山西保德煤礦瓦斯抽采系統優化研究

李哲遠

(華電煤業集團有限公司，北京 100035)

1 礦井概況

1.1 礦井基本情況

保德煤礦隸屬于國能神東煤炭集團，位于山西省保德縣境內，東西寬約5.7km，南北長約14km，井田面積約55.9km2。礦區東與晉能控股煤業集團蘆子溝煤業有限公司、山西忻州神達望田煤業有限公司、晉能控股煤業集團泰山隆安煤業有限公司相接，西與蘇家里村為鄰。礦區地處黃河東岸、屬黃土高原的晉西北邊緣，呈黃土溝峁、丘陵地貌，總體地勢中部低、南北高，最高處標高+1148.1m，最低處位于朱家川溝底，標高+812.2m，最大高差335.9m。礦區位于河東煤田的北部，構造簡單，呈平緩的單斜構造形態，并且發育有寬緩的波狀起伏，地層產狀總體呈走向350°，傾向260°，傾角 3°～9°，一般5°左右，未見有大型斷層、褶皺及陷落柱。礦井目前開采8號煤層，共有4個盤區，分別布置一個綜采放頂煤工作面和一個雙巷交替掘進工作面。保德煤礦礦井絕對瓦斯涌出量119.59m3/min，相對瓦斯涌出量10.72m3/t，為高瓦斯礦井。

1.2 礦井抽采系統概況

保德煤礦通過建立地面永久泵站來抽采煤層瓦斯，根據礦井瓦斯抽放設計采用以本煤層瓦斯抽采為主、采空區和鄰近層抽采為輔，預抽與邊采邊抽相結合的綜合抽采瓦斯方法?；夭晒ぷ髅娌捎米呦蝽槍娱L鉆孔與普通順層鉆孔相結合的方式進行預抽及邊采邊抽，掘進工作面采用扇形長鉆孔預抽、多巷交替預抽條帶煤層瓦斯、采空區采用聯絡巷埋管抽采、高位鉆孔抽采。地面抽采礦井分別建立有南、北部區的固定高、低負壓瓦斯抽采系統，所有泵站均采用一運一備。本文以南部區的棗林高負壓抽采系統為例進行研究。棗林瓦斯抽采泵站位于棗林主井工業場地，高負壓抽采泵型號為2BEC87水環式泵，額定流量為900m3/min，負責南部區預抽。在棗林瓦斯泵站場地東側施工有瓦斯管道孔2個，棗林瓦斯泵站高、低負壓瓦斯抽采管路沿瓦斯管道孔入井，入井后沿三盤區回風巷敷設至抽采作業地點。

2 礦井抽采系統現況與分析

2.1 系統運行現況與分析

保德煤礦自2014年建設地面抽采泵站以來，經過多年運行，暴露出瓦斯抽采主、干管路冗余，個別區域抽采阻力過大，干管連接位置不合理，抽采網絡節點與層級過多，管路連接部位老化漏氣，導致出現抽采系統負壓增大，地面泵站有效利用率低，抽采流量不穩定，抽采系統瓦斯濃度降低等問題。為便于研究，繪制棗林高負壓抽采網絡節點圖，如圖1所示。

圖1 棗林高負壓抽采網絡節點

瓦斯抽采過程中，煤層內瓦斯由于抽采管路的負壓作用沿著壓力梯度由壓力大的地方流向壓力小的地方，沿程阻力和局部阻力會造成負壓損失，抽采系統在工作面不斷接替過程中管路在設計基礎上不斷沿伸，使抽采負壓損失量不斷增大損失率不斷提高。棗林負壓泵站的抽采損失量見表1。由表1可知，棗林高負壓抽采系統部分抽采管路負壓損失量較大，負壓損失率較高，最高損失率為61.76%。其中引起負壓損失的因素主要有下列情況。

