瓦斯抽采管路快速?zèng)_洗技術(shù)的研究與應(yīng)用

高國(guó)斌

（河南龍宇能源股份有限公司 陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

0 引 言

隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，對(duì)瓦斯抽采系統(tǒng)的需求越來(lái)越高。然而，抽采鉆孔出水、管路銹蝕碴、抽采鉆孔內(nèi)煤炭、碎屑及顆粒物等，容易造成管路堵塞或斷面口徑減小導(dǎo)致管路阻力增加影響瓦斯抽采效果，甚至威脅煤礦安全生產(chǎn)。基于瓦斯抽采管路使用環(huán)境的特殊性質(zhì)，研究設(shè)計(jì)出一種煤礦瓦斯抽采管路快速?zèng)_洗裝置。該裝置能夠有效地清除管路內(nèi)壁的雜質(zhì)，提高管路通暢度，防止管路阻塞，保障瓦斯抽采系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-5]。本文將從設(shè)計(jì)原理、裝置結(jié)構(gòu)、運(yùn)行效果等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 煤礦瓦斯抽采管路清洗問(wèn)題分析

1.1 瓦斯抽采管路內(nèi)壁污垢的構(gòu)成

瓦斯抽采管路內(nèi)壁污垢主要包括煤泥、銹蝕渣、碎屑顆粒等。其中，煤泥是由于鉆孔內(nèi)煤粉隨負(fù)壓氣流經(jīng)過(guò)抽采管路長(zhǎng)時(shí)間累積而成，其附著力強(qiáng)，難以清除。銹蝕渣是由于管路內(nèi)壁金屬材質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間接觸水氣而引起的，會(huì)對(duì)管路內(nèi)壁形成厚厚的銹層，降低管路內(nèi)徑和瓦斯抽采效率[6-7]。

1.2 瓦斯抽采管路清洗裝置的研究現(xiàn)狀

目前，針對(duì)煤泥的清理主要有以下幾種方法。

（1） 人工清理。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由于管路長(zhǎng)度較大，需拆開逐節(jié)進(jìn)行清理，清理工作的難度和耗時(shí)都比較大。

（2） 機(jī)械清理。主要包括高壓水射流、超聲波清洗，這種方法需要特殊的設(shè)備，可以有效地清理煤泥和其他雜質(zhì)。但由于機(jī)械設(shè)備本身體積較大，在煤礦瓦斯抽采管路內(nèi)的操作比較困難。

（3） 化學(xué)清洗?；瘜W(xué)清洗主要采用酸堿溶液清洗，可以有效清除管路內(nèi)附著的污垢，但是會(huì)對(duì)管路內(nèi)壁產(chǎn)生腐蝕作用，長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)管路產(chǎn)生損壞。

2 煤礦瓦斯抽采管路沖洗裝置的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)煤泥、銹蝕渣等附著力較強(qiáng)的管路內(nèi)壁污垢，設(shè)計(jì)了一種煤礦瓦斯抽采管路沖洗裝置。

（1） 強(qiáng)沖洗能力。為了徹底清除管路內(nèi)壁附著的煤泥等污垢，裝置需要具備強(qiáng)沖洗能力。

（2） 保護(hù)管路。為了保護(hù)管路內(nèi)壁，裝置需要使用環(huán)保型清洗介質(zhì)，避免產(chǎn)生對(duì)管路造成損害的酸堿溶液。

（3） 便于操作。為了方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和操作，裝置需要具有簡(jiǎn)單、易操作的特點(diǎn)。

2.2 清洗介質(zhì)

根據(jù)煤礦瓦斯抽采管路內(nèi)壁污染物的特點(diǎn)，在清洗介質(zhì)的選擇上，需要考慮以下幾點(diǎn)。

（1） 清洗介質(zhì)的抗壓性強(qiáng)，能夠承受高壓水的沖擊。

（2） 清洗介質(zhì)的清洗效果好，能夠有效地清除管道內(nèi)的煤泥、銹蝕碴等污染物。

（3） 清洗介質(zhì)不會(huì)對(duì)管路內(nèi)壁造成損傷。

（4） 清洗介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)害。

基于以上要求，選擇石英砂作為清洗介質(zhì)。石英砂是一種顆粒較大、硬度較高、抗壓性強(qiáng)的礦物質(zhì)，具有很好的清洗效果。同時(shí)，石英砂化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易產(chǎn)生水解反應(yīng)，不會(huì)對(duì)管路內(nèi)壁造成損害。此外，石英砂本身就是一種自然無(wú)害的物質(zhì)，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

3 裝置結(jié)構(gòu)

3.1 壓力水源裝置

壓力水源接自已經(jīng)安設(shè)完成的集中液壓泵站，無(wú)需另行安設(shè)。壓力水源裝置上部分由水泵、高壓水管、水泵控制器和壓力表等部件組成，主要用于為下部分清洗裝置提供高壓水源。

水泵型號(hào)為BPW320/10，輸出水壓4～6 MPa，最大流量為19.2 m3/h。供水管路利用巷道內(nèi)已經(jīng)鋪設(shè)完成的φ32 mm 高壓膠管，耐高壓，不易變形。水泵控制器可實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)控制，可在工作過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整水壓大小。壓力表用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壓大小。

