孟凡瑞 齊曉明 邵繼榮

（淄博水環(huán)真空泵廠有限公司，山東 淄博 255200）

1 礦井概況

山東趙官煤礦礦井生產(chǎn)能力為0.9Mt/a，服務(wù)年限為42.8a。經(jīng)計(jì)算開(kāi)采前期相對(duì)瓦斯涌出量為12.92m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為21.72m3/min，基于此，可以確定該礦井為高瓦斯礦井。因此需要對(duì)該礦井的瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與相關(guān)設(shè)備的選型，以保證采礦安全。

2 瓦斯抽采難易分析

目前，決定煤礦瓦斯抽采難易程度主要因素有兩個(gè)：一個(gè)是鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，另一個(gè)是煤層的透氣性系數(shù)。煤礦瓦斯抽采難易級(jí)別對(duì)應(yīng)兩個(gè)因素范圍如表1所示。

經(jīng)礦井實(shí)地測(cè)驗(yàn)，在開(kāi)采區(qū)，趙官煤礦煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)范圍在0.049d-1至0.76d-1之間，透氣性系數(shù)范圍在0.0172m2/MPa2.d至0.541m2/MPa2.d之間。經(jīng)過(guò)與表1對(duì)比，趙官煤礦瓦斯抽放難度在可抽放與難抽放之間?？紤]到該礦井瓦斯含量高，所以針對(duì)該礦井情況，有必要設(shè)計(jì)一套有效的瓦斯抽采系統(tǒng)來(lái)抽放瓦斯，以實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)。

表1 煤礦瓦斯抽采難易范圍表

3 瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 瓦斯管路敷設(shè)路線

在考慮該煤礦實(shí)際情況下，根據(jù)瓦斯抽采管路敷設(shè)原則，將管網(wǎng)敷設(shè)路線設(shè)計(jì)為：工作面鉆孔→工作面回風(fēng)巷→采區(qū)回風(fēng)上下山→東、西翼回風(fēng)大巷→地面抽放瓦斯孔→地面瓦斯管路→瓦斯抽放泵站→低濃瓦斯發(fā)電站。

3.2 抽采瓦斯管徑選擇

瓦斯管徑的大小直接影響著抽采效果，除此之外，還對(duì)建設(shè)成本有一定的影響。直徑過(guò)大造成建設(shè)成本高，直徑過(guò)小造成管道阻力大。在考慮后期改造以及抽采余量留取等因素基礎(chǔ)上，計(jì)算出管徑大小。各管徑計(jì)算如式（1）。

式中：

D-抽采管內(nèi)徑，m；

Q-抽采管瓦斯流量，m3/min；

V-抽采管內(nèi)瓦斯平均流速，m/s。

該煤礦最大瓦斯抽采量為11.58m3/min。管徑計(jì)算選擇結(jié)果如表2所示。

表2 各管徑計(jì)算選擇

表2中，主管指瓦斯抽放泵站內(nèi)、地面上的管路，采區(qū)專(zhuān)用回風(fēng)巷內(nèi)及其上（下）山的管路稱(chēng)為干管，支管1為高位鉆孔抽采管路和預(yù)抽瓦斯管路，支管2為老空區(qū)瓦斯管路?？紤]到礦井抽采瓦斯規(guī)模的擴(kuò)大及不可預(yù)見(jiàn)因素，管路留有一定余量，所以實(shí)際選取的管徑規(guī)格相對(duì)于計(jì)算出的管徑要稍大。

3.3 管路阻力計(jì)算

管路阻力計(jì)算主要包括以下兩點(diǎn)：一是摩擦阻力，二是局部阻力。摩擦阻力的計(jì)算如式（2）所示。

式中：

H-摩擦阻力，Pa；

Δ-管路內(nèi)壁當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，mm；

d-管路內(nèi)徑，mm；

v0-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；

Q0-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯流量，m3/h；

L-管路長(zhǎng)度，m；

ρ-管路內(nèi)瓦斯密度，kg/m3；

P0-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；

P-管路內(nèi)氣體絕對(duì)壓力，Pa；

T0-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下絕對(duì)溫度，K。

在計(jì)算管路阻力前，應(yīng)先選取管網(wǎng)路徑，按最長(zhǎng)線路原則和抽采最困難時(shí)期情況來(lái)計(jì)算管道阻力。趙官煤礦管網(wǎng)路徑如下：瓦斯泵站和地面管路（150m）→地面鉆孔管路（392m）→-415m東翼回風(fēng)大巷（50m）→中一延深采區(qū)回風(fēng)上山（600m）→-600m回風(fēng)斜井（1450m）→中一延深采區(qū)下部回風(fēng)大巷（2300m）→回采工作面回風(fēng)巷（1500m)。管路阻力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 管路阻力計(jì)算結(jié)果

4 瓦斯抽采泵選型

4.1 參數(shù)計(jì)算

4.1.1 瓦斯抽采泵流量計(jì)算

瓦斯抽采泵額定流量計(jì)算如式（3）所示：

式中：

Q泵-抽采泵額定流量，m3/min；

QZ-礦井瓦斯總量，11.58m3/min；

X-礦井瓦斯?jié)舛龋?%；

k-備用系數(shù)，1.2；

實(shí)現(xiàn)車(chē)輛登記、強(qiáng)制性安全檢測(cè)、尾氣排放維修治理、道路抽檢、交通管理的數(shù)據(jù)交互共享；確保檢測(cè)與維護(hù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確上傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)超標(biāo)車(chē)輛的全面覆蓋、動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)監(jiān)管，確保形成“檢測(cè)—維修治理—復(fù)檢”的閉環(huán)管理。

