孟 杰 林柏泉 李庆钊 宁 俊 张萌博 李全贵

(1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116)

平煤一矿瓦斯抽采系统的优化与应用＊

孟 杰1,2林柏泉1,2李庆钊1,2宁 俊1,2张萌博1,2李全贵1,2

(1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116)

针对平煤一矿瓦斯抽放系统分散,致使局部地区瓦斯超限频繁、回风巷中瓦斯浓度偏高的现象,应用网络图理论、流体力学和瓦斯流动规律对其抽放系统进行优化,提出了统一、联网的抽放方法,应用结果表明,优化后的抽放系统总的抽放阻力是64 kPa,而地面抽放系统的抽放泵的抽放能力最大是101 kPa,其工作时的抽放能力为90 kPa左右,同时瓦斯抽放浓度提高了11.5%,瓦斯治理效果明显。

网络图理论 流体力学 瓦斯流动规律 瓦斯抽放系统

1 瓦斯抽放系统优化理论

矿井瓦斯抽放系统图(简称抽放系统图)和矿井瓦斯抽放网络图(简称抽放网络图或抽放网络)是矿井抽放工作中的两个非常重要的图件。矿井抽放系统图能直观地反映抽放管路的位置、长度和连接关系,以及抽放附属设备的安设位置。通常可以在抽放系统图上标注抽放管路的名称、长度、直径、阻力、流量和瓦斯浓度等参数,给日常抽放管理工作带来极大的方便。抽放网络图是抽放系统的抽象表示。按照图论的概念,抽放网络图和抽放系统图是同构的,二者具有相同的节点数和分支数,节点与分支之间的关系相互对应,对应分支具有相同的权值。抽放网络图的特点是图形本身只需要反映出节点和分支的数目及二者之间的连接关系。节点的位置和分支的长度与管路交叉点的位置和管路的实际长度没有关系,管路的长度只作为抽放网络图的一个权值而不由分支长度来反映。

总之,抽放网络图是用图论的概念和方法来表示抽放系统图,并籍以利用图论的理论和方法来分析矿井抽放系统、解决抽放系统抽放量和阻力等问题。抽放网络图是有向赋权连通图。每个分支都有确定的方向,每个分支都有流量、阻力等权值,任何两节点之间都至少存在一条有向路径。

抽放系统优化实际上可以看成是抽放网络图的优化。

2 平煤一矿瓦斯抽放系统优化

一矿优化前的抽放系统由若干个单独的抽放系统组成,未能形成统一的抽放系统,而且抽放的瓦斯并未排到地面而是排放到回风巷中,容易引起回风中瓦斯浓度超限,因此必须对一矿的抽放系统进行优化。

2.1 瓦斯抽放系统相关参数

矿井建立有一套地面瓦斯抽放系统,服务于三水平丁组采空区,抽采泵型号为CBF710(A)-2BG3型(1备1用),标称吸气量450 m3/min,电机功率500 kW,极限真空度0.1 M Pa,主管路为ø500 mm螺纹钢管,长度1600 m,支管为ø200 mm薄壁钢管,长度1050 m。目前抽采流量240 m3/min,抽采负压59.2 kPa。

另外还有独立的三水平丁2瓦斯抽放系统和三水平戊1抽放系统。三水平丁2抽放系统主要服务于丁2-32010工作面,抽采泵型号为2BEF4202型(1备1用),标称吸气量150 m3/m in,电机功率200 kW,极限负压54 kPa;三水平戊1抽放系统主要服务于戊-31080和戊-31010工作面,抽采泵型号为2BEC 4 2型(1备1用),标称吸气量150 m3/m in。电机功率200 kW,极限负压16 kPa。

2.2 优化前管路阻力计算

2.2.1 三水平丁2瓦斯抽放泵站阻力计算

三水平丁2瓦斯抽放泵站流量是80 m3/min,即4800 m3/h,管路直径分别为200 mm和300 mm,根据管路直径可查表得到系数K为0.71;管路抽放瓦斯浓度为4%,通过查表得密度比γ为0.982。

矿三水平丁2瓦斯抽放管路走向示意图见图1,1、2的管路直径为200 mm,3、4、5的管路直径均为300 mm。

图1 三水平丁2瓦斯抽放管路示意图

由以上数据,根据摩擦阻力公式以及局部阻力计算方法(局部阻力按照摩擦阻力的15%进行计算),得到三水平丁2瓦斯抽放管路的阻力,结果见表1。

表1 三水平丁2瓦斯抽放泵站的抽放系统阻力

三水平丁2采区抽放系统的阻力为28.4 kPa,而其泵的抽放能力为54 k Pa,远大于其抽放系统的阻力,存在浪费现象,可以减少抽放管路的直径,也可以为以后的系统优化提供节余的压力。

