CO低负压引排系统水环真空泵设计研究.pdf

1252023 年第 9 期路 宁等：CO 低负压引排系统水环真空泵设计研究CO 低负压引排系统水环真空泵设计研究路 宁1 张海洋2,3 王永敬2,3（1.国网能源哈密煤电有限公司大南湖一矿，新疆 哈密 839000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）摘 要 大南湖一矿利用 CO 引排系统治理回风隅角 CO 超限，为达到 CO 治理效果的同时，避免采空区自然发火，引排系统水环真空泵的设计尤为关键。以煤矿瓦斯抽采工程设计标准为参考，现场进行试验调整，确定合理的 CO 引排系统管路及水环真空泵相关参数。根据设计计算，CO 低负压引排系统管路采用 610 mm5000 mm 型螺旋焊接钢管，引排泵采用 2 台型号 2BEC72 型水环真空泵，抽气量大于 515.6 m3/min。关键词 工作面；回风隅角；CO 引排；水环真空泵；系统管路中图分类号 TD712+.6;TP202 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.039Design and Research of Water Ring Vacuum Pump for CO Low Negative Pressure Drainage SystemLu Ning1 Zhang Haiyang2,3 Wang Yongjing2,3(1.State Grid Energy Hami Coal Electricity Co.,Ltd.Dananhu No.1 Mine,Xinjiang Hami 839000;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute Co.,Ltd.,Liaoning Fushun 113122;3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Liaoning Fushun 113122)Abstract:Dananhu No.1 Mine uses the CO drainage system to govern the return air corner CO exceeding the limit.In order to achieve the CO govern effect and avoid spontaneous combustion in the goaf at the same time,the design of the water ring vacuum pump of the drainage system is particularly important.Taking the design standards for coal mine gas drainage engineering as a reference,on-site experiments are conducted to adjust and determine the reasonable CO drainage system pipeline and relevant parameters of water ring vacuum pump.According to design calculations,the CO low negative pressure drainage system pipeline adopts 610 mm 5000 mm type spiral welded steel pipe,two 2BEC72 type water ring vacuum pumps are used for the drainage pumps,with a suction amount greater than 515.6 m3/min.Key words:working face;return air corner;CO drainage;water ring vacuum pump;system pipeline收稿日期 2023-02-10作者简介 路宁（1970），男，山东淄博人，2003 年毕业于中国矿业大学矿山通风与安全专业，本科，助理工程师，现为国网能源哈密煤电有限公司大南湖一矿通防副总工程师，从事煤矿一通三防工作。