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文章编号1008-3731（2020）06-0102-05 Design and application of gas drainage system in south airshaft of Yuwu Coal Mine WANG Yong-xiang （Yuwu Coal Industry Co., Ltd. , Shanxi Luan Group，Changzhi，Shanxi,046100） AbstractAccording to the gas geological conditions of Yuwu Coal Mine, the feasibility of gas drainage was ana- lyzed, and the gas drainage system in the south air shaft area of Yuwu Coal Mine was designed. The main con- tents include the design of gas drainage pipeline, the selection of water ring vacuum pump and the selection of auxiliary equipment. The practice showed that the gas drainage system is reasonable and scientific and can meet the needs of gas drainage on site. Key wordsYuwu Coal Mine; gas drainage system;design CLC number TD711Document identification codeB 余吾煤矿南风井区瓦斯抽采系统设计与应用 王永祥 （山西潞安集团 余吾煤业有限责任公司,山西 长治046100） 摘要根据余吾煤矿的瓦斯地质条件，分析了瓦斯抽采的可行性，设计出该矿南风井区瓦斯抽 采系统，主要包括瓦斯抽采管路设计、瓦斯抽采水环真空泵选型及附属设备选择等。实践证明，该 瓦斯抽采系统合理科学，能够满足现场瓦斯抽采的需要。 关键词余吾煤矿；瓦斯抽采系统；设计；应用 中图分类号TD711文献标志码B 余吾煤矿位于山西省屯留、襄垣县境内，隶属 于潞安矿业（集团）公司。 矿井开采3煤，设计生产 能力6. 0 Mt/a，现核定生产能力7. 5 Mt/a，为高瓦斯 矿井。 矿井分为中央风井区、南风井区两个井区，其 中南风井区包括南三、南五、南六3个采区，面积 46. 55 km2。 初期南风井区布置1个工作面生产，设 计生产能力3. 0 Mt/a（中央风井区布置1个工作面， 矿井总生产能力达到7. 5 Mt/a）。后期南风井区布置 2个工作面生产，生产能力达到7. 5 Mt/a（中央风井 区已采完）。 南风井通风、抽采系统仅服务于南风井 区初期回采期间，后期在南六采区再建风井和瓦斯 抽采泵站。 2009年6月，中煤科工集团重庆研究院有限公 司完成了余吾煤业南风井3煤瓦斯井下抽采工程 设计工作， 南风井区设计瓦斯抽采规模为200 m3/ min， 其中高负压系统设计抽采规模170 m3/min，低 负压系统设计抽采规模30 m3/min。 煤层瓦斯赋存基础参数是矿井瓦斯防治和瓦 斯抽采设计的依据。 矿井3煤层钻孔瓦斯流量衰减 系数为0. 081 1 ～ 0. 252 5 d-1、透气性系数为0. 524 煤炭科技 COAL SCIENCE TECHNOLOGY MAGAZINE 2020年 第6期 No. 62020102 万方数据 表2高负压抽采瓦斯管径计算 ～ 1. 741 5 m2/MPa2d。3煤抽采2个月的平均百米 钻孔抽放量约0. 083 8 m3/minhm，预抽2 a的平均 百米钻孔抽放量约0. 013 7m3/minhm。3煤的视密 度为1. 39 t/m3，孔隙率为4. 93 ～ 6. 71。 1瓦斯抽采的可行性分析 通过能否抽出瓦斯或能否获得较好的抽采效 果来评价矿井、煤层或工作面瓦斯抽采的可行性称 为瓦斯抽采的可行性。 其中开采层瓦斯抽采的可行 性是指在原始透气性条件进行预抽的可能性。 