù)責(zé)南部區(qū)預(yù)抽。在棗林瓦斯泵站場地東側(cè)施工有瓦斯管道孔2個，棗林瓦斯泵站高、低負(fù)壓瓦斯抽采管路沿瓦斯管道孔入井，入井后沿三盤區(qū)回風(fēng)巷敷設(shè)至抽采作業(yè)地點。

2 礦井抽采系統(tǒng)現(xiàn)況與分析

2.1 系統(tǒng)運行現(xiàn)況與分析

保德煤礦自2014年建設(shè)地面抽采泵站以來，經(jīng)過多年運行，暴露出瓦斯抽采主、干管路冗余，個別區(qū)域抽采阻力過大，干管連接位置不合理，抽采網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與層級過多，管路連接部位老化漏氣，導(dǎo)致出現(xiàn)抽采系統(tǒng)負(fù)壓增大，地面泵站有效利用率低，抽采流量不穩(wěn)定，抽采系統(tǒng)瓦斯?jié)舛冉档偷葐栴}。為便于研究，繪制棗林高負(fù)壓抽采網(wǎng)絡(luò)節(jié)點圖，如圖1所示。

圖1 棗林高負(fù)壓抽采網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

瓦斯抽采過程中，煤層內(nèi)瓦斯由于抽采管路的負(fù)壓作用沿著壓力梯度由壓力大的地方流向壓力小的地方，沿程阻力和局部阻力會造成負(fù)壓損失，抽采系統(tǒng)在工作面不斷接替過程中管路在設(shè)計基礎(chǔ)上不斷沿伸，使抽采負(fù)壓損失量不斷增大損失率不斷提高。棗林負(fù)壓泵站的抽采損失量見表1。由表1可知，棗林高負(fù)壓抽采系統(tǒng)部分抽采管路負(fù)壓損失量較大，負(fù)壓損失率較高，最高損失率為61.76%。其中引起負(fù)壓損失的因素主要有下列情況。

(1)瓦斯抽采主管和干管管路過長，從而引起沿程阻力增大造成抽采負(fù)壓損失過大。

(2)隨著礦井不斷地生產(chǎn)，瓦斯抽放管路為滿足抽放目標(biāo)，需要不斷沿伸擴展，在管路與管路、閥門之間的連接不當(dāng)會產(chǎn)生局部阻力，損失抽采負(fù)壓。

表1 抽采負(fù)壓損失量

2.2 抽采鉆孔現(xiàn)狀與分析

(1)鉆孔漏氣

鉆孔密封不嚴(yán)會造成抽采過程中鉆孔漏氣，使得抽采負(fù)壓濃度降低，抽采流量增大，抽采效率降低。一方面，由于抽采鉆孔在施工過程中由于施工外力和鉆孔圍巖應(yīng)力等因素的作用，鉆孔周圍的原始應(yīng)力受到擾動，鉆孔圍巖由于自身理化特性在受力作用下會產(chǎn)生大量擾動裂隙。另一方面，由于煤層本身存在著大量原生裂隙，這兩方面綜合構(gòu)成了鉆孔的漏氣通道。

(2)鉆孔流量不穩(wěn)定

在抽采過程中，不同施工方案的鉆孔在抽采流量方面存在差異，抽采濃度也有差別。

(3)維護管理負(fù)擔(dān)重

在抽采過程中，為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需要不斷對系統(tǒng)進行維護。抽采系統(tǒng)自建成運行以來，隨著采掘活動的不斷接替，抽采管路不斷進行擴展改造，管路、流量計及閥門等部件經(jīng)過長時間運行后，會存在性能退化，如：管道密封不良、閥門開關(guān)困難等，在運行過程中管理難度大，系統(tǒng)可靠性降低。

3 優(yōu)化方案及實施

由上述分析可知，抽采系統(tǒng)與抽采鉆孔在運行中暴露出管路阻力大、抽采濃度低、鉆孔布置不合理等問題，為提高抽采系統(tǒng)運行效率，確保礦井實現(xiàn)安全高效開采，制定以下優(yōu)化方案。

