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项目五 矿井瓦斯抽放设备 任务4 矿井瓦斯抽放设备的选型设计（2学时） 【学习目标】 【知识要点】 1. 矿井瓦斯抽放设备的选型的内容和原始资料 2. 矿井瓦斯抽放泵和管路选型的依据、步骤和方法。 【技能目标】 1. 熟悉煤矿瓦斯抽放规范 2. 掌握矿井瓦斯抽放泵和管路选型的依据、步骤和方法 3. 会查阅使用矿井瓦斯抽放设备产品样本、设计规范手册、煤矿安全规程等工具书 【任务描述】 依据相关的资料，针对实际的煤矿设计原始资料，进行矿井瓦斯抽放泵设备模拟设计。 【相关知识】 一、矿井瓦斯抽放设备选型设计所需要的原始资料和主要内容 1、原始资料 （1）矿井生产概况、开拓巷道系统图、通风方式、瓦斯涌出量、开采水平标高等； （2）抽放管路所经过的巷道系统图，并标明巷道长度； （3）预计的矿井抽放瓦斯总量和各个分区的抽放瓦斯量（纯瓦斯）； （4）预计的矿井和各个分区的抽放瓦斯浓度，矿井瓦斯利用时，瓦斯浓度不低于30，不利用瓦斯而又采用干式抽放泵时，瓦斯浓度不低于25； （5）瓦斯综合利用的特殊要求等。 2、主要内容 （1） 瓦斯抽放管路系统布置与计算 （2） 瓦斯抽放管路和附属装置的敷设 （3） 瓦斯抽放泵的选择与计算 （4） 瓦斯抽放泵房布置图 二、瓦斯抽放管路计算 1、抽放管路的管径计算 瓦斯管直径选择的是否合适，直接影响瓦斯抽放系统的建设投资和抽放效果。直径太大，投资过多；直径太小，阻力过大，能耗增加。因此，抽放瓦斯管路的管径应按最大流量分段计算，以建设投资和运转费用最低为原则，并与抽放设备能力相适应。根据瓦斯泵的实际能力留有余量，并考虑运输与安装的方便。通常瓦斯管路的直径按下式计算。 （510） 式中 d瓦斯管内径，m； Q管内混合瓦斯流量，m3/min； V管内瓦斯的平均流速，一般取515m/s。 按照大管径流速取大值、小管径流速取小值，管路系统较长者流速取小值、管路系统较短者流速取大值的原则选取经济流速，矿井瓦斯管路直径在采区工作面内一般选用200～250mm，大巷的干管一般选用250～325mm，井筒和地面选用325～400mm。 2、管壁厚度的确定 由于瓦斯管路内的压力比按管壁强度允许的计算压力小得多，所以对负压管路的壁厚，一般选择标准管规格中最薄的一级，对正压输气管路，一般选择最薄或较薄一级，但是，当压力较大时，应按下式计算壁厚 （511） 式中 δ瓦斯管壁厚，m； p0瓦斯管路中最大工作压力，Pa； D瓦斯管外径，m； [σ]管材许用应力，铸铁管为20MPa；焊接钢管为60MPa；无缝钢管为80MPa。 3、管路阻力计算 抽放管路阻力包括沿程阻力和局部阻力，为了保证选用的瓦斯抽放泵能满足抽放系统最困难时期所需抽放负压，应根据矿井各生产时期瓦斯抽放系统中管路最长、流量最大、阻力最高的抽放管线来计算矿井抽放系统总阻力矿井抽放系统的总阻力。 （1）沿程阻力计算 （512） 式中 pf某段管路的沿程阻力，Pa； Q某段管路的混合瓦斯流量，m3/h； δ混合瓦斯对空气的相对密度，由表513查取； L管路长度，m； d管路内径，cm； k系数，根据管径由表514查取。 表513 在0℃及1标准大气压时混合瓦斯对空气的相对密度 瓦斯浓度 / 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 0.996 0.991 0.987 0.982 0.978 0.973 0.969 0.964 0.960 10 0.955 0.951 0.947 0.942 0.938 0.933 0.929 0.924 0.920 0.915 20 0.911 0.906 0.902 0.898 0.893 0.889 0.884 0.880 0.875 0.871 30 0.866 0.862 0.857 0.853 0.848 0.844 0.840 0.835 0.831 0.826 40 0.822 0.817 0.813 0.808 0.804 0.799 0.795 0.791 0.786 