路 宁等：CO 低负压引排系统水环真空泵设计研究大南湖一矿 CO 低负压引排系统主要是在工作面回风隅角布置引排管路，利用引排泵在回风隅角形成低负压区，使该区域CO气体随引排管路排出，避免回风隅角局部位置的 CO 气体超限1-2。同时，采用低负压进行 CO 引排，在治理回风隅角 CO 气体浓度超限的同时，可避免地表向采空区大量漏风，使采空区遗煤自然发火风险在可控范围之内3-4。1 工程概况大南湖一矿位于新疆哈密市，矿井为低瓦斯矿井，所采 3#煤层属低变质类容易自燃煤层，煤层存在低温氧化生成 CO 气体现象。通过调研分析，工作面生产时 CO 涌出量达 0.096 m3/min，参考瓦斯抽放经验5-10，采用低负压引排回风隅角 CO 的方法，CO 引排率预计在 30%80%。虽然 CO 引排率不一定能达到瓦斯抽放的水平，但为了使引排能力留有一定的余地，引排率按 40%进行设计，即工作面回风隅角 CO 引排量预计为 0.038 m3/min。根据现场实际情况，在井下建立 CO 引排泵站，工作面回风隅角 CO 气体引排至 3 煤集中回风大巷，管1262023 年第 9 期路长度按泵站至工作面最远距离3700 m进行设计。图 1 CO 低负压引排系统布置示意图2 CO 低负压引排系统管路设计及阻力计算2.1 管路设计选型根据大南湖一矿井下巷道空间情况，CO 引排管其管径按下式计算：CO60=0.145 7QDv （1）式中：D 为引排管路内径，m；QCO为引排管路中的混合 CO 流量，m3/min；v 为经济流速，m/s，一般取 512 m/s，v=10 m/s。考虑管路使用年限及服务区域的变化，应有1.21.8 的富余系数，设计取富余系数为 1.5。引排管路管径计算结果见表 1。表 1 CO 引排系统管路管径计算表纯 CO 流量/（m3/min）CO 浓度/10-4混合 CO 流量/（m3/min）气体流速/（m/s）计算管径/mm选择管径/mm0.0383.411210597600根据管路管径的设计结果，结合现场实际情况及工程要求，选择 610 mm5000 mm 型螺旋焊接钢管，管路间采用法兰盘螺栓紧固方式联接，橡胶密封垫密封。2.2 管路阻力计算CO 引排管路阻力包括摩擦阻力和局部阻力。根据大南湖一矿采掘平面图，从井下 CO 引排泵站到达 1307 工作面采空区的管路最长，即 3700 m，按此引排管路长度计算直管阻力损失。1）直管摩擦阻力损失计算0.2520CO0f5CO0=0.069192.2v dL QPTHdQdPT+（2）式中：Hf为摩擦阻力损失，Pa；L 为引排管路长度，到达工作面最远距离，L=3700 m；QCO为引排管路中的混合 CO 流量，QCO=1.867 m3/s；d 为引排管路内径，d=600 mm；v0为标准状态下的混合CO 运动黏度，v0=1.510-5 m2/s；为引排管路内混合 CO 密度，=1.293 kg/m3；为引排管路壁内的当量绝对粗糙度，=0.15 mm；P0为标准大气压力，P0=101 325 Pa；P 为引排管路内气体的绝对压力，P=16 859.16 Pa；T 为引排管路中的气体温度为 t 时的绝对温度，K，T=273+t；t 为引排管路中的气体温度，20 ；T0为标准常态下的绝对温度，T0=293 K。设计正压段管长 100 m，负压段管长 3700 m。经计算，正压段管摩擦阻力为 443.33 Pa，负压段管摩擦阻力为 16 403.05 Pa，直管总摩擦阻力 Hz=16 846.38 Pa。CO 引排管路负压阻力大于矿井的总通风阻力，因此需在管路上增加引排泵作为负压源。2）局部阻力损失计算参考瓦斯抽采设计国家标准，局部阻力损失取直管阻力损失的 15%，则引排管路系统的局部阻力损失为：Hj=Hz0.15 （3）3）总阻力损失计算 Ht=Hz+Hj （4）经计算，Hj=2 526.96 Pa，Ht=19 373.34 Pa。