3.1 管路降阻方案

(1)停運、拆除并重復(fù)利用瓦斯管路6845m。通過對井下抽采區(qū)域現(xiàn)場勘查分析，三五盤區(qū)總回及部分大巷、順槽瓦斯管路布置冗余，層級較多，造成局部瓦斯管路末端負(fù)壓較低。同時，大量的瓦斯管路降低了巷道通風(fēng)斷面，增加了巷道通風(fēng)阻力。制定了瓦斯管路優(yōu)化改造方案，在不影響正常鉆場、采空區(qū)抽采的前提下逐步分階段停運、拆除冗余瓦斯管路，打開停運、拆除后的瓦斯管路末端，形成管道通風(fēng)，降低了巷道通風(fēng)阻力。

(2)將井下抽采管路直角彎處進行改造，替換為不小于120°彎頭；減少瓦斯管路阻力路線距離，根據(jù)現(xiàn)場實際及時進行瓦斯管路改造，抽采系統(tǒng)支管路與主管路距離采取“就近不就遠(yuǎn)”的原則。

(3)改造抽采效果不良的計量點(孔板流量計)18處，通過瓦斯管路改造，使用便攜式瓦斯抽放管道綜合參數(shù)測定儀進行數(shù)據(jù)測量(皮托管原理)，有效杜絕了孔板流量計處局部瓦斯管路阻力增大的情況發(fā)生。

3.2 抽采濃度提升方案

三(下)盤區(qū)部分備用工作面預(yù)抽鉆孔施工連抽后存在瓦斯?jié)舛绕?、混合流量偏大的情況，為有效解決上述問題，制定了81310備用工作面抽采瓦斯?jié)舛忍嵘囼灧桨覆嵤?/p>

(1)選取一組整體瓦斯?jié)舛鹊陀?0%，組內(nèi)個別鉆孔濃度低于10%，其它鉆孔高于20%的常規(guī)鉆孔進行觀測實驗；直接觀測整組常規(guī)鉆孔數(shù)據(jù)；對低于10%的常規(guī)鉆孔進行全斷面全長注漿，注漿2天后記錄整組數(shù)據(jù)以及單孔數(shù)據(jù)。經(jīng)過考察，將個別濃度偏低的常規(guī)鉆孔進行全斷面注漿封堵后，單組瓦斯?jié)舛忍嵘?0%，即個別封孔效果差的常規(guī)鉆孔影響整組鉆孔抽采瓦斯?jié)舛取?/p>

(2)挑選一組常規(guī)鉆孔進行孔口支管路改造，將軟連接改為硬連接。對81310輔運10聯(lián)巷一組常規(guī)鉆孔進行孔口支管路改造，將軟連接改為硬連接，同時進一步處理孔口連接件，確保不漏氣。對比改造前后單孔瓦斯?jié)舛纫约皢谓M瓦斯?jié)舛?、抽采量。?jīng)過考察，硬連接方式抽采效果優(yōu)于軟連接方式抽采效果。

(3)現(xiàn)有封孔工藝與以前封孔工藝封孔效果對比。選取同一組鉆孔分別使用之前的兩堵一注封孔工藝進行封孔，以及現(xiàn)有的囊袋式兩堵一注封孔工藝進行封孔，連接抽采后測量單孔瓦斯?jié)舛?。?jīng)過考察，使用現(xiàn)有囊袋式兩堵一注封孔工藝進行常規(guī)鉆孔封孔，效果優(yōu)于使用高分子材料兩堵一注封孔工藝。

(4)進行瓦斯管路漏氣檢定試驗，對比管路連接法蘭處膠墊與鋼墊密封效果

選取部分DN300瓦斯管路、DN100瓦斯管路、φ108抽采軟管，連接相同距離后進行打壓試驗(正負(fù)壓)。先通過抽采系統(tǒng)負(fù)壓進行打壓試驗，觀測漏氣情況(聽覺)；再通過壓風(fēng)管路系統(tǒng)正壓進行打壓試驗，觀測連接法蘭處漏氣情況(視覺、聽覺)。綜合對比分析管路漏氣影響因素。經(jīng)過考察，使用鋼墊密封效果優(yōu)于膠墊密封效果。

