平煤一礦瓦斯抽采系統的優化與應用＊

孟 杰 林柏泉 李慶釗 寧 俊 張萌博 李全貴

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116)

平煤一礦瓦斯抽采系統的優化與應用＊

孟 杰1,2林柏泉1,2李慶釗1,2寧 俊1,2張萌博1,2李全貴1,2

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116)

針對平煤一礦瓦斯抽放系統分散,致使局部地區瓦斯超限頻繁、回風巷中瓦斯濃度偏高的現象,應用網絡圖理論、流體力學和瓦斯流動規律對其抽放系統進行優化,提出了統一、聯網的抽放方法,應用結果表明,優化后的抽放系統總的抽放阻力是64 kPa,而地面抽放系統的抽放泵的抽放能力最大是101 kPa,其工作時的抽放能力為90 kPa左右,同時瓦斯抽放濃度提高了11.5%,瓦斯治理效果明顯。

網絡圖理論 流體力學 瓦斯流動規律 瓦斯抽放系統

1 瓦斯抽放系統優化理論

礦井瓦斯抽放系統圖(簡稱抽放系統圖)和礦井瓦斯抽放網絡圖(簡稱抽放網絡圖或抽放網絡)是礦井抽放工作中的兩個非常重要的圖件。礦井抽放系統圖能直觀地反映抽放管路的位置、長度和連接關系,以及抽放附屬設備的安設位置。通常可以在抽放系統圖上標注抽放管路的名稱、長度、直徑、阻力、流量和瓦斯濃度等參數,給日常抽放管理工作帶來極大的方便。抽放網絡圖是抽放系統的抽象表示。按照圖論的概念,抽放網絡圖和抽放系統圖是同構的,二者具有相同的節點數和分支數,節點與分支之間的關系相互對應,對應分支具有相同的權值。抽放網絡圖的特點是圖形本身只需要反映出節點和分支的數目及二者之間的連接關系。節點的位置和分支的長度與管路交叉點的位置和管路的實際長度沒有關系,管路的長度只作為抽放網絡圖的一個權值而不由分支長度來反映。

總之,抽放網絡圖是用圖論的概念和方法來表示抽放系統圖,并籍以利用圖論的理論和方法來分析礦井抽放系統、解決抽放系統抽放量和阻力等問題。抽放網絡圖是有向賦權連通圖。每個分支都有確定的方向,每個分支都有流量、阻力等權值,任何兩節點之間都至少存在一條有向路徑。

抽放系統優化實際上可以看成是抽放網絡圖的優化。

2 平煤一礦瓦斯抽放系統優化

一礦優化前的抽放系統由若干個單獨的抽放系統組成,未能形成統一的抽放系統,而且抽放的瓦斯并未排到地面而是排放到回風巷中,容易引起回風中瓦斯濃度超限,因此必須對一礦的抽放系統進行優化。

2.1 瓦斯抽放系統相關參數

礦井建立有一套地面瓦斯抽放系統,服務于三水平丁組采空區,抽采泵型號為CBF710(A)-2BG3型(1備1用),標稱吸氣量450 m3/min,電機功率500 kW,極限真空度0.1 M Pa,主管路為?500 mm螺紋鋼管,長度1600 m,支管為?200 mm薄壁鋼管,長度1050 m。目前抽采流量240 m3/min,抽采負壓59.2 kPa。

另外還有獨立的三水平丁2瓦斯抽放系統和三水平戊1抽放系統。三水平丁2抽放系統主要服務于丁2-32010工作面,抽采泵型號為2BEF4202型(1備1用),標稱吸氣量150 m3/m in,電機功率200 kW,極限負壓54 kPa;三水平戊1抽放系統主要服務于戊-31080和戊-31010工作面,抽采泵型號為2BEC 4 2型(1備1用),標稱吸氣量150 m3/m in。電機功率200 kW,極限負壓16 kPa。

2.2 優化前管路阻力計算

2.2.1 三水平丁2瓦斯抽放泵站阻力計算

三水平丁2瓦斯抽放泵站流量是80 m3/min,即4800 m3/h,管路直徑分別為200 mm和300 mm,根據管路直徑可查表得到系數K為0.71;管路抽放瓦斯濃度為4%,通過查表得密度比γ為0.982。

礦三水平丁2瓦斯抽放管路走向示意圖見圖1,1、2的管路直徑為200 mm,3、4、5的管路直徑均為300 mm。

圖1 三水平丁2瓦斯抽放管路示意圖

由以上數據,根據摩擦阻力公式以及局部阻力計算方法(局部阻力按照摩擦阻力的15%進行計算),得到三水平丁2瓦斯抽放管路的阻力,結果見表1。

表1 三水平丁2瓦斯抽放泵站的抽放系統阻力

三水平丁2采區抽放系統的阻力為28.4 kPa,而其泵的抽放能力為54 k Pa,遠大于其抽放系統的阻力,存在浪費現象,可以減少抽放管路的直徑,也可以為以后的系統優化提供節余的壓力。

