瓦斯抽采管路快速沖洗技術的研究與應用

高國斌

（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

隨著煤炭工業的發展，對瓦斯抽采系統的需求越來越高。然而，抽采鉆孔出水、管路銹蝕碴、抽采鉆孔內煤炭、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。基于瓦斯抽采管路使用環境的特殊性質，研究設計出一種煤礦瓦斯抽采管路快速沖洗裝置。該裝置能夠有效地清除管路內壁的雜質，提高管路通暢度，防止管路阻塞，保障瓦斯抽采系統的安全運行[1-5]。本文將從設計原理、裝置結構、運行效果等方面進行詳細介紹。

1 煤礦瓦斯抽采管路清洗問題分析

1.1 瓦斯抽采管路內壁污垢的構成

瓦斯抽采管路內壁污垢主要包括煤泥、銹蝕渣、碎屑顆粒等。其中，煤泥是由于鉆孔內煤粉隨負壓氣流經過抽采管路長時間累積而成，其附著力強，難以清除。銹蝕渣是由于管路內壁金屬材質長時間接觸水氣而引起的，會對管路內壁形成厚厚的銹層，降低管路內徑和瓦斯抽采效率[6-7]。

1.2 瓦斯抽采管路清洗裝置的研究現狀

目前，針對煤泥的清理主要有以下幾種方法。

（1） 人工清理。這種方法相對簡單，但是由于管路長度較大，需拆開逐節進行清理，清理工作的難度和耗時都比較大。

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

（3） 化學清洗。化學清洗主要采用酸堿溶液清洗，可以有效清除管路內附著的污垢，但是會對管路內壁產生腐蝕作用，長期使用會對管路產生損壞。

2 煤礦瓦斯抽采管路沖洗裝置的設計

2.1 設計原理

針對煤泥、銹蝕渣等附著力較強的管路內壁污垢，設計了一種煤礦瓦斯抽采管路沖洗裝置。

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

（2） 保護管路。為了保護管路內壁，裝置需要使用環保型清洗介質，避免產生對管路造成損害的酸堿溶液。

（3） 便于操作。為了方便現場維護和操作，裝置需要具有簡單、易操作的特點。

2.2 清洗介質

根據煤礦瓦斯抽采管路內壁污染物的特點，在清洗介質的選擇上，需要考慮以下幾點。

（1） 清洗介質的抗壓性強，能夠承受高壓水的沖擊。

（2） 清洗介質的清洗效果好，能夠有效地清除管道內的煤泥、銹蝕碴等污染物。

（3） 清洗介質不會對管路內壁造成損傷。

（4） 清洗介質對環境無害。

基于以上要求，選擇石英砂作為清洗介質。石英砂是一種顆粒較大、硬度較高、抗壓性強的礦物質，具有很好的清洗效果。同時，石英砂化學性質穩定、不易產生水解反應，不會對管路內壁造成損害。此外，石英砂本身就是一種自然無害的物質，不會對環境造成污染。

3 裝置結構

3.1 壓力水源裝置

壓力水源接自已經安設完成的集中液壓泵站，無需另行安設。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已經鋪設完成的φ32 mm 高壓膠管，耐高壓，不易變形。水泵控制器可實現壓力自動控制，可在工作過程中動態調整水壓大小。壓力表用于實時監測水壓大小。

3.2 紊流模式理論值驗算

由雷諾實驗知，流體流動時有2 種流態：層流和紊流。紊流的特征是，其壓力和速度等運動要素的數值大小和方向具有時空隨機性，其速度作無規律性變化，存在著縱向和橫向的脈動速度，是一種非定常流。一般認為，管道雷諾數Re＜2 100 為層流狀態，Re＞4 000 為紊流狀態，Re=2 100～4 000為過渡狀態。

為保證管路沖洗時流體處于紊流狀態，需對管道內紊流模式下進行數值驗算，確定供水流量是否滿足要求。管路內水流的流速，采用式（1） 進行計算：

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

經計算得v=0.17 m/s。

雷諾數為：

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，20 ℃時水的粘性系數為1.005 0×10-3Pa·s。

經計算得Re=33 830＞4 000，故可判定管中流態為紊流，水泵輸出流量滿足使用要求。

3.3 清洗裝置

主要構成有手柄式蝶閥、φ32 mm 截止閥、引風閥、引水閥、匯流管、進料口、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管與引流管，引風管用于增強流體在管路中的紊流狀態。匯流管下部焊接進料口，用以添加清洗介質。

3.4 積水回收裝置

主要構成有手柄式蝶閥、排污管、積水過濾裝置、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濾裝置，避免水流飛濺，同時也方便回收清洗過的石英砂，達到循環使用的效果。瓦斯抽采管路沖洗裝置結構示意如圖1 所示。

圖1 瓦斯抽采管路沖洗裝置結構示意Fig.1 Structure of gas drainage pipeline flushing device

4 操作流程

（1） 選取100 m 長的抽采管路為每循環清洗對象。

（2） 將上部分的水泵開啟，啟動水泵控制器，控制輸出水壓為4～6 MPa。

（3） 關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的渣屑、污水。打開引風管、引水管閥門，利用壓風管路、高壓供水管路里的壓風、壓水在匯流管中形成高壓充氣紊流狀態。從進料口添加清洗介質石英砂。

（4） 利用石英砂在高速運動流體帶動下的機械作用打破管道內的煤泥等雜質清潔管路內雜物。

（5） 沖洗結束后，關閉引風管、引水管閥門，關閉排污管閥門，收集過濾篩內的石英砂用以循環使用。打開瓦斯抽放管路兩端蝶閥。此即一個對管路沖洗的工作循環。

5 應用效果分析

對2803 中間巷抽采管路進行了管路沖洗試驗，每隔100 m 為一個沖洗單元，設置測試點測量管路沖洗前后抽采負壓情況，如圖2 所示。

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

沖洗過程中，詳細記錄每個沖洗單元用時情況，并在管路沖洗前后測量測點負壓情況，見表1。

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

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

6 結 語

針對煤礦瓦斯抽采管路在運行中容易受到雜質和碎屑的影響導致管路阻塞和安全威脅等問題，根據瓦斯抽采管路使用環境的特殊性質，提出了一種以管路沖洗裝置為主的快速沖洗技術。該裝置具有結構簡單、操作方便、能夠有效地清除管路內壁雜質、提高管路通暢度等特點。實驗結果表明，該裝置能夠有效地防止管路阻塞、保障瓦斯抽采系統的安全運行。該研究成果對煤炭工業中的瓦斯抽采系統優化和安全生產具有重要的現實意義和應用價值。