(1)瓦斯抽采主管和干管管路過長，從而引起沿程阻力增大造成抽采負壓損失過大。

(2)隨著礦井不斷地生產，瓦斯抽放管路為滿足抽放目標，需要不斷沿伸擴展，在管路與管路、閥門之間的連接不當會產生局部阻力，損失抽采負壓。

表1 抽采負壓損失量

2.2 抽采鉆孔現狀與分析

(1)鉆孔漏氣

鉆孔密封不嚴會造成抽采過程中鉆孔漏氣，使得抽采負壓濃度降低，抽采流量增大，抽采效率降低。一方面，由于抽采鉆孔在施工過程中由于施工外力和鉆孔圍巖應力等因素的作用，鉆孔周圍的原始應力受到擾動，鉆孔圍巖由于自身理化特性在受力作用下會產生大量擾動裂隙。另一方面，由于煤層本身存在著大量原生裂隙，這兩方面綜合構成了鉆孔的漏氣通道。

(2)鉆孔流量不穩定

在抽采過程中，不同施工方案的鉆孔在抽采流量方面存在差異，抽采濃度也有差別。

(3)維護管理負擔重

在抽采過程中，為確保系統安全穩定運行，需要不斷對系統進行維護。抽采系統自建成運行以來，隨著采掘活動的不斷接替，抽采管路不斷進行擴展改造，管路、流量計及閥門等部件經過長時間運行后，會存在性能退化，如：管道密封不良、閥門開關困難等，在運行過程中管理難度大，系統可靠性降低。

3 優化方案及實施

由上述分析可知，抽采系統與抽采鉆孔在運行中暴露出管路阻力大、抽采濃度低、鉆孔布置不合理等問題，為提高抽采系統運行效率，確保礦井實現安全高效開采，制定以下優化方案。

3.1 管路降阻方案

(1)停運、拆除并重復利用瓦斯管路6845m。通過對井下抽采區域現場勘查分析，三五盤區總回及部分大巷、順槽瓦斯管路布置冗余，層級較多，造成局部瓦斯管路末端負壓較低。同時，大量的瓦斯管路降低了巷道通風斷面，增加了巷道通風阻力。制定了瓦斯管路優化改造方案，在不影響正常鉆場、采空區抽采的前提下逐步分階段停運、拆除冗余瓦斯管路，打開停運、拆除后的瓦斯管路末端，形成管道通風，降低了巷道通風阻力。

(2)將井下抽采管路直角彎處進行改造，替換為不小于120°彎頭；減少瓦斯管路阻力路線距離，根據現場實際及時進行瓦斯管路改造，抽采系統支管路與主管路距離采取“就近不就遠”的原則。

(3)改造抽采效果不良的計量點(孔板流量計)18處，通過瓦斯管路改造，使用便攜式瓦斯抽放管道綜合參數測定儀進行數據測量(皮托管原理)，有效杜絕了孔板流量計處局部瓦斯管路阻力增大的情況發生。

3.2 抽采濃度提升方案

三(下)盤區部分備用工作面預抽鉆孔施工連抽后存在瓦斯濃度偏低、混合流量偏大的情況，為有效解決上述問題，制定了81310備用工作面抽采瓦斯濃度提升試驗方案并實施。

(1)選取一組整體瓦斯濃度低于10%，組內個別鉆孔濃度低于10%，其它鉆孔高于20%的常規鉆孔進行觀測實驗；直接觀測整組常規鉆孔數據；對低于10%的常規鉆孔進行全斷面全長注漿，注漿2天后記錄整組數據以及單孔數據。經過考察，將個別濃度偏低的常規鉆孔進行全斷面注漿封堵后，單組瓦斯濃度提升20%，即個別封孔效果差的常規鉆孔影響整組鉆孔抽采瓦斯濃度。

(2)挑選一組常規鉆孔進行孔口支管路改造，將軟連接改為硬連接。對81310輔運10聯巷一組常規鉆孔進行孔口支管路改造，將軟連接改為硬連接，同時進一步處理孔口連接件，確保不漏氣。對比改造前后單孔瓦斯濃度以及單組瓦斯濃度、抽采量。經過考察，硬連接方式抽采效果優于軟連接方式抽采效果。

(3)現有封孔工藝與以前封孔工藝封孔效果對比。選取同一組鉆孔分別使用之前的兩堵一注封孔工藝進行封孔，以及現有的囊袋式兩堵一注封孔工藝進行封孔，連接抽采后測量單孔瓦斯濃度。經過考察，使用現有囊袋式兩堵一注封孔工藝進行常規鉆孔封孔，效果優于使用高分子材料兩堵一注封孔工藝。