綜上所述，影響工作面抽采瓦斯?jié)舛?、抽采量的主要因素包括鉆孔封孔效果、鉆孔連接抽采系統(tǒng)方式、管路密封效果等，為下一步預(yù)抽鉆孔施工指明了方向。

3.3 鉆孔施工設(shè)計優(yōu)化

在歷年來已施工的各類鉆孔抽采數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行分析，優(yōu)化抽采鉆孔設(shè)計方案。在備用工作面進行上下行常規(guī)鉆孔抽采數(shù)據(jù)的對比分析，其81309工作面上下行常規(guī)鉆孔抽采歷史數(shù)據(jù)見表2。為便于比較分析分別繪制上下行鉆孔瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D(圖2)和上下行鉆孔純瓦斯流量對比圖(圖3)。

表2 81309工作面上下行常規(guī)鉆孔抽采歷史數(shù)據(jù)

由圖2、3可知，上行鉆孔抽采的平均瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞恐刀家认滦秀@孔高。平均來看，抽采140天范圍內(nèi)，上行鉆孔抽采的平均瓦斯?jié)舛葹?5%，而下行鉆孔的平均瓦斯?jié)舛葹?0.87%，上行鉆孔抽采濃度平均比下行鉆孔高了1.134倍，即上行鉆孔抽采瓦斯?jié)舛仍谙滦秀@孔基礎(chǔ)上提高了13.38%；而上行鉆孔抽采的平均純瓦斯流量為0.129m3/min，而下行鉆孔的平均純瓦斯流量為0.099m3/min，上行鉆孔抽采平均純瓦斯流量比下行鉆孔高了1.296倍，即上行鉆孔抽采瓦斯純量在下行鉆孔基礎(chǔ)上提高了29.84%。

圖2 上下行鉆孔瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

圖3 上下行鉆孔純瓦斯流量對比

如圖2所示，在抽采67天之后，下行鉆孔的瓦斯抽采濃度呈現(xiàn)出下降的趨勢，而上行鉆孔的瓦斯抽采濃度還是維持在34%以上，抽采140天后，平均瓦斯?jié)舛葹?7.4%，比下行鉆孔的29.4%高出了27.2%。

如圖3所示，無論是上行鉆孔還是下行鉆孔的抽采瓦斯純量都是下降的趨勢，抽采140天以后，下行鉆孔抽采瓦斯純量下降到0.085m3/min；而上行鉆孔，抽采瓦斯純量下降到0.134m3/min，尤其在抽采70天以后，下行鉆孔抽采瓦斯純量下降的趨勢更加明顯。

無論是瓦斯抽采濃度還是瓦斯抽采純量，上行試驗孔抽放效果要略優(yōu)于下行試驗孔，由此證明上行鉆孔的影響區(qū)域大于下行鉆孔，更適用于保德礦瓦斯預(yù)抽工作。

4 結(jié)語

(1)抽采系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整后，棗林高負(fù)壓預(yù)抽瓦斯?jié)舛葟?3%提升至32%，劉家堰高負(fù)壓預(yù)抽瓦斯?jié)舛葟?2%提升至45.2%，系統(tǒng)內(nèi)的混合氣體瓦斯?jié)舛让黠@高于瓦斯爆炸濃度上限，提升了瓦斯管路的安全系數(shù)。

(2)拆除并重復(fù)利用DN800瓦斯管路3100m、DN400瓦斯管路1267m、DN300瓦斯管路2478m，節(jié)省瓦斯管材費用1600萬元，通過拆除管路端口盲板，形成管路通風(fēng)，增加了巷道通風(fēng)斷面，減少巷道通風(fēng)阻力。

(3)經(jīng)過鉆孔施工設(shè)計對比，上行試驗孔抽放效果要略優(yōu)于下行試驗孔，影響區(qū)域更大，適用于保德礦瓦斯預(yù)抽工作，對下一步鉆孔布置及瓦斯治理有顯著的指導(dǎo)意義。