工作面瓦斯抽采方法及管道布置选型设计

工作面瓦斯抽采方法及管道布置选型设计王新刚【摘要】某煤矿为保证回采工作面瓦斯降到规定限度下，对其工作面进行瓦斯抽采.对其抽采方法及管理布置和选型进行研究，确定了回采工作面邻近层卸压抽放、回采工作面本煤层瓦斯抽采方法和采空区抽放方法.制定了抽采管路布置路线,通过计算，确定了瓦斯管路参数及抽采阻力大小.并在之后的现场试用中，证明此设计满足瓦斯抽采要求，抽采效果良好.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷)，期】2018(031)004【总页数】3页(P208-210)【关键词】瓦斯抽采;理论计算;管道布置选型【作者】王新刚【作者单位】山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业,山西大同037000【正文语种】中文【中图分类】TD7120引言煤矿瓦斯是引起煤矿事故的主要原因之一，由于瓦斯的可利用性，现被各煤矿广泛回收再利用。回收方式主要是对瓦斯集聚区进行瓦斯抽采，抽取的瓦斯可供矿井锅炉房和食堂使用，同时，可供当地居民用气。不仅解决了开采安全隐患，还可以给矿井带来利益。某煤矿为保证回采工作面瓦斯降到规定限度下，运用理论分析及计算，对其抽采方法及管理布置和选型进行了研究，可为同行作业提供参考。1瓦斯抽采方法某煤矿为多个煤矿整合而成，现采用一对斜井开拓15号煤层，15号煤位于太原组下段中部，上距12号煤层平均67.96m。煤层厚度2.70~8.44m，平均5.84m，全井田可采，为井田稳定可采煤层。一般含0~6层夹砰，结构复杂。顶板为泥岩，局部为砂质泥岩、粉砂岩；底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩。15号煤回采工作面需要风量远远大于工作面允许通过的最大风量，工作面通过的最大风量不能把瓦斯降到规定限度以下，因此，回采工作面必须采取抽采瓦斯措施才能解决瓦斯问题。1.1回采工作面邻近层卸压抽放实测结果表明，该煤矿整合后的矿井瓦斯涌出量为71.17m3/min，回采工作面瓦斯涌出量为36.52m3/min，其中回采工作面邻近层瓦斯涌出量为27.17m3/min,邻近层瓦斯占回采工作面总瓦斯涌出量的74%，此煤层瓦斯涌出量为9.35m3/min，占回采工作面总瓦斯涌出量的26%，可见，回采工作面瓦斯的主要来源是邻近层，其次是此煤层，因此抽采邻近层瓦斯是此矿的工作重点。实地考察发现，该矿周边煤矿相同煤层回采工作面邻近层的瓦斯抽采率一般可达到80%-90%左右，初步预测本矿邻近层卸压抽采也能够取得比较好的效果。对于邻近层卸压抽采，15号煤层回采工作面现普遍采用的走向高抽巷抽采方法。走向高抽巷布置在靠近回风顺槽25m-1/3工作面采长范围内，距离15号煤厚8.5倍采高之上的层位中。为解决回采工作面初采瓦斯涌出量较大的问题，在靠近开切眼附近布置专门解决初采瓦斯超限的后高抽。走向高抽巷完工后在高抽巷与高抽巷回风连接处进行密闭，在密闭墙中预埋一根瓦斯管与回风巷的瓦斯抽采管路连接，形成抽采系统。1.2回采工作面本煤层瓦斯抽采方法回采前在回采工作面顺槽沿煤层向工作面内打长距离钻孔，抽采煤层瓦斯。钻孔间距为7.5m，上下钻孔间距为1m，倾角与煤层倾角相同。孔向：大至平行回采工作面，开孔位置距煤层底板1m。1.3采空区抽放该矿15号煤回采工作面结束后，首先对与工作面相连的所有巷道进行密闭，然后利用该工作面走向高抽巷口闭墙上的瓦斯管路继续抽放，这时工作面的抽放由邻近层卸压抽放转变为采空区抽放。2瓦斯管路布置及选型计算2.1瓦斯抽采管路系统回采工作面邻近层、采空区抽采管路系统：瓦斯抽采泵站一回风斜井一东回风大巷一采区回风巷一高抽巷。回采工作面本煤层抽采管路系统：瓦斯抽采泵站—回风斜井—东回风大巷—采区回风巷—回风顺槽。2.2瓦斯抽采管路选型瓦斯管路费用在抽采成本中占很大比重，合理选择瓦斯管直径与抽采投资及抽采效果有重要关系。(1)管径选择根据瓦斯抽采管路服务的范围和所负担抽采量的大小，其管径按下式计算：D=0.1457(Qh/V)1/2式中：D为抽采管径，m;Qh为抽采管内混合瓦斯量，m3/min;V为抽采管内混合瓦斯的经济流速，m/s，取12m/s。抽采设备及管路选管路选型时应以最大瓦斯涌出量进行计算，参照本矿区的实际情况，瓦斯涌出不均衡系数取1.3，并留有1.4的富裕系数。