2.2.2 三水平戊1瓦斯抽放泵阻力计算

三水平戊1瓦斯抽放泵站流量是70 m3/min,管路直径分别为200 mm和300 mm,并且根据管路直径通过查表可以得到系数K为0.71,管路抽放瓦斯浓度为6%,通过查表得密度比γ为0.973。

三水平戊1瓦斯抽放泵站的抽放管路示意图见图2,1、3、4、6、7的管路直径为300 mm,2、5的管路直径均为200 mm。

三水平丁2瓦斯抽放管路的阻力见表2。

图2 三水平戊1瓦斯抽放泵站抽放管路示意图

表2 三水平戊1瓦斯抽放管路的阻力

三水平戊1采区抽放系统的阻力为15.6 kPa,其泵的抽放能力为56 kPa,存在很严重的浪费现象。

2.2.3 联网前地面抽放泵站的阻力计算

联网前地面抽放泵站的流量是50 m3/m in,系数K为0.71,管路抽放瓦斯浓度为6%,通过查表得密度比γ为0.973。联网前地面抽放泵站的抽放管路示意图见图3,其中1、2、3、4、5、6的管路直径为200 mm,7号管路直径为500 mm。

由以上数据,得到联网前地面抽放泵站管路的阻力,结果见表3。

图3 联网前地面瓦斯抽放泵站抽放管路示意图

表3 联网前地面瓦斯抽放泵站抽放管路的阻力

优化前一矿的地面抽放系统的阻力为21.7 k Pa,而泵的抽放能力在56 kPa左右,同样存在严重的浪费现象。2.3 抽放管路优化方案

根据矿方要求对原井下的独立的抽放系统进行优化,形成一个统一的抽放系统,联网后地面抽放泵站的抽放管路示意图见图4,其中1、2、3、4、5、6的管路直径为200 mm,7、8、9、10的管路均为500 mm。

由以上数据得到联网前地面抽放泵站管路的阻力,见表4。

图4 联网后地面瓦斯抽放泵站抽放管路示意图

表4 联网后地面瓦斯抽放泵站抽放管路的阻力

抽放系统优化后总的抽放阻力是64 kPa,而地面抽放系统的抽放泵的抽放能力最大是101 kPa,远远大于其阻力,但随着开采深度和开采距离的增加,管路需要加长,所以地面抽放泵的抽放能力有所节余可以为以后的抽放提供动力。

2.4 优化前后相关参数的对比

优化前、后抽放系统的抽放参数见表5、表6。

表5 优化前各个抽放系统的抽放参数

表6 优化后抽放系统的参数

通过对比分析可知优化后抽放系统的抽放浓度提高了11.5%。

3 结论

抽放系统优化后,抽放系统总的抽放阻力是64 kPa,而地面抽放系统的抽放泵的抽放能力最大是101 kPa,其工作时的能力为90 kPa左右,不仅解决了以前存在的浪费现象,而且为后续的抽放工作提供了动力,同时使一矿形成了统一的抽放系统,使抽放浓度提高了11.5%,解决了回风巷中瓦斯超限的问题。

[1] 林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007

[2] 孙惠泉.图论及其应用[M].北京:科学出版社,2004

[3] 陈开岩.矿井通风系统优化理论及应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

[4] 黄力波,刘彦伟,李志强.矿井通风网络图[J].焦作工学院学报,2002(1)

[5] 龙翼,杨顺生,朱天开.图论在排水管网优化方面的应用[J].中国测试技术,2004(1)

[6] 翟成,林柏泉,叶青.图论理论在矿井瓦斯抽放系统优化中的应用[J].采矿与安全工程学报,2008(1)

[7] 杜晓春,黄坤.城市配气管网布局的图论优化[J].西南石油学院学报,2005(6)

[8] 王雪珍,魏永曜.用图论方法优化树状输配水管网布置及计算机绘图程序[J].喷灌技术,1995(2)

[9] 郭楚文.工程流体力学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2002

[10] 林柏泉.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008

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

国家自然科学基金资助项目(51074164)。

孟杰(1986-),男,河南周口人,中国矿业大学安全工程学院硕士,安全技术及工程专业,主要从事矿井瓦斯防治方面的研究。

(责任编辑 梁子荣)