一般 用煤层的透气性系数（λ）和钻孔瓦斯流量衰减系数 （α）来判断开采层瓦斯抽采可行性[9]。 其开采层预抽 瓦斯难易程度分类如表1所列。 表1开采层预抽瓦斯难易程度分类 矿井3煤层透气性系数为0. 524 ～1. 741 5 m2/ MPa2d。 由于余吾煤矿3煤层瓦斯含量较高，有必要进 行开采层瓦斯抽采，而且3煤的煤层透气性系数较 高，可以抽放。 2瓦斯抽采管路设计 2.1管路敷设路线 选择瓦斯抽采管路系统应根据以下原则[10] ①抽采管路应敷设在巷道曲线段少和距离最 短的线路；②尽量避开运输繁忙巷道，首选回风巷 内铺设；③考虑安装、检修方便；④如管路发生故 障，管道内的瓦斯不至于流入采掘工作面、机电硐 室等；⑤抽采管路系统中必须安装调节、 控制、检 测、防爆和防回火装置。 南风井瓦斯抽采泵站实行高负压和低负压抽 采双系统运行方案。 高负压和低负压抽采管路平行 敷设于主要回风巷道。 抽采站抽采管路系统敷设地面抽采站←回风 立井←总回风巷←回风下山←巷道 2.2管径选择 选择抽采瓦斯管径是否合理对抽采瓦斯系统 的建设投资及抽采系统效果有很大影响。 直径太 大，投资费用增加；直径过细，管路阻力损失大。 同 时考虑到瓦斯抽采水环真空泵的实际能力，管路留 有一定的备用量。 各管径一般采用下式计算 D 0. 145 7（Q/V）1/2 式中D抽采瓦斯管内径，m； Q瓦斯管中混合瓦斯流量，m3/min； V瓦斯管中混合瓦斯平均流速。 各类管路的流量应按照其使用年限或服务区 域内的最大值确定，并应有1. 2 ～ 1. 8的富裕系数， 高负压系统富裕系数取1. 4， 低负压系统考虑到稳 定性较差富裕系数取1. 8。 瓦斯抽采管路系统按2套抽采系统设计 即1 套为高负压瓦斯抽采系统， 设计规模为83 m3/min， 设计抽采浓度为35；1套为低负压瓦斯抽采系统， 设计规模为23 m3/min，设计抽采浓度为17。 抽采 瓦斯管管径的计算结果分别如表2、3所列。 抽放难易程度 指标 钻孔瓦斯流量衰减系数 α/d-1 煤层透气性系数 λ/（m2MPa-2d-1） 容易抽放 0. 003＞ 10 可以抽放0. 003 ～ 0. 0510 ～ 0. 1 较难抽放＞ 0.0 5 0. 1 管路名称 纯瓦斯流量 /（m3min-1） 瓦斯浓度 / 气体流速 /（ms-1） 流量富余系数 所需内径 /m 所选内径 /m 管材选择 /mm 敷设位置 主管8335111. 40. 800. 80D820 10地面、立井 干管8337111. 40. 780. 80D820 10大巷 支管116. 54091. 40. 370, 41D426 8巷道、预抽、边采边抽 支管224091. 40. 130. 41D426 8巷道、掘进 表3低负压抽采瓦斯管径计算 管路名称 纯瓦斯流量 /（m3min-1） 瓦斯浓度 / 气体流速 /（ms-1） 流量富余系数 所需内径 /m 所选内径 /m 管材选择 /mm 敷设位置 主管231791. 80. 760. 80D820 10地面、立井 干管232091. 80. 700. 80D820 10大巷 支管1152581. 80. 540. 61D630 10高抽巷 支管282581. 80. 390. 41D426 8老空区巷道 王永祥余吾煤矿南风井区瓦斯抽采系统设计与应用2020年第6期 103 万方数据 2.3管材选择和管径确定 设计按目前煤矿井下普遍使用的螺旋焊接钢 管给出管道规格型号。 由于掘进工作面抽采量小于 回采工作面预抽量，因此为减少井下管路安装工作 量，掘进工作面瓦斯抽采与回采工作面瓦斯抽采共 用1趟抽采管路。 （1） 高负压系统管道规格的确定 地面主管、 回风立井、 总回风大巷及回风下 （上）山主管采用1趟管路，管道规格为DN820 mm 10 mm，巷道支管管道规格为DN426 mm 8mm。 （2） 低负压系统管道规格的确定地面主管，回 风立井、总回风大巷及回风下（上）山干管采用1趟 管路，管道规格为DN820 mm 10 mm，高抽巷支管 采用1趟管路管道规格为DN630 mm 10 mm，老 采空区巷道支管管道规格为DN426 mm 8 mm。 抽采管路系统示意如图1所示。 图1南风井瓦斯抽采管路系统示意 3管网阻力计算 抽采瓦斯管路阻力由摩擦阻力和局部阻力两 部分组成。 