高负压瓦斯抽采系统优化改造研究.docx

? ? 高负压瓦斯抽采系统优化改造研究 ? ? 仝太照 （山西煤炭运销集团帽帽山煤业有限责任公司， 山西 大同 037100） 引言 在矿井建立的地面高低负压瓦斯抽放系统中，高负压瓦斯抽放系统用于煤层回采工作面和掘进工作面抽放，低负压瓦斯抽放系统用于采空区抽放。以华远矿高低负压抽采系统为例，随着采掘区域的延伸，瓦斯抽采管路长度增加，管网阻力增大，高负压系统孔口负压不足，管路内气体流速超标，为了解决抽采系统存在的问题，满足未来高低负压抽采需求，需对现有抽采系统进行管网能力核算，并针对问题进行改造优化。 1 抽采系统现状 华远矿现阶段井下高负压抽采过程中，高负压抽采孔口负压在13～15 kPa，不能完全满足孔口负压15%富余系数的要求，根据安全操作规程，高负压抽采孔口负压不低于13 kPa，即高负压孔口负压要达到14.95 kPa，现在高负压抽采区域在矿区中部，还未到达最远区域，也就是还未达到抽采最困难时期，到抽采最困难时期管网阻力会进一步增大，孔口负压不足问题会凸显出来。按照抽采困难时期管网长度，按照现有管路以及瓦斯流量等参数，计算管网阻力以及抽采系统所需负压[1]。 现高负压系统地面主管采用螺旋焊缝钢管D920 mm×10 mm，地面至井下的管路选用回风立井内两趟D630 mm×12 mm螺旋焊缝钢管；井下干管选择聚乙烯管D1 000 mm×59.3 mm，工作面顺槽支管选用聚乙烯管D450 mm×26.7 mm，支管最长1 400 m，干管最长2 600 m。当地大气压为93 662.6 Pa，当前运行的高负压系统抽采量为33 600 m3/h，满足抽采率以及未来高负压抽采量的需求，以此数据计算在当前高负压管网系统下，在抽采最困难时期的管网阻力，回风立井内有两趟并联主管，单个主管流量按总流量50%计算，孔口负压按15 kPa计算。 摩擦阻力计算公式： 式中：H为阻力损失；L为管路长度；Q0为标准状态下的混合瓦斯流量；d为管路内径；v0为标准状态下的混合瓦斯运动黏度；ρ为管路内混合瓦斯密度；Δ为管路内壁的当量绝对粗糙度；P0为标准大气压力；P为管路内气体的绝对压力；T为管路中的气体温度为t时的绝对温度；T0为标准状态下的绝对温度；t为管路中的气体温度。 由下页表1可得：高负压系统管网摩擦阻力=6 200+5 490+1 260+815=13 765 Pa。 抽采管网系统中管件局部阻力，根据规范可取管道总摩擦力阻力的10%～20%考虑，本次计算按15%选取。则：高负压系统管网局部阻力=13765×0.15=2 065 Pa，高负压系统管网总阻力=13 765+2065=15830Pa。 2 抽采系统所需负压计算 瓦斯抽采泵的压力是克服瓦斯从井下抽采孔口起，经抽采管路到抽采泵，再到释放点所产生的全部阻力损失，计算管网阻力应在抽采管网系统敷设线路确定后，按其最长的线路和抽采最困难时期的管网系统进行计算。标准状态下抽采系统压力可按下列公式计算： 式中：H为抽采系统压力；Hr为抽采设备入口侧（负压段）内管路最大阻力损失；Hc为抽采设备出口侧（正压段）管路阻力损失；K为抽采系统压力富余系数，根据GB5074—2008煤矿瓦斯抽采工程设计规范取1.2；hrm为入口侧管路最大摩擦阻力；hrj为入口侧管路局部阻力；hk为井下抽采钻孔的设计孔口负压或抽采管路入口负压；hcm为出口侧管路最大摩擦阻力；hcj为出口侧管路局部阻力；hz为出口侧的出口正压。具体计算如表2所示。 表1 改造前抽采困难时期高负压系统管网摩擦阻力 表2 改造前高负压瓦斯抽采泵压力计算表（孔口负压取15 kPa） 由上述计算可知，在困难时期要达到目前抽采量所需的瓦斯抽采泵负压要达到43 kPa，而从实际运行情况看，高负压抽采泵负压运行在33～38 kPa区间，要达到43 kPa已超出瓦斯泵的能力范围。由表1可知，阻力大的管路段主要集中在支管和干管上[2-3]。 根据设计规范，瓦斯气体在管路内经济流速5～12 m/s为宜，通过流量和管径可以计算目前情况下是否存在流速超标的管路。 由表3可知，回风立井内D630管路流速超标35%，超标严重，其它管路段也存在流速超标问题。 表3 高负压系统各管路内瓦斯气体流速（改造前）m/s 3 高负压系统管网优化改造 现有的高负压管网系统按现在的抽采量在抽采困难时期需要抽采泵运行负压在43 kPa，现有抽采泵达不到这个负压水平，而且抽采管网各个管路段内气体流速都超过了12 m/s的规范要求，特别是回风立井内的主管气体流速达到了16.19 m/s，流速超标必须通过扩大管路内径解决，管路管径增大，管道内阻力减小，所需泵的负压就会降低，因此，本次改造从管网优化途径解决未来困难时期孔口负压不足的问题，而不从更换更大能力的抽采泵的角度来解决问题。根据