毛加寧，阮 錦，劉 昕，王紹留

(1.云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 曲靖 655001； 2.云南東源鎮(zhèn)雄煤業(yè)有限公司，云南 昭通 657200；3.云南省能源安全監(jiān)測中心，云南 昆明 650041)

0 引 言

大部分高瓦斯礦井隨著開采深度的增加，瓦斯含量、瓦斯壓力逐漸增大，研究者需要對現(xiàn)有抽采技術(shù)進(jìn)行評價以及針對性的系統(tǒng)優(yōu)化[1—10]。

筆者對礦井常規(guī)瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行評價，提出基于壓力梯度法檢測管路泄漏的理論分析方法，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法驗證壓力梯度法的可行性，通過現(xiàn)場驗證該方法的準(zhǔn)確性與高效性，并采取有效措施進(jìn)行維修與維護(hù)，提高礦井瓦斯抽采系統(tǒng)抽采效率，該方法對礦井安全與高效生產(chǎn)具有重要的參考意義。

1 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)現(xiàn)狀

長嶺煤礦為高瓦斯礦井，瓦斯已經(jīng)成為危害礦井安全，制約煤礦高效生產(chǎn)的主要因素。

該礦建設(shè)了礦井瓦斯抽采系統(tǒng)，地面建有瓦斯抽采泵站，高、低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)2套。高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)瓦斯抽放泵為2臺高負(fù)壓SKA(2BE3)520型瓦斯抽放泵，低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)瓦斯抽放泵為2臺低負(fù)壓2BEC52型瓦斯抽放泵。

目前主要對C5b煤層進(jìn)行瓦斯抽采，礦井瓦斯抽采率達(dá)40%以上，基本實現(xiàn)了抽采目標(biāo)。

高、低負(fù)壓瓦斯抽采主管經(jīng)由地面瓦斯抽采泵站、地面工業(yè)廣場、回風(fēng)斜井進(jìn)入回風(fēng)大巷；分管、支管由回風(fēng)大巷、采區(qū)回風(fēng)上山、采煤工作面回風(fēng)巷、運輸巷分別進(jìn)入工作面回風(fēng)巷、軌道巷、運輸巷掘進(jìn)工作面。長嶺煤礦礦井瓦斯抽采系統(tǒng)管路詳見圖1。

圖1 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)管路示意圖

1.1 高負(fù)壓抽采系統(tǒng)

地面工業(yè)廣場、回風(fēng)斜井高負(fù)壓瓦斯抽放主管為Φ377 mm×6 mm 螺旋鋼管；101采區(qū)回風(fēng)大巷、101采區(qū)回風(fēng)上山高負(fù)壓瓦斯抽放主管為Φ400 mm×14.4 mm PE 瓦斯抽放管；工作面高負(fù)壓抽放支管為Φ280 mm×10.1 mm PVC 瓦斯抽放管；支管與匯流放水器之間采用Φ110 PVC抽放軟管連接；匯流放水器與抽放鉆孔之間采用Φ40 PVC抽放軟管連接。

高負(fù)壓抽采系統(tǒng)為：

1)152106回風(fēng)巷(152105軌道巷)→152105機(jī)巷→101采區(qū)回風(fēng)上山→101采區(qū)回風(fēng)大巷→回風(fēng)斜井→地面瓦斯抽放泵站→放空(或利用)。

2)152106運輸巷→101采區(qū)回風(fēng)上山→101采區(qū)回風(fēng)大巷→回風(fēng)斜井→地面瓦斯抽放泵站→放空(或利用)。

1.2 低負(fù)壓抽采系統(tǒng)

地面工業(yè)廣場低負(fù)壓瓦斯抽放主管為Φ529 mm×10 mm 螺旋鋼管；回風(fēng)斜井、101采區(qū)回風(fēng)大巷、101采區(qū)回風(fēng)上山低負(fù)壓瓦斯抽放主管為Φ450 mm×20.4 mmPE 瓦斯抽放管；工作面低負(fù)壓抽放支管為Φ280 mm×10.1 mm PVC 瓦斯抽放管。

