路 寧 張海洋 王永敬

（1.國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

大南湖一礦CO 低負(fù)壓引排系統(tǒng)主要是在工作面回風(fēng)隅角布置引排管路，利用引排泵在回風(fēng)隅角形成低負(fù)壓區(qū)，使該區(qū)域CO 氣體隨引排管路排出，避免回風(fēng)隅角局部位置的CO 氣體超限[1-2]。同時(shí)，采用低負(fù)壓進(jìn)行CO 引排，在治理回風(fēng)隅角CO 氣體濃度超限的同時(shí)，可避免地表向采空區(qū)大量漏風(fēng)，使采空區(qū)遺煤自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍之內(nèi)[3-4]。

1 工程概況

大南湖一礦位于新疆哈密市，礦井為低瓦斯礦井，所采3#煤層屬低變質(zhì)Ⅰ類容易自燃煤層，煤層存在低溫氧化生成CO 氣體現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)研分析，工作面生產(chǎn)時(shí)CO 涌出量達(dá)0.096 m3/min，參考瓦斯抽放經(jīng)驗(yàn)[5-10]，采用低負(fù)壓引排回風(fēng)隅角CO 的方法，CO 引排率預(yù)計(jì)在30%～80%。雖然CO 引排率不一定能達(dá)到瓦斯抽放的水平，但為了使引排能力留有一定的余地，引排率按40%進(jìn)行設(shè)計(jì)，即工作面回風(fēng)隅角CO 引排量預(yù)計(jì)為0.038 m3/min。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在井下建立CO 引排泵站，工作面回風(fēng)隅角CO 氣體引排至3 煤集中回風(fēng)大巷，管路長(zhǎng)度按泵站至工作面最遠(yuǎn)距離3700 m 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 CO 低負(fù)壓引排系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)及阻力計(jì)算

2.1 管路設(shè)計(jì)選型

根據(jù)大南湖一礦井下巷道空間情況，CO 引排管其管徑按下式計(jì)算：

式中：D為引排管路內(nèi)徑，m；QCO為引排管路中的混合CO 流量，m3/min；v為經(jīng)濟(jì)流速，m/s，一般取5～12 m/s，v=10 m/s。

考慮管路使用年限及服務(wù)區(qū)域的變化，應(yīng)有1.2～1.8 的富余系數(shù)，設(shè)計(jì)取富余系數(shù)為1.5。引排管路管徑計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 CO 引排系統(tǒng)管路管徑計(jì)算表

根據(jù)管路管徑的設(shè)計(jì)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及工程要求，選擇Φ610 mm×5000 mm 型螺旋焊接鋼管，管路間采用法蘭盤螺栓緊固方式聯(lián)接，橡膠密封墊密封。

2.2 管路阻力計(jì)算

CO 引排管路阻力包括摩擦阻力和局部阻力。根據(jù)大南湖一礦采掘平面圖，從井下CO 引排泵站到達(dá)1307 工作面采空區(qū)的管路最長(zhǎng)，即3700 m，按此引排管路長(zhǎng)度計(jì)算直管阻力損失。

1）直管摩擦阻力損失計(jì)算

式中：Hf為摩擦阻力損失，Pa；L為引排管路長(zhǎng)度，到達(dá)工作面最遠(yuǎn)距離，L=3700 m；QCO為引排管路中的混合CO 流量，QCO=1.867 m3/s；d為引排管路內(nèi)徑，d=600 mm；v0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的混合CO 運(yùn)動(dòng)黏度，v0=1.5×10-5m2/s；ρ為引排管路內(nèi)混合CO 密度，ρ=1.293 kg/m3；Δ 為引排管路壁內(nèi)的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，Δ=0.15 mm；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，P0=101 325 Pa；P為引排管路內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力，P=16 859.16 Pa；T為引排管路中的氣體溫度為t時(shí)的絕對(duì)溫度，K，T=273+t；t為引排管路中的氣體溫度，20 ℃；T0為標(biāo)準(zhǔn)常態(tài)下的絕對(duì)溫度，T0=293 K。

設(shè)計(jì)正壓段管長(zhǎng)100 m，負(fù)壓段管長(zhǎng)3700 m。經(jīng)計(jì)算，正壓段管摩擦阻力為443.33 Pa，負(fù)壓段管摩擦阻力為16 403.05 Pa，直管總摩擦阻力Hz=16 846.38 Pa。CO 引排管路負(fù)壓阻力大于礦井的總通風(fēng)阻力，因此需在管路上增加引排泵作為負(fù)壓源。

2）局部阻力損失計(jì)算

參考瓦斯抽采設(shè)計(jì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，局部阻力損失取直管阻力損失的15%，則引排管路系統(tǒng)的局部阻力損失為：

3）總阻力損失計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，Hj=2 526.96 Pa，Ht=19 373.34 Pa。

3 CO 低負(fù)壓引排系統(tǒng)水環(huán)真空泵設(shè)計(jì)選型

3.1 低負(fù)壓水環(huán)真空泵設(shè)計(jì)