(4)進行瓦斯管路漏氣檢定試驗，對比管路連接法蘭處膠墊與鋼墊密封效果

選取部分DN300瓦斯管路、DN100瓦斯管路、φ108抽采軟管，連接相同距離后進行打壓試驗(正負壓)。先通過抽采系統負壓進行打壓試驗，觀測漏氣情況(聽覺)；再通過壓風管路系統正壓進行打壓試驗，觀測連接法蘭處漏氣情況(視覺、聽覺)。綜合對比分析管路漏氣影響因素。經過考察，使用鋼墊密封效果優于膠墊密封效果。

綜上所述，影響工作面抽采瓦斯濃度、抽采量的主要因素包括鉆孔封孔效果、鉆孔連接抽采系統方式、管路密封效果等，為下一步預抽鉆孔施工指明了方向。

3.3 鉆孔施工設計優化

在歷年來已施工的各類鉆孔抽采數據基礎上進行分析，優化抽采鉆孔設計方案。在備用工作面進行上下行常規鉆孔抽采數據的對比分析，其81309工作面上下行常規鉆孔抽采歷史數據見表2。為便于比較分析分別繪制上下行鉆孔瓦斯濃度對比圖(圖2)和上下行鉆孔純瓦斯流量對比圖(圖3)。

表2 81309工作面上下行常規鉆孔抽采歷史數據

由圖2、3可知，上行鉆孔抽采的平均瓦斯濃度和瓦斯純量值都要比下行鉆孔高。平均來看，抽采140天范圍內，上行鉆孔抽采的平均瓦斯濃度為35%，而下行鉆孔的平均瓦斯濃度為30.87%，上行鉆孔抽采濃度平均比下行鉆孔高了1.134倍，即上行鉆孔抽采瓦斯濃度在下行鉆孔基礎上提高了13.38%；而上行鉆孔抽采的平均純瓦斯流量為0.129m3/min，而下行鉆孔的平均純瓦斯流量為0.099m3/min，上行鉆孔抽采平均純瓦斯流量比下行鉆孔高了1.296倍，即上行鉆孔抽采瓦斯純量在下行鉆孔基礎上提高了29.84%。

圖2 上下行鉆孔瓦斯濃度對比

圖3 上下行鉆孔純瓦斯流量對比

如圖2所示，在抽采67天之后，下行鉆孔的瓦斯抽采濃度呈現出下降的趨勢，而上行鉆孔的瓦斯抽采濃度還是維持在34%以上，抽采140天后，平均瓦斯濃度為37.4%，比下行鉆孔的29.4%高出了27.2%。

如圖3所示，無論是上行鉆孔還是下行鉆孔的抽采瓦斯純量都是下降的趨勢，抽采140天以后，下行鉆孔抽采瓦斯純量下降到0.085m3/min；而上行鉆孔，抽采瓦斯純量下降到0.134m3/min，尤其在抽采70天以后，下行鉆孔抽采瓦斯純量下降的趨勢更加明顯。

無論是瓦斯抽采濃度還是瓦斯抽采純量，上行試驗孔抽放效果要略優于下行試驗孔，由此證明上行鉆孔的影響區域大于下行鉆孔，更適用于保德礦瓦斯預抽工作。

4 結語

(1)抽采系統優化調整后，棗林高負壓預抽瓦斯濃度從13%提升至32%，劉家堰高負壓預抽瓦斯濃度從22%提升至45.2%，系統內的混合氣體瓦斯濃度明顯高于瓦斯爆炸濃度上限，提升了瓦斯管路的安全系數。

(2)拆除并重復利用DN800瓦斯管路3100m、DN400瓦斯管路1267m、DN300瓦斯管路2478m，節省瓦斯管材費用1600萬元，通過拆除管路端口盲板，形成管路通風，增加了巷道通風斷面，減少巷道通風阻力。

(3)經過鉆孔施工設計對比，上行試驗孔抽放效果要略優于下行試驗孔，影響區域更大，適用于保德礦瓦斯預抽工作，對下一步鉆孔布置及瓦斯治理有顯著的指導意義。