3.1直管阻力损失计算 H 69 105△ d 192. 2 v0d Q0 0.25LρQ0 2 d5 P0T PT0 T 273 t T0 273 20 式中H阻力损失，Pa； L管路长度，m； Q0标准状态下的混合瓦斯流量，m3/h； d管路内径，mm； v0标准状态下的混合瓦斯运动粘度，m2/s； ρ管道内混合瓦斯密度，kg/m3； △管道内壁的当量绝对粗糙度，mm； P0标准大气压力，101325 Pa； P管道内气体的绝对压力，Pa； T管道中的气体温度为t时的绝对温度， K； T0标准状态下的绝对温度，K； t管路中的气体温度，℃。 抽采管路阻力损失计算应选择抽采系统服务 年限内1条最长的抽采管路进行计算。 根据抽采管 路敷设图，从南五采区井田边界工作面到地面泵站 的瓦斯管路最长，因此按该抽采管路系统计算直管 阻力损失。 抽采站高负压管路直管阻力损失计算结 果如表4所列，低负压抽采管路直管阻力损失如表 5所列。 表4高负压系统抽采管路直管阻力计算 表5低负压系统抽采管路直管阻力计算 从表4、5中可以看出，抽采站高负压管路直管 阻力损失为4 902 Pa，低负压抽采管道直管阻力损 失为2 167 Pa。 3.2管路局部阻力损失计算 管路局部阻力损失按直管阻力损失的15计 算。 则抽采站抽采系统局部阻力损失为 （1） 高负压抽采系统 H局总 H直总 0. 15 4 902 0. 15 735 Pa （2） 低负压抽采系统 H局总 H直总 0. 152 167 0. 15 325 Pa 3.3抽采站抽采系统总阻力损失计算 （1） 高负压抽采系统 H总 H直总 H局总 4 902 7 35 5 637 Pa （2） 低负压抽采系统 H总 H直总 H局总 2 167 325 2 492 Pa 管路 名称 ρ Q0 /（m3h-1） ν0 /10-5m2s-1 D /mm C / L /m H /Pa 主管0. 84419 9201. 630800351 2001 394 干管0. 84418 8431. 637800372 5002 076 支管0. 8213 4651. 648410401 5001 432 合计5 2004 902 管路 名称 ρ Q0 /（m3h-1） ν0 /10-5m2s-1 D /mm C / L /m H /Pa 主管0. 92414 6121. 563800171 2001 058 干管0. 92412 4201. 574800202 5001 018 支管0. 8886 4801. 5936102520091 合计3 9002 167 2020年第6期煤炭科技 104 万方数据 4瓦斯抽采水环真空泵选型 4.1参数计算 4.1.1瓦斯泵压力计算 抽采系统压力，必须能克服抽采管网系统总阻 力损失和保证钻孔有足够的负压，以及能满足泵出 口正压之需求。 标准状态下抽采系统压力按下式计 算 H Hr HcK Hr hrm hrj hk Hc hcm hcj hz 式中H抽采系统压力，Pa； Hr抽采设备入口侧（负压段）10 ～ 15 a 内管路最大阻力损失，Pa； Hc抽采设备出口侧（正压段）管路阻力损 失，Pa； K抽采系统压力富余系数，可取1. 2 ～ 1. 8； hrm入口侧（负压段）管路最大摩擦阻力， Pa； hrj入口侧（负压段）管路局部阻力，Pa； hk井下抽采钻孔的设计孔口负压，Pa； hcm出口侧（正压段）管路最大摩擦阻力 Pa； hcj出口侧（正压段）管路局部阻力，Pa； hz出口侧（正压段）的出口正压，Pa。 （1） 高负压瓦斯抽采 根据前面的管路阻力损失计算得知，高负压瓦 斯抽采管路系统入口侧管路最大摩擦阻力hrm hrj 5 637 Pa， 取抽采钻孔孔口负压Hk 13 000 Pa、 瓦斯泵出口正压H正 3 000 Pa， 则高负压瓦斯抽 采泵的压力为 H高 5 637 13 000 3 000 1. 6 34 620 Pa （2） 低负压瓦斯抽采 根据前面的管路阻力损失计算得知，低负压瓦 斯抽采管路系统入口侧管路最大摩擦阻力hrm hrj 2 492 Pa，取抽采钻孔孔口负压Hk 8 000 Pa、瓦 斯泵出口正压H正 3 000 Pa，则低负压瓦斯抽采泵 的压力为 H低 15 590. 55 9 000 3 000 1. 