晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大通煤業(yè)瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計

楊艷偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大峪煤業(yè)，山西 晉城 048400）

引言

大通煤業(yè)位于山西省高平市陳區(qū)鎮(zhèn)，隸屬于晉能控股煤業(yè)集團(tuán)。礦井批準(zhǔn)開采3號～15號煤，設(shè)計生產(chǎn)能力為1.2 Mt/年，為高瓦斯礦井。2017年7月，由煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司完成了大通煤業(yè)3號煤瓦斯井下抽采工程設(shè)計工作，礦井設(shè)計抽采規(guī)模為4.54 m3/min。大通煤業(yè)3號煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.049 d-1、透氣性系數(shù)為1.014 9 m2/（MPa2·d）、平均百米鉆孔抽放量為0.0551m3/min，視密度為1.44t/m3。

1 瓦斯抽采的必要性

根據(jù)2010年10月河南理工大學(xué)編制的3號煤層礦井瓦斯涌出量預(yù)測報告，本著礦井涌出量最大時期，取預(yù)測最大原則，得出：本礦在開采3號煤層時，礦井最大相對瓦斯涌出量為7.17 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量18.11 m3/min；回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為6.19 m3/min，單個掘進(jìn)工作面最大絕對瓦斯涌出量為1.89 m3/min。依據(jù)煤礦安全規(guī)程（2016版）、《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》安監(jiān)總煤裝〔2011〕163號規(guī)定及安監(jiān)總煤裝〔2011〕162號《煤礦瓦斯等級鑒定暫行辦法》第九條[1-2]，礦井為高瓦斯礦井，應(yīng)建立瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采。大通煤業(yè)回采工作面采用U型通風(fēng)，而U型通風(fēng)易形成采空區(qū)瓦斯在通風(fēng)負(fù)壓作用下造成上隅角和回風(fēng)巷道的瓦斯超限，為了回采工作面的安全生產(chǎn)，有必要建立瓦斯抽采系統(tǒng)。

2 瓦斯抽采的可行性分析

開采層瓦斯抽采的可行性是指在原始透氣性條件下進(jìn)行預(yù)抽的可能性，一般來說以煤層的透氣性系數(shù)和鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)來判定，大通煤業(yè)3號煤透氣性系數(shù)為1.014 9 m2/（MPa2·d），由于瓦斯含量和透氣性系數(shù)較高，需進(jìn)行瓦斯抽采工作。

3 瓦斯抽采管路設(shè)計

3.1 管路敷設(shè)路線

大通煤業(yè)瓦斯抽采泵站建立在回風(fēng)立井工業(yè)廣場內(nèi)，抽采管路通過回風(fēng)立井敷設(shè)至井下各巷道、采掘工作面和采空區(qū)。抽采管路敷設(shè)路線：采空區(qū)、回采巷道、預(yù)抽巷道→回風(fēng)大巷→回風(fēng)立井→地面管路→瓦斯抽放泵站。

3.2 管徑選擇

根據(jù)《大通煤業(yè)3號煤瓦斯抽采初步設(shè)計》中抽采管徑的計算，主管路管徑為426 mm，干管管路管徑為426 mm，支管、鄰近煤層抽采支管、已采采區(qū)支管、準(zhǔn)備回采預(yù)抽支管和回采工作面預(yù)抽支管管徑為325 mm，管路材質(zhì)均為螺旋焊接鋼管[3]。

4 管網(wǎng)阻力計算

瓦斯抽采管路阻力包括摩擦阻力和局部阻力。計算管網(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期的管網(wǎng)系統(tǒng)計算。根據(jù)大通煤業(yè)巷道布置情況，抽采最困難時期系統(tǒng)主管路長1 500 m，干管路長700 m左右，支管路長500 m左右。

4.1 摩擦阻力

式中：H為阻力損失，Pa；L為管路長度，m；Q0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的混合瓦斯流量，m3/h；d為管路內(nèi)徑，mm；v0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的混合瓦斯運動黏度，m2/s；ρ為管路內(nèi)混合瓦斯密度，kg/m3；Δ為管路內(nèi)壁的當(dāng)量絕對粗糙度，mm；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，取101 325 Pa；P為管路內(nèi)氣體的絕對壓力，Pa；T為管路中的氣體溫度為t時的絕對溫度，K；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對溫度，取290 K；t為管路中的氣體溫度，℃。

管路局部阻力可按管路摩擦阻力的10%～20%計算，取15%。

由下頁表1可知：抽采系統(tǒng)從工作面到地面抽采泵站之間管路最大總摩擦阻力H摩低為5 555 Pa。

4.2 局部阻力（H局）

抽采管網(wǎng)系統(tǒng)管件局部阻力H局按管道總摩擦力阻力的15%考慮，H局低=0.15H摩低=0.15×5 555=833.25 Pa。

表1 抽采系統(tǒng)管路摩擦阻力計算結(jié)果表

4.3 各系統(tǒng)總阻力（H總）

瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)的總阻力H總，抽采系統(tǒng)總阻力H總低=H摩低+H局低=5 555+833.25=6 388.25 Pa。

5 瓦斯抽采水環(huán)真空泵選型

5.1 參數(shù)計算

5.1.1 瓦斯泵壓力

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，再到釋放點所產(chǎn)生的全部阻力損失，計算管網(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期的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行計算。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下抽采系統(tǒng)壓力可按式（2）計算：

式中：H為抽采系統(tǒng)壓力，Pa；Hr為抽采設(shè)備入口側(cè)（負(fù)壓段）10～15年內(nèi)管路最大阻力損失，Pa；Hc為抽采設(shè)備出口側(cè)（正壓段）管路阻力損失，Pa；K為抽采系統(tǒng)壓力富余系數(shù)；hrm為入口側(cè)（負(fù)壓段）管路最大摩擦阻力，Pa；hrj為入口側(cè)（負(fù)壓段）管路局部阻力，Pa；hk為抽采管路入口負(fù)壓，Pa，抽采系統(tǒng)取6 700 Pa；hcm為出口側(cè)（正壓段）管路最大摩擦阻力，Pa；hcj為出口側(cè)（正壓段）管路局部阻力，取500 Pa；hz為出口側(cè)（正壓段）的出口正壓，取5 000 Pa。

瓦斯抽采泵壓力計算結(jié)果見表2。

5.1.2 抽采泵工況壓力

表2 瓦斯抽采泵壓力計算表

式中：Pg為抽采泵工況壓力，Pa；Pd為抽采泵站的大氣壓力，取92 018 Pa。

抽采泵工況壓力計算見表3。抽采泵工況壓力取70 kPa。

表3 抽采泵工況壓力計算表

5.2 水環(huán)真空泵選型

根據(jù)《大通煤業(yè)3號瓦斯抽采初步設(shè)計》中選用2BEC62型水環(huán)式真空泵對井下進(jìn)行抽采作業(yè)，其中一臺工作、一臺備用及檢修，選用的水杯式真空泵完全能夠滿足礦井瓦斯抽采需求。

6 結(jié)語

根據(jù)大通煤業(yè)3號煤瓦斯地質(zhì)各類參數(shù)設(shè)計的瓦斯抽采系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計科學(xué)合理，能夠有效地防范采掘工作面的瓦斯，為井下采掘工作的瓦斯防治提供了可靠的科學(xué)保障。合理可靠的抽采設(shè)計不僅實現(xiàn)了抽采達(dá)標(biāo)，還保證了礦井的高產(chǎn)高效。