0.782 50 0.777 0.773 0.768 0.764 0.759 0.755 0.750 0.746 0.742 0.737 60 0.733 0.728 0.724 0.719 0.715 0.710 0.706 0.701 0.697 0.693 70 0.688 0.684 0.679 0.675 0.670 0.666 0.661 0.657 0.652 0.648 80 0.644 0.639 0.635 0.630 0.626 0.621 0.617 0.612 0.608 0.603 90 0.599 0.595 0.590 0.586 0.581 0.577 0.572 0.568 0.563 0.559 100 0.554 表514 不同管径的k值 管径 /mm 15 20 25 32 40 50 70 80 100 125 150 150 k 0.46 0.47 0.48 0.49 0.50 0.52 0.55 0.57 0.62 0.67 0.70 0.71 （2）局部阻力计算 （513） 式中 pj管路局部阻力，Pa； ξ局部阻力系数，查表515； ρ混合瓦斯密度，kg/m3，查表516； v管路中瓦斯的平均流速，m/s。 表515 管路局部阻力系数 管件 直流三通 分流三通 管径相差一级的突然缩小 90弯头 闸阀 球阀 截止阀 ξ 0.30 1.50 0.35 0.30 0.50 9.00 2.0 在实际工程设计中，局部阻力可按沿程阻力的1020估算。管路系统长，网络复杂或主管管径较小者，可按上限取值，反之则按下限取值。 上述阻力计算方法，适用于0℃和1标准大气压的特定条件，如果实际条件与特定条件不一致时，应用下式进行换算，即将计算值乘以修正系数σ （514） 式中 σ修正系数； pD工作地点的大气压，Pa； pB标准大气压，101325Pa； TB标准温度，273K； TG管路中瓦斯绝对温度，K。 ⑶总阻力损失计算 表516 在0℃及1标准大气压时不同浓度瓦斯混合气体的密度 kg/m3 瓦斯浓度 / 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1.2930 1.2872 1.2815 1.2753 1.2700 1.2642 1.2584 1.2527 1.2469 1.2411 10 1.2354 1.2296 1.2239 1.2181 1.2123 1.2066 1.2008 1.1951 1.1893 1.1835 20 1.1778 1.1720 1.1662 1.1605 1.1547 1.1490 1.1432 1.1374 1.1317 1.1259 30 1.1202 1.1144 1.1087 1.1029 1.0971 1.0913 1.0856 1.0978 1.0741 1.0683 40 1.0625 1.0568 1.0510 1.0452 1.0395 1.0337 1.0280 1.0222 1.0164 1.0107 50 1.0049 0.9992 0.9934 0.9876 0.9817 0.9761 0.9703 0.9646 0.9588 0.9531 60 0.9473 0.9415 0.9358 0.9300 0.9242 0.9185 0.9127 0.9070 0.9012 0.8954 70 0.8897 0.8839 0.8782 0.8724 0.8666 0.8609 0.8551 0.8493 0.8436 0.8778 80 0.8321 0.8263 0.8205 0.8148 0.8090 0.8033 0.7975 0.7917 0.7860 0.7802 90 0.7744 0.7687 0.7629 0.7572 0.7514 0.7456 0.7399 0.7341 0.7283 0.7226 100 0.7168 三、瓦斯泵的选型计算 1、瓦斯泵的选型原则 （1）矿井抽放瓦斯设备的能力，应满足矿井抽放瓦斯期间，或在抽放瓦斯设备服务年限内，达到的开采范围的最大抽放量和最大抽放负压的要求，使抽放钻孔达到足够的负压，并满足抽放泵出口正压需求。