管路瓦斯浓度以确定的支管瓦斯浓度为基础，按千米漏气量为3m3计算而得。瓦斯抽采管路管径如表1所列。表1瓦斯抽采管路管径抽采管路平均抽采纯量(m3/min)瓦斯浓度(%)混合瓦斯(m3/min)最大混合瓦斯量(m3/min)计算管径(mm)选择管径(内径mm)选择壁厚(mm)高负压抽采管路本煤层支管2.840712.741502007.7本煤层分管2.8201425.482123003本煤层主管2.8142036.42533003邻近层支管21.744054.3598.924185006邻近层分管31.383298.06178.475626006邻近层主管31.3830104.6190.375806006(2)管壁厚度及管材选型根据目前我国使用的瓦斯管和产品供应情况，设计此煤层支管选用PE管、分管、主管选用直缝焊接钢管，邻近层选用螺旋焊缝钢管。管壁厚度采用下式计算：S=0.5xPxdw/[a]式中：8为瓦斯管管壁厚度，mm;P^管路最大工作压力，MPa;dw为瓦斯管内径，mm;[°]为容许压力，焊接钢管取60MPa。经计算，邻近层主管路8=0.06mm、本煤层主管路8=0.07mm。瓦斯抽采管内的压力较管材的强度低很多，一般考虑到运输、安装和使用过程中可能出现的碰撞、挤压等现象，对其强度也要有一定的要求。该设计初选管壁厚度：设计选取D500mm以上管路壁厚为6mm，其它管路壁厚为3mm，该煤层支管选用的PE管壁厚为7.7mm。2.3管路阻力计算管路阻力包括井下最长管路至瓦斯泵入口之间的摩擦阻力和该管路中的局部阻力。确定矿井抽采系统服务期间管路最大阻力线路为：地面瓦斯抽采泵站一回风斜井一东回风大巷T采区回风巷T高抽巷。井下负压段管路阻力计算公式如下。摩擦阻力计算根据管径、流量的不同分段计算阻力，每段管路的摩擦阻力用下式计算：H=69x105x(A/d+192.2xV0xd/Q0)x0.25xT=273+tT0=273+20式中：H为阻力损失(Pa)」为管路长度(m);Q0为标准状态下的混合瓦斯流量(m3/h);d^管路内径(mm);V0为标准状态下的混合瓦斯运动黏度(m2/s);p为管道内混合瓦斯密度(kg/m3);△为管路内壁的当量绝对粗糙度(mm),输送天然气取0.1;P0为标准大气压力(101325Pa);P^管道内气体的绝对压力(Pa);P0为管路中的气体温度为t时的绝对温度(K);T为标准状态下的绝对温度(K);t为管路中的气体温度°C,设计取10C局部阻力估算局部阻力按摩擦阻力的15%计算。本煤层抽采孔口负压为20000Pa，经计算井下抽采最大总阻力为：H=hf+hj+hz=4950.6+742.6+20000=25693(Pa)邻近层抽采高抽巷口密闭墙负压为10000Pa，经计算井下抽采最大总阻力为：H=hf+hj+hz=2588.7+388.3+10000=12977(Pa)矿井抽采系统管路最大阻力见表2所列。表2矿井抽采系统管路最大阻力抽采管类别Q(m3/h)tL(m)V0d(mm)H摩(Pa)H局(Pa)邻近层支管423910300.000016550016.32.45邻近层分管76491014500.0000163600976.4146.46邻近层主管81591020580.00001626001596239.4合计2588.7388.3本煤层支管546107900.00001652001011.7151.76本煤层分管10921015580.00001593001081.5162.23本煤层主管1560580.00001573002857.4428.61合计4950.6742.63结论根据以上理论分析及计算，对该煤矿抽采方法及管理布置和选型进行研究，得到以下结论：抽采方法选用回采工作面邻近层卸压抽放、回采工作面本煤层瓦斯抽采方法和采空区抽放方法。抽采管路布置为回采工作面邻近层、采空区抽采管路系统：瓦斯抽采泵站T回风斜井T东回风大巷T采区回风巷T高抽巷；回采工作面本煤层抽采管路系统：瓦斯抽采泵站T回风斜井T东回风大巷T采区回风巷T回风顺槽。通过计算，确定了瓦斯管路参数及抽采阻力大小，为瓦斯抽采做好了精确准备工作。通过现场试用，已证明此次设计研究满足瓦斯抽采要求，抽采效果良好。参考文献：【相关文献】赵晶，皮希宇,王栓林，等.高瓦斯薄煤层采煤工作面高位钻孔瓦斯抽采技术[J].煤炭科学技术2015,43(11):78-82.龚选平.瓦斯立体抽采技术在突出厚煤层群保护层回采工作面的应用研究[J].矿业安全与环保