3.2 紊流模式理論值驗(yàn)算

由雷諾實(shí)驗(yàn)知，流體流動(dòng)時(shí)有2 種流態(tài)：層流和紊流。紊流的特征是，其壓力和速度等運(yùn)動(dòng)要素的數(shù)值大小和方向具有時(shí)空隨機(jī)性，其速度作無(wú)規(guī)律性變化，存在著縱向和橫向的脈動(dòng)速度，是一種非定常流。一般認(rèn)為，管道雷諾數(shù)Re＜2 100 為層流狀態(tài)，Re＞4 000 為紊流狀態(tài)，Re=2 100～4 000為過(guò)渡狀態(tài)。

為保證管路沖洗時(shí)流體處于紊流狀態(tài)，需對(duì)管道內(nèi)紊流模式下進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)算，確定供水流量是否滿足要求。管路內(nèi)水流的流速，采用式（1） 進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q 為流量，取0.005 3 m3/s；d 為管路直徑，取0.2 m。

經(jīng)計(jì)算得v=0.17 m/s。

雷諾數(shù)為：

式中：ρ 為流體的密度，取1.0×103kg/m3；v 為流體的流速，取0.17 m/s；d 為管道直徑，取0.2 m；μ 為流體的粘性系數(shù)，20 ℃時(shí)水的粘性系數(shù)為1.005 0×10-3Pa·s。

經(jīng)計(jì)算得Re=33 830＞4 000，故可判定管中流態(tài)為紊流，水泵輸出流量滿足使用要求。

3.3 清洗裝置

主要構(gòu)成有手柄式蝶閥、φ32 mm 截止閥、引風(fēng)閥、引水閥、匯流管、進(jìn)料口、活法蘭、主管體等。主管體兩端分別焊接固定法蘭及活動(dòng)法蘭，用于連接瓦斯抽采管路。主管體上部焊接匯流管，匯流管分別連接引風(fēng)管與引流管，引風(fēng)管用于增強(qiáng)流體在管路中的紊流狀態(tài)。匯流管下部焊接進(jìn)料口，用以添加清洗介質(zhì)。

3.4 積水回收裝置

主要構(gòu)成有手柄式蝶閥、排污管、積水過(guò)濾裝置、主管體等。主管體下部焊φ50 mm 排污管，用于排放高壓充氣紊流水沖洗出的銹渣、污水。排污口下方放置積水過(guò)濾裝置，避免水流飛濺，同時(shí)也方便回收清洗過(guò)的石英砂，達(dá)到循環(huán)使用的效果。瓦斯抽采管路沖洗裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 瓦斯抽采管路沖洗裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of gas drainage pipeline flushing device

4 操作流程

（1） 選取100 m 長(zhǎng)的抽采管路為每循環(huán)清洗對(duì)象。

（2） 將上部分的水泵開啟，啟動(dòng)水泵控制器，控制輸出水壓為4～6 MPa。

（3） 關(guān)閉沖洗管路段兩端的手柄式蝶閥，用于截止氣流，打開排污管閥門用于排放沖洗出來(lái)的渣屑、污水。打開引風(fēng)管、引水管閥門，利用壓風(fēng)管路、高壓供水管路里的壓風(fēng)、壓水在匯流管中形成高壓充氣紊流狀態(tài)。從進(jìn)料口添加清洗介質(zhì)石英砂。

（4） 利用石英砂在高速運(yùn)動(dòng)流體帶動(dòng)下的機(jī)械作用打破管道內(nèi)的煤泥等雜質(zhì)清潔管路內(nèi)雜物。

（5） 沖洗結(jié)束后，關(guān)閉引風(fēng)管、引水管閥門，關(guān)閉排污管閥門，收集過(guò)濾篩內(nèi)的石英砂用以循環(huán)使用。打開瓦斯抽放管路兩端蝶閥。此即一個(gè)對(duì)管路沖洗的工作循環(huán)。

5 應(yīng)用效果分析

對(duì)2803 中間巷抽采管路進(jìn)行了管路沖洗試驗(yàn)，每隔100 m 為一個(gè)沖洗單元，設(shè)置測(cè)試點(diǎn)測(cè)量管路沖洗前后抽采負(fù)壓情況，如圖2 所示。

圖2 瓦斯抽采管路沖洗單元及測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.2 Flushing unit and measuring point arrangement of gas drainage pipeline

沖洗過(guò)程中，詳細(xì)記錄每個(gè)沖洗單元用時(shí)情況，并在管路沖洗前后測(cè)量測(cè)點(diǎn)負(fù)壓情況，見(jiàn)表1。

表1 管路沖洗單元及沖洗前后負(fù)壓對(duì)比情況Table 1 Pipeline flushing unit and comparison of negative pressure before and after flushing

由表1 可知，每沖洗100 m 管路平均用時(shí)為2.2 h，傳統(tǒng)清洗方式為拆卸后逐段清理，每100 m管路清洗用時(shí)為6 h 左右。使用管路清洗裝置較傳統(tǒng)清洗方式相比，效率提高2 倍左右。管路清洗前每100 m 負(fù)壓損耗為1.4 kPa，清洗后每100 m 負(fù)壓損耗為0.4 kPa，管路清洗后負(fù)壓提升明顯。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)煤礦瓦斯抽采管路在運(yùn)行中容易受到雜質(zhì)和碎屑的影響導(dǎo)致管路阻塞和安全威脅等問(wèn)題，根據(jù)瓦斯抽采管路使用環(huán)境的特殊性質(zhì)，提出了一種以管路沖洗裝置為主的快速?zèng)_洗技術(shù)。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、能夠有效地清除管路內(nèi)壁雜質(zhì)、提高管路通暢度等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠有效地防止管路阻塞、保障瓦斯抽采系統(tǒng)的安全運(yùn)行。該研究成果對(duì)煤炭工業(yè)中的瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化和安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。