且应有不小于15％的富裕能力。 （2）在一个抽放站内，抽放瓦斯泵及附属设备只有一套工作时，应备用一套；两套或两套以上工作时，其备用量可按工作数量的60％计算。 （3）瓦斯泵要具有良好的气密性，防止运转时瓦斯渗入站房。 2、瓦斯泵的流量计算 瓦斯泵必备流量应能满足服务年限内，抽放系统的最大瓦斯抽放量并有余量，可由下式计算 （515） 式中 Q瓦斯泵必备流量，m3/min； k备用系数，k1.2； ΣQz各抽放区抽出的最大纯瓦斯量之和，m3/min； x瓦斯泵入口处瓦斯浓度，煤矿安全规程规定x≥0.3； η瓦斯泵的机械效率，一般取0.8。 目前我国的真空泵曲线都是按工况状态下的流量绘制的，所以还需按下式把标准状态下的抽放泵流量换算成工况状态下的流量。 （516） 式中 Q泵工工况状态下的瓦斯泵流量，m3/min； Q泵标准状态下的瓦斯流量，m3/min； P0 标准大气压力（P0101325），Pa； P 瓦斯泵入口绝对压力，Pa； T 瓦斯泵入口瓦斯的绝对温度（T273t），K； T0按瓦斯抽放行业标准规定的标准状态绝对温度（T027320），K； t瓦斯泵入口瓦斯的温度，℃。 3、瓦斯泵的压力计算 瓦斯泵必备的压力，应能克服从井下钻孔到瓦斯泵之间，负压抽吸管路的全部阻力，以及从瓦斯泵到用户之间正压输气管路的全部阻力，并能满足服务年限内抽放系统最大阻力要求且有一定余量。 负压抽吸管路的阻力包括 （1）最长管路（最不利管路）的沿程阻力和该管路所有构件局部阻力之和。 （2）钻场或钻孔口必须的负压。钻场负压越高，瓦斯抽放量越大。但过高的负压会使瓦斯浓度降低，管路放水困难，甚至会促使煤的自燃。目前，我国主要矿井钻场高负压抽放时大约在1182kPa，中等负压在227kPa，低负压抽放在2kPa以下。一般当煤层透气性低、钻场和钻孔间距大、抽放的允许时间短，封孔质量好，新区瓦斯浓度高时，负压取大些，反之取小些。 正压输气管路的阻力包括 （1）最长管路（最不利管路）的沿程阻力和该管路所有构件局部阻力之和。 （2）瓦斯用户，即管路出口所必须的正压。一般取5001000Pa。 瓦斯泵应具备的压力为 pkpcpy k[pcfΣpcjpcz pyfΣpyjpyc] （517） 式中 p瓦斯泵的压力，Pa； k备用系数，取k1.2； pc负压抽吸管路的阻力，Pa； py正压输气管路的阻力，Pa； pcf负压最长管路（最不利管路）的沿程阻力，Pa； ∑pcj负压管路所有构件局部阻力之和，Pa； pcz钻场或钻孔口必须的负压，Pa； pyf正压最长管路（最不利管路）的沿程阻力，Pa； Σpyj正压管路所有构件局部阻力之和，Pa； pyc瓦斯用户，即管路出口所必须的正压，Pa。 4、瓦斯泵的选型 根据计算的瓦斯泵必须的流量Q和压力p，从瓦斯泵规格表中选择合适的瓦斯泵。 所选瓦斯泵除满足流量和压力的要求外，还应符合下列条件 （1）瓦斯泵必须保证24小时连续运转，并应有同等能力的备用瓦斯泵（包括电动机与电控设备），保证一台瓦斯泵因故停运时，另一台能立即投入运转。 （2）瓦斯泵应有两条供电线路，其中一条为专用。电动机及其电气附属设备必须采用矿用防爆型。 （3）瓦斯泵本身应有高度的气密性，不允许有漏气现象。 【任务实施】 选型计算举例 （一）原始资料 某矿瓦斯抽放管路系统如图544所示。瓦斯泵房建在南风井工业广场内，管路自泵站经南风井筒、-415m水平回风大巷、集中回风道、采区阶段上山进入排放瓦斯道与钻场内的抽放瓦斯管相连。另外，从-415m水平回风大巷接一条管路，经采区轨道上山、联络巷、主副井底车场至北翼大巷瓦斯喷出点，抽放喷出的瓦斯。 图544 抽放管路系统图 根据管路布置图，主管路为泵房至-415m水平回风大巷段，分管路有两条，一条为至北翼大巷瓦斯喷出点，另一条为至采区阶段上山瓦斯排放道，支管路为采区瓦斯排放道内的管路。 钻场抽放最大负压为26.7kPa；地面管路系统的总阻力为6kPa；用户要求的出口正压为0.8kPa。 各管路长度、纯瓦斯流量和浓度见表517。 