低負(fù)壓抽采系統(tǒng)為：

152106回風(fēng)巷(152105軌道巷)→101采區(qū)回風(fēng)上山→101采區(qū)回風(fēng)大巷→回風(fēng)斜井→地面瓦斯抽放泵站→放空(或利用)。

2 礦井瓦斯抽采效率評估

2.1 抽采泵標(biāo)況壓力

瓦斯泵壓力，必須能克服抽采管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力損失和保證鉆孔有足夠的負(fù)壓，以及能滿足泵出口正壓之需求。瓦斯泵壓力按式(1)計算：

H泵=K×(Hzk+Hrm+Hrj+Hc)

(1)

式(1)中：H泵為瓦斯抽采泵所需壓力，Pa；K為壓力備用系數(shù)，K=1.20；Hzk為抽采鉆孔所需負(fù)壓，Pa，高負(fù)壓抽采鉆孔取 20 kPa，抽采采空區(qū)負(fù)壓取 10 kPa；Hrm為井下管網(wǎng)的最大摩擦阻力，Pa；Hrj為井下管網(wǎng)的最大局部阻力，Pa；Hc為瓦斯泵出口正壓，Pa，不考慮瓦斯抽采利用的需要，取 3 800 Pa。

高負(fù)壓瓦斯抽采管路總阻力為 8 335 Pa，低負(fù)壓瓦斯抽采管路總阻力為 8 932 Pa。結(jié)合礦井實際抽采情況，確定井下抽采鉆孔的孔口負(fù)壓，高負(fù)壓取 20 kPa，低負(fù)壓取 10 kPa。

2.2 抽采泵工況壓力

Pg=Pd-H

(2)

式(2)中：Pg為抽采泵工況壓力，kPa；Pd為抽采泵站的大氣壓力，kPa，實測Pd=82 019 Pa。

2.3 抽采泵實際工況流量

(3)

式(3)中：Qg為工況狀態(tài)下的抽采泵流量，m3/min；Qb為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的抽采泵的計算流量，m3/min；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，kPa；Pg為抽采泵入口絕對壓力，kPa；T為瓦斯泵入口瓦斯的絕對溫度(T=273+t)，K；T0為按瓦斯抽采行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)絕對溫度(T0=273+20)，K；t為瓦斯泵入口瓦斯的溫度，℃。

2.4 抽采泵額定工況流量

長嶺煤礦高負(fù)壓SKA(2BE3)520型瓦斯抽采泵、低負(fù)壓2BEC52型瓦斯抽采泵的工況曲線詳見圖2、3。抽采泵實際抽采工況負(fù)壓下對應(yīng)的額定抽采流量詳見表1。

長嶺煤礦高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)實際抽采工況流量為 112.18 m3/min，低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)實際抽采工況流量為 175.66 m3/min，根據(jù)真空泵工況曲線可知，高低負(fù)壓抽采泵實際抽采工況負(fù)壓下對應(yīng)的額定抽采量為 233 m3/min、225 m3/min，計算可得目前高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)效率值為48%，低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)效率值為78%。

圖2 高負(fù)壓SKA(2BE3)520真空泵工作性能曲線

圖3 低負(fù)壓2BEC52真空泵工作性能曲線

表1 抽采泵的流量計算

3 瓦斯抽采管路漏風(fēng)測試

3.1 壓力梯度法泄漏檢測原理

圖4 壓力梯度法示意

負(fù)壓法主要通過分析所檢測管道首末兩端的負(fù)壓變化來判斷管道是否發(fā)生泄漏。當(dāng)管道處于穩(wěn)定流動條件下，可以近似地認(rèn)為管內(nèi)的壓力沿管道呈線性變化趨勢；當(dāng)管道發(fā)生泄漏并再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，管道內(nèi)的壓力分布呈現(xiàn)折線變化形式，詳見圖4。

由于負(fù)壓管道發(fā)生泄漏時外界氣體瞬間流入管道，使得漏點位置壓力急劇上升，當(dāng)漏點前后的壓力梯度不一致且圖像出現(xiàn)明顯的彎折現(xiàn)象時，可以認(rèn)為管道發(fā)生泄漏。