1）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下引排系統(tǒng)壓力計(jì)算

式中：H為CO 引排系統(tǒng)壓力，Pa；H1為CO引入管路最大阻力損失，Pa；H2為CO 排出管路阻力損失，Pa；K為CO 引排系統(tǒng)壓力富余系數(shù)，可取K=1.2～1.8，K=1.281；h1m為CO 引入管路最大摩擦阻力，h1m=16 403.05 Pa；h1j為CO 引入管路局部阻力，按負(fù)壓段摩擦阻力的15%計(jì)算，h1j=2 460.46 Pa；h1為CO 引入口負(fù)壓，h1=10 000 Pa；h2m為CO排出管路最大摩擦阻力，h2m=443.33 Pa；h2j為CO 排出管路局部阻力，按正壓段摩擦阻力的15%計(jì)算，h2j=66.5 Pa；h2為CO 排出口正壓，h2=5000 Pa。

經(jīng)計(jì)算，H1=28 863.51 Pa，H2=5 509.83 Pa，H=44 032.25 Pa。

2）水環(huán)真空泵工況壓力計(jì)算

式中：PCOg為水環(huán)真空泵工況壓力，Pa；PCOd為引排泵站的大氣壓力，取PCOd=98 800 Pa。

水環(huán)真空泵工況壓力PCOg=54 767.75 Pa。

3）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水環(huán)真空泵流量計(jì)算

CO 引排泵流量必須滿足引排泵服務(wù)年限之內(nèi)最大引排量的需要，可按下式計(jì)算：

式中：QCOb為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水環(huán)真空泵的計(jì)算引排量，m3/min；QCO0為設(shè)計(jì)CO 引排純量，0.038 m3/min；X為預(yù)計(jì)的引排管路入口處CO 體積分?jǐn)?shù)，3.4×10-4；K'為引排能力富余系數(shù)，可取1.2～1.8，取1.8；η為水環(huán)真空泵的機(jī)械效率，η=80%。

按預(yù)計(jì)的CO 引排純量及其體積分?jǐn)?shù)計(jì)算，水環(huán)真空泵所需的流量QCOb=251.47 m3/min。

4）水環(huán)真空泵工況流量計(jì)算

式中：QCOg為工況狀態(tài)下的水環(huán)真空泵引排量，m3/min；k1為調(diào)整系數(shù)，可取1.0～1.1，取1.073 5；P'為水環(huán)真空泵入口絕對(duì)壓力，Pa；k2為調(diào)整系數(shù)，可取1.0～2.0，取1.585；T'為水環(huán)真空泵入口CO的絕對(duì)溫度，K；t'為水環(huán)真空泵入口CO 的溫度，t'=20 ℃。

經(jīng)計(jì)算，P'=53 051.34 Pa，QCOg=515.6 m3/min。

5）CO 引排泵的真空度計(jì)算

式中：i為水環(huán)真空泵真空度，%。

經(jīng)計(jì)算，i=43.48%。

3.2 低負(fù)壓水環(huán)真空泵選型

結(jié)合大南湖一礦井下實(shí)際情況及工作面回風(fēng)隅角CO 引排效果要求，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，CO 低負(fù)壓引排系統(tǒng)選用2 臺(tái)型號(hào)2BEC72 型水環(huán)真空泵，一用一備，抽氣量大于515.6 m3/min，電機(jī)功率大于650 kW，工作轉(zhuǎn)速大于300 r/min，耗水量40 m3/h。低負(fù)壓水環(huán)真空泵性能曲線如圖1。

圖1 CO 低負(fù)壓引排系統(tǒng)布置示意圖

圖2 低負(fù)壓水環(huán)真空泵性能曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)于淺埋深低變質(zhì)煤層采用引排方式治理回風(fēng)隅角CO，在水環(huán)真空泵設(shè)計(jì)選型時(shí)，既要達(dá)到引排治理效果，亦盡可能降低吸氣壓力，減少引排對(duì)采空區(qū)造成漏風(fēng)的影響，避免由于引排導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。

2）煤礦CO 涌出量遠(yuǎn)低于瓦斯涌出量，現(xiàn)有瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可作為參考依據(jù)，但不完全適用，在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中需進(jìn)行調(diào)整，使之適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮一定的富余系數(shù)。

3）設(shè)計(jì)CO 低負(fù)壓引排系統(tǒng)管路采用Φ610 mm×5000 mm 型螺旋焊接鋼管，引排泵采用2 臺(tái)型號(hào)2BEC72 型水環(huán)真空泵，一用一備，抽氣量大于515.6 m3/min，電機(jī)功率大于650 kW，工作轉(zhuǎn)速大于300 r/min，耗水量40 m3/h。

4）CO 低負(fù)壓引排系統(tǒng)在大南湖一礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)合采空區(qū)控風(fēng)堵漏等措施，回風(fēng)隅角CO氣體濃度大幅降低，采空區(qū)自然發(fā)火標(biāo)志氣體濃度也在發(fā)火臨界值以下。