η-水環(huán)真空泵的抽采效率，0.8。

由公式（3）計(jì)算得出，瓦斯抽采泵額定流量為193m3/min。

4.1.2 瓦斯抽采泵抽采壓力計(jì)算

如公式（4）所示，水環(huán)真空泵抽采壓力計(jì)算公式為：

H泵=（H入+H出）×K

式中：

H泵-泵的抽采壓力，Pa；

H入-井下管路阻力損失，Pa；

H出-井上管路阻力損失，Pa；

K-壓力備用系數(shù)；

H總-井上、下管路最大總阻力損失，Pa；

h出正-瓦斯出口所需正壓，取5000Pa；

h鉆負(fù)-井下抽采鉆場(chǎng)或鉆孔必須造成的負(fù)壓，取13000Pa；

經(jīng)計(jì)算瓦斯抽采水環(huán)真空泵的最大負(fù)壓為：

H泵=（30790+13000+5000）×1.2=58548Pa。

4.1.3 瓦斯抽采泵流量換算

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下與工況狀態(tài)下抽采泵流量換算公式如式（5）所示：

式中：

Qg-工況狀態(tài)抽采泵流量，m3/min；

Qb-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)抽采泵流量，Qb=Q泵=193m3/min。

P0-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；

P-抽采泵入口絕對(duì)壓力，P=42777Pa；

Tb-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度，Tb=273+20=293；

T-瓦斯絕對(duì)溫度，K。

由公式（5）算得工況狀態(tài)下流量為451m3/min。

4.2 瓦斯抽采泵選型

根據(jù)計(jì)算，該煤礦需要的瓦斯抽采泵按入口絕壓至少為42777Pa，流量應(yīng)在451m3/min以上，根據(jù)水環(huán)真空泵性能參數(shù)，最終選用2BEC72型水環(huán)真空泵。2BEC72型水環(huán)真空泵性能參數(shù)如表4所示。

表4 水環(huán)真空泵性能參數(shù)表

5 泵站選址及附屬設(shè)備選型

依據(jù)泵站選址原則并利用現(xiàn)有設(shè)施，選擇將地面抽采泵站建在風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)東北角的原瓦斯抽采泵站院內(nèi)，泵站室內(nèi)標(biāo)高應(yīng)當(dāng)高于該區(qū)域歷史最高洪水位0.3m。泵站由真空泵間、配電間、管道間、值班室和水泵間組成。真空泵間應(yīng)安裝兩臺(tái)2BEC72型水環(huán)真空泵，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。除此之外，還應(yīng)該給水環(huán)真空泵配置防爆電機(jī)、減速器、氣水分離器等。配置好抽放管路后，還應(yīng)選取配合管道使用的閥門(mén)、循環(huán)管等。水環(huán)真空泵工作液循環(huán)系統(tǒng)中，除要安裝供排水管路外，還應(yīng)設(shè)置有兩臺(tái)水泵和配套的軟化水裝置，考慮到設(shè)備故障，都應(yīng)設(shè)置備用水泵和軟化水裝置。泵站周?chē)植挤趴展芗伴y門(mén)、避雷針和高位水池上的冷卻真空泵循環(huán)水的冷卻塔。

在瓦斯抽采泵站的管路系統(tǒng)上，除了要安裝必要的檢測(cè)裝置，如測(cè)壓嘴、流量計(jì)等，還要在瓦斯泵站的進(jìn)、出氣端的管道設(shè)置ZYBG礦用管道自動(dòng)噴粉抑爆裝置與ZGZS500礦用水封阻火泄爆裝置，分別如圖1、圖2所示。

圖1 ZYBG型礦用管道自動(dòng)噴粉抑爆裝置

圖2 ZGZS500礦用水封阻火泄爆裝置

ZYBG礦用管道自動(dòng)噴粉抑爆裝置與ZGZS500礦用水封阻火泄爆裝置使得煤礦瓦斯的抽放防爆控制更加智能化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

泵站的出氣端設(shè)置集氣罐和設(shè)瓦斯利用接口，連接瓦斯發(fā)電機(jī)組，以達(dá)到瓦斯氣體收集和再利用的目的。

6 結(jié)論

本文根據(jù)山東趙官煤礦煤層特殊狀況，根據(jù)實(shí)際情況，計(jì)算了管徑大小和管網(wǎng)阻力，選取了瓦斯抽采泵型號(hào)，選擇了合適的泵站地址及其附屬設(shè)備，設(shè)計(jì)出安全有效的瓦斯抽采系統(tǒng)。實(shí)踐表明：該抽采系統(tǒng)工作可靠，能有效地抽放出礦井里的瓦斯。經(jīng)測(cè)量，該抽采系統(tǒng)能有效地控制工作面、采空區(qū)等場(chǎng)所的瓦斯?jié)舛?，保證了安全生產(chǎn)。除此之外，該抽采系統(tǒng)抽出的瓦斯氣體用于發(fā)電機(jī)組發(fā)電，既保護(hù)了環(huán)境，又節(jié)約了能源。