3.2 按泄漏檢測要求對抽采管路分段

根據(jù)漏風(fēng)條件下的管道軸線壓力分布規(guī)律和抽采管路敷設(shè)連接實際情況，現(xiàn)場對抽采管網(wǎng)進(jìn)行分析排查，對高低負(fù)壓抽采系統(tǒng)主、支管路進(jìn)行測點布置和分段，整套管路共設(shè)置6個測點，測點1在地面井口處，測點2在02小眼處，測點3在04小眼處，測點4在 152 105 回風(fēng)巷低負(fù)壓支管距巷道口 85 m 處，測點5在 152 106 回風(fēng)巷高負(fù)壓支管距巷道口 85 m 處，測點6在152 106機(jī)巷高負(fù)壓支管距巷道口 85 m 處。測點詳細(xì)位置詳見圖5。

圖5 瓦斯抽采管路撿漏測點位置示意

根據(jù)測點位置，抽采管路分段情況如下：高負(fù)壓路段G1-2為1號測點與2號測點之間管路；路段二G2-3為2號測點與3號測點之間管路；路段三G3-5為3號測點與5號測點之間管路；路段四G3-6為3號測點與6號測點之間管路。低負(fù)壓路段D1-2為1號測點與2號測點之間管路；路段二D2-3為2號測點與3號測點之間管路；路段三D3-4為3號測點與4號測點之間管路。

3.3 泄漏檢測結(jié)果分析

負(fù)壓法檢漏過程中，假設(shè)抽采管路全程基本無堵塞情況，整個抽采管路從起始端到末尾端存在管路阻力，因此管路的不同部位能夠為抽采鉆孔提供的負(fù)壓是不同的，當(dāng)末尾端負(fù)壓與管路阻力之和等于起始端的負(fù)壓時，可以確定該管路不泄漏。

抽采管路末端負(fù)壓計算公式如下：

H末=H首-H阻

(4)

式(4)中：H末為抽采支管末端壓力，kPa；H首為抽采支管首端壓力，kPa；H阻為抽采支管總阻力，kPa。

瓦斯抽采系統(tǒng)各段管路阻力如表2、3所示；對高低負(fù)壓抽采管路負(fù)壓進(jìn)行測量，結(jié)果如表4所示。

表2 高負(fù)壓抽采系統(tǒng)各段管路阻力

表3 低負(fù)壓抽采系統(tǒng)各段管路阻力

表4 抽采系統(tǒng)各段管路負(fù)壓分析

通過對礦井瓦斯抽采系統(tǒng)各路段抽采管路進(jìn)行負(fù)壓檢測可以確定，目前抽采系統(tǒng)的整體漏風(fēng)情況為：高負(fù)壓管路G2-3、G3-5及低負(fù)壓管路D1-2、D3-4氣密性較好，高負(fù)壓管路G3-6及低負(fù)壓管路D2-3可能存在漏氣現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場排查，高負(fù)壓抽采管路G3-6存在積水堵塞現(xiàn)象，低負(fù)壓抽采管路D2-3管路存在漏氣現(xiàn)象。2趟管路存在的漏氣情況均會不同程度地影響瓦斯抽采效果，應(yīng)及時對漏氣處進(jìn)行維修與維護(hù)。

4 結(jié) 論

對長嶺一號煤礦C5b煤層瓦斯抽采泵效率的評估表明：目前高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)效率值為48%，低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)效率值為78%；低負(fù)壓瓦斯抽采泵運行效率尚可，但高負(fù)壓瓦斯抽采泵運行效率較低，需要進(jìn)行檢修與維護(hù)。對瓦斯抽采管路進(jìn)行漏風(fēng)檢測表明：高負(fù)壓管路G3-6及低負(fù)壓管路D2-3存在漏氣現(xiàn)象；經(jīng)現(xiàn)場排查，高負(fù)壓抽采管路G3-6存在積水堵塞現(xiàn)象，低負(fù)壓抽采管路D2-3管路存在漏氣現(xiàn)象。現(xiàn)場及時對泄漏處進(jìn)行了維修，對管路積水進(jìn)行了疏導(dǎo)排泄，有效提高了礦井瓦斯抽采效率，對礦井安全與高效生產(chǎn)具有重要參考意義。