3 CO 低负压引排系统水环真空泵设计选型3.1 低负压水环真空泵设计1）标准状态下引排系统压力计算 H=（H1+H2）K （5）H1=h1m+h1j+h1 （6）H2=h2m+h2j+h2 （7）式中：H 为 CO 引排系统压力，Pa；H1为 CO引入管路最大阻力损失，Pa；H2为 CO 排出管路阻力损失，Pa；K 为 CO 引排系统压力富余系数，可取 K=1.21.8，K=1.281；h1m为 CO 引入管路最大摩擦阻力，h1m=16 403.05 Pa；h1j为 CO 引入管路局部阻力，按负压段摩擦阻力的 15%计算，h1j=2 460.46 Pa；h1为 CO 引入口负压，h1=10 000 Pa；h2m为 CO排出管路最大摩擦阻力，h2m=443.33 Pa；h2j为 CO 排出管路局部阻力，按正压段摩擦阻力的 15%计算，h2j=66.5 Pa；h2为 CO 排出口正压，h2=5000 Pa。经 计 算，H1=28 863.51 Pa，H2=5 509.83 Pa，H=44 032.25 Pa。2）水环真空泵工况压力计算1272023 年第 9 期路 宁等：CO 低负压引排系统水环真空泵设计研究 PCOg=PCOd-H （8）式中：PCOg为水环真空泵工况压力，Pa；PCOd为引排泵站的大气压力，取 PCOd=98 800 Pa。水环真空泵工况压力 PCOg=54 767.75 Pa。3）标准状态下水环真空泵流量计算CO 引排泵流量必须满足引排泵服务年限之内最大引排量的需要，可按下式计算：QCOb=（QCO0K ）/X （9）式中：QCOb为标准状态下水环真空泵的计算引排量，m3/min；QCO0为设计 CO 引排纯量，0.038 m3/min；X 为预计的引排管路入口处 CO 体积分数，3.410-4；K 为引排能力富余系数，可取 1.21.8，取 1.8；为水环真空泵的机械效率，=80%。按预计的 CO 引排纯量及其体积分数计算，水环真空泵所需的流量 QCOb=251.47 m3/min。4）水环真空泵工况流量计算 QCOg=k1QCOb（P0T/P T0）（10）P=PCOd-k2H1 （11）T=273+t （12）式中：QCOg为工况状态下的水环真空泵引排量，m3/min；k1为调整系数，可取 1.01.1，取 1.073 5；P 为水环真空泵入口绝对压力，Pa；k2为调整系数，可取 1.02.0，取 1.585；T 为水环真空泵入口 CO的绝对温度，K；t 为水环真空泵入口 CO 的温度，t=20。经计算，P=53 051.34 Pa，QCOg=515.6 m3/min。5）CO 引排泵的真空度计算 i=H/P0 （13）式中：i 为水环真空泵真空度，%。经计算，i=43.48%。3.2 低负压水环真空泵选型结合大南湖一矿井下实际情况及工作面回风隅角 CO 引排效果要求，根据设计计算结果，CO 低负压引排系统选用 2 台型号 2BEC72 型水环真空泵，一用一备，抽气量大于 515.6 m3/min，电机功率大于650 kW，工作转速大于300 r/min，耗水量40 m3/h。低负压水环真空泵性能曲线如图 1。图 2 低负压水环真空泵性能曲线4 结语1）对于浅埋深低变质煤层采用引排方式治理回风隅角 CO，在水环真空泵设计选型时，既要达到引排治理效果，亦尽可能降低吸气压力，减少引排对采空区造成漏风的影响，避免由于引排导致采空区遗煤自然发火。2）煤矿 CO 涌出量远低于瓦斯涌出量，现有瓦斯抽采工程设计标准可作为参考依据，但不完全适用，在实际设计计算中需进行调整，使之适应现场实际情况，设计时应考虑一定的富余系数。3）设计 CO 低负压引排系统管路采用 610 mm5000 mm 型螺旋焊接钢管，引排泵采用 2 台型号 2BEC72 型水环真空泵，一用一备，抽气量大于 515.6 m3/min，电机功率大于 650 kW，工作转速大于 300 r/min，耗水量 40 m3/h。4）CO 低负压引排系统在大南湖一矿进行现场应用，结合采空区控风堵漏等措施，回风隅角 CO气体浓度大幅降低，采空区自然发火标志气体浓度也在发火临界值以下。