2.2.2 三水平戊1瓦斯抽放泵阻力計算

三水平戊1瓦斯抽放泵站流量是70 m3/min,管路直徑分別為200 mm和300 mm,并且根據管路直徑通過查表可以得到系數K為0.71,管路抽放瓦斯濃度為6%,通過查表得密度比γ為0.973。

三水平戊1瓦斯抽放泵站的抽放管路示意圖見圖2,1、3、4、6、7的管路直徑為300 mm,2、5的管路直徑均為200 mm。

三水平丁2瓦斯抽放管路的阻力見表2。

圖2 三水平戊1瓦斯抽放泵站抽放管路示意圖

表2 三水平戊1瓦斯抽放管路的阻力

三水平戊1采區抽放系統的阻力為15.6 kPa,其泵的抽放能力為56 kPa,存在很嚴重的浪費現象。

2.2.3 聯網前地面抽放泵站的阻力計算

聯網前地面抽放泵站的流量是50 m3/m in,系數K為0.71,管路抽放瓦斯濃度為6%,通過查表得密度比γ為0.973。聯網前地面抽放泵站的抽放管路示意圖見圖3,其中1、2、3、4、5、6的管路直徑為200 mm,7號管路直徑為500 mm。

由以上數據,得到聯網前地面抽放泵站管路的阻力,結果見表3。

圖3 聯網前地面瓦斯抽放泵站抽放管路示意圖

表3 聯網前地面瓦斯抽放泵站抽放管路的阻力

優化前一礦的地面抽放系統的阻力為21.7 k Pa,而泵的抽放能力在56 kPa左右,同樣存在嚴重的浪費現象。2.3 抽放管路優化方案

根據礦方要求對原井下的獨立的抽放系統進行優化,形成一個統一的抽放系統,聯網后地面抽放泵站的抽放管路示意圖見圖4,其中1、2、3、4、5、6的管路直徑為200 mm,7、8、9、10的管路均為500 mm。

由以上數據得到聯網前地面抽放泵站管路的阻力,見表4。

圖4 聯網后地面瓦斯抽放泵站抽放管路示意圖

表4 聯網后地面瓦斯抽放泵站抽放管路的阻力

抽放系統優化后總的抽放阻力是64 kPa,而地面抽放系統的抽放泵的抽放能力最大是101 kPa,遠遠大于其阻力,但隨著開采深度和開采距離的增加,管路需要加長,所以地面抽放泵的抽放能力有所節余可以為以后的抽放提供動力。

2.4 優化前后相關參數的對比

優化前、后抽放系統的抽放參數見表5、表6。

表5 優化前各個抽放系統的抽放參數

表6 優化后抽放系統的參數

通過對比分析可知優化后抽放系統的抽放濃度提高了11.5%。

3 結論

抽放系統優化后,抽放系統總的抽放阻力是64 kPa,而地面抽放系統的抽放泵的抽放能力最大是101 kPa,其工作時的能力為90 kPa左右,不僅解決了以前存在的浪費現象,而且為后續的抽放工作提供了動力,同時使一礦形成了統一的抽放系統,使抽放濃度提高了11.5%,解決了回風巷中瓦斯超限的問題。

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Optimization and application of gas suction system at No.1 Coal Mine of Pingdingshan Mining Group

Meng Jie1,2,Lin Baiquan1,2,Li Qingzhao1,2,Ning Jun1,2,Zhang Mengbo1,2,Li Quangui1,2
(1.State Key Lab of Coal Resource and Safety Mining,Xuzhou,Jiangsu Province221008,China;2.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu Province221116,China)

Gas suction system at Pingmei No.1 Coal Mine spreads around,which makes gas concentration in partial areas underground exceeding the limitation frequently,and gas concentration in air-return ways keeping at high level.In allusion to this phenomenon,the author optimized the suction system by using network chart theory,hydrodynamics and gas flow age law,and a unified and joined suction method is put forward.The application result show s that,the total suction resistance of the optimized suction system is 64 kPa,while the maximum suction capacity of the pump on the ground is 101 kPa,and the pump’s working capacity is about 90 k Pa,that is 11.5%increase,show ing that the gas treating effect is imp roved obviously.

network chart theory,hydrodynamics,gas flow age law,gas suction system

TD712.62

B

國家自然科學基金資助項目(51074164)。

孟杰(1986-),男,河南周口人,中國礦業大學安全工程學院碩士,安全技術及工程專業,主要從事礦井瓦斯防治方面的研究。

(責任編輯 梁子榮)