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(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

平煤一礦瓦斯抽采系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)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(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

針對平煤一礦瓦斯抽放系統(tǒng)分散,致使局部地區(qū)瓦斯超限頻繁、回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛绕叩默F(xiàn)象,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)圖理論、流體力學(xué)和瓦斯流動規(guī)律對其抽放系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,提出了統(tǒng)一、聯(lián)網(wǎng)的抽放方法,應(yīng)用結(jié)果表明,優(yōu)化后的抽放系統(tǒng)總的抽放阻力是64 kPa,而地面抽放系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)圖理論 流體力學(xué) 瓦斯流動規(guī)律 瓦斯抽放系統(tǒng)

1 瓦斯抽放系統(tǒng)優(yōu)化理論

礦井瓦斯抽放系統(tǒng)圖(簡稱抽放系統(tǒng)圖)和礦井瓦斯抽放網(wǎng)絡(luò)圖(簡稱抽放網(wǎng)絡(luò)圖或抽放網(wǎng)絡(luò))是礦井抽放工作中的兩個非常重要的圖件。礦井抽放系統(tǒng)圖能直觀地反映抽放管路的位置、長度和連接關(guān)系,以及抽放附屬設(shè)備的安設(shè)位置。通?？梢栽诔榉畔到y(tǒng)圖上標(biāo)注抽放管路的名稱、長度、直徑、阻力、流量和瓦斯?jié)舛鹊葏?shù),給日常抽放管理工作帶來極大的方便。抽放網(wǎng)絡(luò)圖是抽放系統(tǒng)的抽象表示。按照圖論的概念,抽放網(wǎng)絡(luò)圖和抽放系統(tǒng)圖是同構(gòu)的,二者具有相同的節(jié)點數(shù)和分支數(shù),節(jié)點與分支之間的關(guān)系相互對應(yīng),對應(yīng)分支具有相同的權(quán)值。抽放網(wǎng)絡(luò)圖的特點是圖形本身只需要反映出節(jié)點和分支的數(shù)目及二者之間的連接關(guān)系。節(jié)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(guān)系,管路的長度只作為抽放網(wǎng)絡(luò)圖的一個權(quán)值而不由分支長度來反映。

總之,抽放網(wǎng)絡(luò)圖是用圖論的概念和方法來表示抽放系統(tǒng)圖,并籍以利用圖論的理論和方法來分析礦井抽放系統(tǒng)、解決抽放系統(tǒng)抽放量和阻力等問題。抽放網(wǎng)絡(luò)圖是有向賦權(quán)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(quán)值,任何兩節(jié)點之間都至少存在一條有向路徑。

抽放系統(tǒng)優(yōu)化實際上可以看成是抽放網(wǎng)絡(luò)圖的優(yōu)化。

2 平煤一礦瓦斯抽放系統(tǒng)優(yōu)化

一礦優(yōu)化前的抽放系統(tǒng)由若干個單獨的抽放系統(tǒng)組成,未能形成統(tǒng)一的抽放系統(tǒng),而且抽放的瓦斯并未排到地面而是排放到回風(fēng)巷中,容易引起回風(fēng)中瓦斯?jié)舛瘸?因此必須對一礦的抽放系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 瓦斯抽放系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

礦井建立有一套地面瓦斯抽放系統(tǒng),服務(wù)于三水平丁組采空區(qū),抽采泵型號為CBF710(A)-2BG3型(1備1用),標(biāo)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(fù)壓59.2 kPa。

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

2.2 優(yōu)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(jù)管路直徑可查表得到系數(shù)K為0.71;管路抽放瓦斯?jié)舛葹?%,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(shù)據(jù),根據(jù)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(jìn)行計算),得到三水平丁2瓦斯抽放管路的阻力,結(jié)果見表1。

表1 三水平丁2瓦斯抽放泵站的抽放系統(tǒng)阻力

三水平丁2采區(qū)抽放系統(tǒng)的阻力為28.4 kPa,而其泵的抽放能力為54 k Pa,遠(yuǎn)大于其抽放系統(tǒng)的阻力,存在浪費現(xiàn)象,可以減少抽放管路的直徑,也可以為以后的系統(tǒng)優(yōu)化提供節(jié)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(jù)管路直徑通過查表可以得到系數(shù)K為0.71,管路抽放瓦斯?jié)舛葹?%,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(qū)抽放系統(tǒng)的阻力為15.6 kPa,其泵的抽放能力為56 kPa,存在很嚴(yán)重的浪費現(xiàn)象。

2.2.3 聯(lián)網(wǎng)前地面抽放泵站的阻力計算

聯(lián)網(wǎng)前地面抽放泵站的流量是50 m3/m in,系數(shù)K為0.71,管路抽放瓦斯?jié)舛葹?%,通過查表得密度比γ為0.973。聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù),得到聯(lián)網(wǎng)前地面抽放泵站管路的阻力,結(jié)果見表3。

圖3 聯(lián)網(wǎng)前地面瓦斯抽放泵站抽放管路示意圖

表3 聯(lián)網(wǎng)前地面瓦斯抽放泵站抽放管路的阻力

優(yōu)化前一礦的地面抽放系統(tǒng)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(yán)重的浪費現(xiàn)象。2.3 抽放管路優(yōu)化方案

根據(jù)礦方要求對原井下的獨立的抽放系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,形成一個統(tǒng)一的抽放系統(tǒng),聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)得到聯(lián)網(wǎng)前地面抽放泵站管路的阻力,見表4。

圖4 聯(lián)網(wǎng)后地面瓦斯抽放泵站抽放管路示意圖

表4 聯(lián)網(wǎng)后地面瓦斯抽放泵站抽放管路的阻力

抽放系統(tǒng)優(yōu)化后總的抽放阻力是64 kPa,而地面抽放系統(tǒng)的抽放泵的抽放能力最大是101 kPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)余可以為以后的抽放提供動力。

2.4 優(yōu)化前后相關(guān)參數(shù)的對比

優(yōu)化前、后抽放系統(tǒng)的抽放參數(shù)見表5、表6。

表5 優(yōu)化前各個抽放系統(tǒng)的抽放參數(shù)

表6 優(yōu)化后抽放系統(tǒng)的參數(shù)

通過對比分析可知優(yōu)化后抽放系統(tǒng)的抽放濃度提高了11.5%。

3 結(jié)論

抽放系統(tǒng)優(yōu)化后,抽放系統(tǒng)總的抽放阻力是64 kPa,而地面抽放系統(tǒng)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(xiàn)象,而且為后續(xù)的抽放工作提供了動力,同時使一礦形成了統(tǒng)一的抽放系統(tǒng),使抽放濃度提高了11.5%,解決了回風(fēng)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(xué)基金資助項目(51074164)。

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

(責(zé)任編輯 梁子榮)