瓦斯抽采系统设计及配套设施选型

孟凡瑞 齐晓明 邵继荣

（淄博水环真空泵厂有限公司，山东 淄博 255200）

1 矿井概况

山东赵官煤矿矿井生产能力为0.9Mt/a，服务年限为42.8a。经计算开采前期相对瓦斯涌出量为12.92m3/t，绝对瓦斯涌出量为21.72m3/min，基于此，可以确定该矿井为高瓦斯矿井。因此需要对该矿井的瓦斯抽采系统进行合理的设计与相关设备的选型，以保证采矿安全。

2 瓦斯抽采难易分析

目前，决定煤矿瓦斯抽采难易程度主要因素有两个：一个是钻孔瓦斯流量衰减系数，另一个是煤层的透气性系数。煤矿瓦斯抽采难易级别对应两个因素范围如表1所示。

经矿井实地测验，在开采区，赵官煤矿煤层钻孔瓦斯流量衰减系数范围在0.049d-1至0.76d-1之间，透气性系数范围在0.0172m2/MPa2.d至0.541m2/MPa2.d之间。经过与表1对比，赵官煤矿瓦斯抽放难度在可抽放与难抽放之间。考虑到该矿井瓦斯含量高，所以针对该矿井情况，有必要设计一套有效的瓦斯抽采系统来抽放瓦斯，以实现矿井安全生产。

表1 煤矿瓦斯抽采难易范围表

3 瓦斯抽采系统设计计算

3.1 瓦斯管路敷设路线

在考虑该煤矿实际情况下，根据瓦斯抽采管路敷设原则，将管网敷设路线设计为：工作面钻孔→工作面回风巷→采区回风上下山→东、西翼回风大巷→地面抽放瓦斯孔→地面瓦斯管路→瓦斯抽放泵站→低浓瓦斯发电站。

3.2 抽采瓦斯管径选择

瓦斯管径的大小直接影响着抽采效果，除此之外，还对建设成本有一定的影响。直径过大造成建设成本高，直径过小造成管道阻力大。在考虑后期改造以及抽采余量留取等因素基础上，计算出管径大小。各管径计算如式（1）。

式中：

D-抽采管内径，m；

Q-抽采管瓦斯流量，m3/min；

V-抽采管内瓦斯平均流速，m/s。

该煤矿最大瓦斯抽采量为11.58m3/min。管径计算选择结果如表2所示。

表2 各管径计算选择

表2中，主管指瓦斯抽放泵站内、地面上的管路，采区专用回风巷内及其上（下）山的管路称为干管，支管1为高位钻孔抽采管路和预抽瓦斯管路，支管2为老空区瓦斯管路。考虑到矿井抽采瓦斯规模的扩大及不可预见因素，管路留有一定余量，所以实际选取的管径规格相对于计算出的管径要稍大。

3.3 管路阻力计算

管路阻力计算主要包括以下两点：一是摩擦阻力，二是局部阻力。摩擦阻力的计算如式（2）所示。

式中：

H-摩擦阻力，Pa；

Δ-管路内壁当量绝对粗糙度，mm；

d-管路内径，mm；

v0-标准状态下瓦斯运动粘度，m2/s；

Q0-标准状态下瓦斯流量，m3/h；

L-管路长度，m；

ρ-管路内瓦斯密度，kg/m3；

P0-标准大气压，Pa；

P-管路内气体绝对压力，Pa；

T0-标准状态下绝对温度，K。

在计算管路阻力前，应先选取管网路径，按最长线路原则和抽采最困难时期情况来计算管道阻力。赵官煤矿管网路径如下：瓦斯泵站和地面管路（150m）→地面钻孔管路（392m）→-415m东翼回风大巷（50m）→中一延深采区回风上山（600m）→-600m回风斜井（1450m）→中一延深采区下部回风大巷（2300m）→回采工作面回风巷（1500m)。管路阻力计算结果如表3所示。