6 23 187 Pa 4.1.2抽采泵工况压力计算 抽采泵工况压力可按下式计算 Pg Pd - H 式中Pg抽采泵工况压力，Pa； Pd抽采泵站的大气压力，Pa。 根 据 当 地 气 象 资 料 ，抽 采 站 的 大 气 压 力 为 90 650 Pa，因此 （1） 高负压瓦斯抽采 抽采泵工况压力为90 650 - 34 620 56 030 Pa 实际取泵入口的工况压力为56kPa。 （2） 低负压瓦斯抽采 抽采泵工况压力为90 650 - 23 187 67 463 Pa 实际取泵入口的工况压力为67 kPa。 4.2水环真空泵选型 根据上述计算结果，通过国内市场调查，建议 参考2BEC80水环式真空泵，参数如表6所示。设计 安装6台2BEC80水环式真空泵， 性能曲线如图2 所示。 高负压系统2台运行，2台备用；低负压系统 1台运行，1台备用。 由该泵性能曲线可知转速为 240 r/min时， 该泵在56 kPa压力状态下的工况流 量为630 m3/min，能满足高负压抽采的要求；转速为 240 r/min时， 该泵在67 kPa压力状态下的工况流 量为626 m3/min，能满足低负压抽采的要求。 表6抽采站真空泵参数 图22BEC80水环真空泵性能曲线 5附属设备选择 （1） 阀门在瓦斯抽采管路（主、支管）上和钻孔 的连接处，均需安设阀门，主要用于调节与控制各 个独立抽采地点的抽采负压、瓦斯浓度、抽采量等， 同时修理和更换瓦斯管时可关闭阀门切断回路。 设 计选用的阀门为蝶阀。 （2） 在管路及钻孔连接装置上均应设置测压 型 号 抽采泵 入口绝 对压力 /kPa 工况状态 抽气量 /（m3h-1） 电机 功率 /kW 转速 /（rm-1） 供水量 /（m3h-1） 备 注 2BEC805663080024048 高负压 系统 2BEC806762680024048 低负压 系统 王永祥余吾煤矿南风井区瓦斯抽采系统设计与应用2020年第6期 105 万方数据 嘴，以便经常观测抽采管内的压力。 在管路安装过 程中加入一 小段钢管 ，装上之前预 先焊上内径 6 mm，高80 mm的紫铜管，平时用密封罩罩住或用 细胶管套紧捆死以防漏气。 测压嘴还可作为取气样 孔，取出气体进行气体成分分析。 （3） 计量装置 瓦斯流量是瓦斯抽采工作中的一个重要参数， 较准确的测定瓦斯流量才能真实地反映瓦斯抽采 效果。 目前瓦斯计量方法的种类很多，应用条件也 各不相同。 本设计选用V锥流量计作为计量装置。 （4） 钻孔连接方式 回采工作面预抽钻孔与抽采管路的连接是利 用胶管连接， 胶管的一端连接到钻孔封孔管上，另 一端与抽采瓦斯管路连接，构成抽采系统。 （5） 放水与除渣装置 放水和除渣装置的种类较多，根据抽采瓦斯情 况，设计放水装置全部选用自动放水器，排渣装置 选用快速排渣器即可。 负压管路采用负压放水器， 正压管路采用正压放水器。 6瓦斯抽采系统安装应用 6.1安装施工总体程序 该系统的施工程序 图纸会审→施工组织措施 编制→管路的耐压能力检验→管道及蝶阀的气密性 试验→设备开箱检查→设备倒运、安装→设备、管道 安装就位→设备调试→联合试运转→竣工验收。 为保证抽采管路的气密性， 系统安装完毕后， 需要对管路系统的气密性进行检查，采用压缩空气 试验，其压力不得小于0. 15 MPa，稳定时间不小于 24 h，压力降不超过0. 02 MPa。 6.2瓦斯抽采系统应用效果 实际应用表明，余吾煤矿的南风井区采用该瓦 斯抽放管路系统及相应的抽采设备后，具备了较高 的瓦斯抽放能力，经济合理，技术可行。 该系统运行以来，南风井区工作面未出现瓦斯 超限现象，经测算，瓦斯平均抽采率为57. 4，满足 煤矿瓦斯抽采基本指标和防治煤与瓦斯突出规 定的要求，矿井实现抽采达标，保证了矿井的高产 高效。 7结语 根据余吾煤矿3煤瓦斯地质参数设计出南风 井区瓦斯抽采系统，实际应用表明该系统科学合 理，能有效抽采采掘工作面瓦斯，为该矿瓦斯防治 提供了可靠保障。 参考文献 [1]程远平,付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与 安全工程学报, 2009, 262127 - 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