【参考文献】1 王耀锋.中国煤矿瓦斯抽采技术装备现状与展望J.煤矿安全，2020，51（10）：67-77.2 朱红青，郭晋麟，白志鹏，等.基于采空区悬管引流装置的工作面上隅角瓦斯治理研究 J.矿业安全与环保，2021，48（01）：80-84.3 李东发，方珍珠，陈庆丰，等.低变质煤层工作面 CO 来源及分布规律研究 J.煤炭技术，2022，41（02）：141-144.4 张海洋.综放工作面低变质稳态煤温度分布及温升规律 J.煤矿安全，2021，52（02）：177-181.5 张毅.煤矿瓦斯抽采设备选型设计 J.煤矿机械，2018，39（01）：100-103.6 王文才，赵洪玉，陈卓.煤矿采区瓦斯抽放系统设计及应用 J.内蒙古科技大学学报，2014，33（01）：1-4.7付小鹏.煤矿井下瓦斯抽放泵站的设计与研究 J.煤炭技术，2020，39（12）：97-99.（下转第 130 页）1302023 年第 9 期8 李国雄，孙德宁，王洪存，等.瓦斯抽放管路系统的设计及其设备的配套选型 J.工况自动化，2012（02）：78-80.9中华人民共和国住房和城乡建设部.煤矿瓦斯抽采工程设计标准：GB 50471-2018S.北京：中国计划出版社，2018：19-23.10 张宝禄，路宁，王三伟，等.煤矿用 CO 引排系统水环真空泵冷却设计研究 J.煤矿机械，2022，43（09）：14-17.（上接第 127 页）象进行数据收集，收集方式为分组连续测定。该仪器为矿用井下专业测定仪器，可对瓦斯浓度、压力、温度等数据进行实时测定及数据保存，具备直接显示查询等功能。3205 综放工作面的 N121 和 N122组钻孔瓦斯抽采参数测定如图 2。（a）组孔平均抽采浓度（b）组孔平均抽采纯量图 2 N121 和 N122 组钻孔瓦斯抽采参数测定图由图 2 可知：在同样的封孔条件及抽采负压下，注浆封孔材料使用相变凝胶（PCG）相比使用膨胀水泥，在抽采效果上得到大大的提升。整体上使用PCG 比使用膨胀水泥其瓦斯抽采浓度提升 2 倍，瓦斯抽采纯量提升 1.5 倍；根据时间节点来看，在瓦斯抽采 100 d 内，采用 PCG 封孔材料的瓦斯抽采浓度及纯量的衰减较弱，瓦斯抽采浓度在 100 d 后仍能达到 56.44%。这与新型封孔材料相变凝胶的特性有着极大的关系，该材料可通过控制其凝胶液的凝胶点，使该材料在不同的时间节点上发生不同的相变反应，以达到黏度低、渗透率高、膨胀率强等特点，这使注浆液根据孔内情况更好地注入孔内裂隙中。待凝固后，其黏度变大，与孔内煤与裂隙的契合度高，形成一个整体，增大煤岩层的内聚力，防止其煤岩层进一步破碎空洞等现象。所以，新型封孔材料相变凝胶其封孔能力在各方面均优于传统封孔材料膨胀水泥。4 结论1）注浆封孔材料膨胀水泥，其水灰比越大析水率越低，膨胀率越大，黏度越大，黏度上升率越快，流体性能变小，渗透率变低；与破碎煤体之间易发生应力错位，不易渗入裂隙中，在应力作用下易产生破损甚至空洞等力学分层现象。2）新型封孔材料相变凝胶（简称 PCG），为水溶性高分子凝胶浆液，其优点就是可通过控制其凝胶液的凝胶点，以达到黏度低、渗透率高、膨胀率强等特点，与孔内煤体契合度高，内聚力强，相较膨胀水泥其封孔状态更好。3）使用相变凝胶（PCG）注浆封孔，在抽采效果上得到大幅度提升。瓦斯抽采浓度提升 2 倍，瓦斯抽采纯量提升 1.5 倍；使用相变凝胶（PCG）瓦斯抽采浓度在 100 d 后仍能达到 56.44%。【参考文献】1 徐超，王建文，杜昌昂，等.瓦斯抽采长钻孔负压沿孔长衰减机制及影响因素模拟研究 J.采矿与安全工程学报，2021，38（02）：419-428.2 张学博，王文元，沈帅帅.钻孔变形失稳条件下抽采负压及流量分布规律试验研究 J.煤炭科学技术，2020，48（10）：45-51.3 张雷，周宏伟，王向宇，等.考虑蠕变影响的深部煤体分数阶渗透率模型研究J.岩土工程学报，2020，42（08）：1516-1524.4 李波波，李建华，杨康，等.考虑水分影响的煤岩渗透率模型及演化规律 J.煤炭学报，2019，44（11）：3396-3403.