表3 管路阻力计算结果

4 瓦斯抽采泵选型

4.1 参数计算

4.1.1 瓦斯抽采泵流量计算

瓦斯抽采泵额定流量计算如式（3）所示：

式中：

Q泵-抽采泵额定流量，m3/min；

QZ-矿井瓦斯总量，11.58m3/min；

X-矿井瓦斯浓度，9%；

k-备用系数，1.2；

实现车辆登记、强制性安全检测、尾气排放维修治理、道路抽检、交通管理的数据交互共享；确保检测与维护数据实时、准确上传，实现对超标车辆的全面覆盖、动态精准监管，确保形成“检测—维修治理—复检”的闭环管理。

η-水环真空泵的抽采效率，0.8。

由公式（3）计算得出，瓦斯抽采泵额定流量为193m3/min。

4.1.2 瓦斯抽采泵抽采压力计算

如公式（4）所示，水环真空泵抽采压力计算公式为：

H泵=（H入+H出）×K

式中：

H泵-泵的抽采压力，Pa；

H入-井下管路阻力损失，Pa；

H出-井上管路阻力损失，Pa；

K-压力备用系数；

H总-井上、下管路最大总阻力损失，Pa；

h出正-瓦斯出口所需正压，取5000Pa；

h钻负-井下抽采钻场或钻孔必须造成的负压，取13000Pa；

经计算瓦斯抽采水环真空泵的最大负压为：

H泵=（30790+13000+5000）×1.2=58548Pa。

4.1.3 瓦斯抽采泵流量换算

标准状态下与工况状态下抽采泵流量换算公式如式（5）所示：

式中：

Qg-工况状态抽采泵流量，m³/min；

Qb-标准状态抽采泵流量，Qb=Q泵=193m³/min。

P0-标准大气压，Pa；

P-抽采泵入口绝对压力，P=42777Pa；

Tb-标准状态下的绝对温度，Tb=273+20=293；

T-瓦斯绝对温度，K。

由公式（5）算得工况状态下流量为451m³/min。

4.2 瓦斯抽采泵选型

根据计算，该煤矿需要的瓦斯抽采泵按入口绝压至少为42777Pa，流量应在451m3/min以上，根据水环真空泵性能参数，最终选用2BEC72型水环真空泵。2BEC72型水环真空泵性能参数如表4所示。

表4 水环真空泵性能参数表

5 泵站选址及附属设备选型

依据泵站选址原则并利用现有设施，选择将地面抽采泵站建在风井工业广场东北角的原瓦斯抽采泵站院内，泵站室内标高应当高于该区域历史最高洪水位0.3m。泵站由真空泵间、配电间、管道间、值班室和水泵间组成。真空泵间应安装两台2BEC72型水环真空泵，1台工作，1台备用。除此之外，还应该给水环真空泵配置防爆电机、减速器、气水分离器等。配置好抽放管路后，还应选取配合管道使用的阀门、循环管等。水环真空泵工作液循环系统中，除要安装供排水管路外，还应设置有两台水泵和配套的软化水装置，考虑到设备故障，都应设置备用水泵和软化水装置。泵站周围分布放空管及阀门、避雷针和高位水池上的冷却真空泵循环水的冷却塔。

在瓦斯抽采泵站的管路系统上，除了要安装必要的检测装置，如测压嘴、流量计等，还要在瓦斯泵站的进、出气端的管道设置ZYBG矿用管道自动喷粉抑爆装置与ZGZS500矿用水封阻火泄爆装置，分别如图1、图2所示。

图1 ZYBG型矿用管道自动喷粉抑爆装置

图2 ZGZS500矿用水封阻火泄爆装置

ZYBG矿用管道自动喷粉抑爆装置与ZGZS500矿用水封阻火泄爆装置使得煤矿瓦斯的抽放防爆控制更加智能化，实现自动控制。

泵站的出气端设置集气罐和设瓦斯利用接口，连接瓦斯发电机组，以达到瓦斯气体收集和再利用的目的。

6 结论

本文根据山东赵官煤矿煤层特殊状况，根据实际情况，计算了管径大小和管网阻力，选取了瓦斯抽采泵型号，选择了合适的泵站地址及其附属设备，设计出安全有效的瓦斯抽采系统。实践表明：该抽采系统工作可靠，能有效地抽放出矿井里的瓦斯。经测量，该抽采系统能有效地控制工作面、采空区等场所的瓦斯浓度，保证了安全生产。除此之外，该抽采系统抽出的瓦斯气体用于发电机组发电，既保护了环境，又节约了能源。