表517 瓦斯抽放管路参数 管别 长度 L/m 纯瓦斯流量 Qz/m3/min 瓦斯浓度 x/ 用途 主管（A-B） 1500 10 40 矿井总管路 分管（B-C） 2300 5 80 北翼大巷分管路 分管（B-D） 1300 5 50 采区分管路 支管（D-E） 500 2.5 60 采区支管路 （二）瓦斯抽放管路计算 1、管材的选择 井下瓦斯管路，由于运输和安装等原因，可能出现碰撞、挤压和摔跌等现象，因此，选择焊接钢管。 2、管径的计算 由式（510）计算，按计算结果查表510焊接钢管标准管径表，选择标准管径。 各管路管径计算结果及所选择的标准管径见表518。 表518 瓦斯抽放管路管径计算表 管别 混合瓦斯流量 Q/m3/min 计算管内径 d/m 标准管径 Dδ/mm 主管（A-B） 25 0.230 2456.5 分管（B-C） 6.25 0.115 1274.0 分管（B-D） 10 0.146 1594.5 支管（D-E） 4.2 0.094 1023.5 3、壁厚的确定 井下瓦斯抽放管路处于负压状态下工作，管路中的实际压力比所选管材的许用压力小得多，所以，对强度要求不高，因此，在满足内径要求的条件下，选择较小壁厚的管子（查表510），就可满足工作压力下对管子强度的要求，不必进行管壁厚度的验算。 4、管路阻力计算 （1）沿程阻力计算，由公式（512）可知。 各管路沿程阻力计算结果见表519。 表519 管路沿程阻力计算表 管路 流量 Q/m3/h 瓦斯浓度 x/ 相对密度 S 管长 L/m 管径系数 k 管径 d/cm 沿程阻力 pf/Pa 主管（A-B） 1500 40 0.822 1500 0.71 23.2 5703 分管（B-C） 375 80 0.644 2300 0.658 11.9 13013 分管（B-D） 600 50 0.777 1300 0.7 15 6710 支管（D-E） 252 60 0.733 500 0.608 9.5 4853 从地面到采区支管总沿程阻力为 pfA-B-D-E57036710485317266Pa； 从地面到北翼大巷总沿程阻力为 pfA-B-C57031301318716 Pa。 可见，最不利管路为从地面到北翼大巷的管路。 （2）局部阻力计算，管路局部阻力按沿程阻力的20考虑，则最不利管路的局部阻力为 pjA-B-C 187160.23743Pa； （3）阻力计算结果的换算 由上述计算结果可知，最不利管路的总阻力为 pA-B-C pfA-B-C pjA-B-C 18716374322459 Pa 上述总阻力是按0℃和1标准大气压的特定条件计算的，如果实际条件为20℃，大气压力为98100Pa，则上述计算结果应乘以修正系数σ 实际总阻力为 0.9022245920258 Pa （三）瓦斯泵选型计算 1、瓦斯泵流量 瓦斯泵必备流量按式（515）计算。由矿井原始资料可知各抽放区抽出的最大纯瓦斯量之和ΣQz10m3/min；瓦斯浓度x40。抽放备用系数k1.2；瓦斯泵效率η0.8。代入上式（515）得 图545 瓦斯泵房设备布置图 1-放水器；2-防爆器；3-防回火器；4-放空管；5-流量计；6-水环泵； 7-气水分离器；8-电动机；9-水泵；10-高位水箱；11-滤清器；12-水池 2、瓦斯泵压力 瓦斯泵应具备的压力按式（517）计算。由管路计算可知井下最不利管路系统沿程和局部阻力总和为20.3kPa；钻场抽放负压pcz26.7kPa；地面管路系统的总阻力为6kPa；用户要求的出口正压为0.8kPa；备用系数k1.2。代入上式得 p1.2[（20.326.7）（60.8）]64.56kPa 根据计算所得的Q37.5m3/min，p64.56kPa，查真空泵产品样本，选择SK60型水环式真空泵两台，一台工作，一台备用。该泵负压为080kPa，流量为4060 m3/min，出口管直径为250mm，供水量为160L/min，所需电动机的功率为95kW。瓦斯泵房设备布置如图545所示。 【思考与练习】 51．水环泵由哪些部件组成单作用式和双作用式有何异同 52．水环泵是怎样进行能量转换的 53．什么是水环泵的过压缩现象如何消除 54．与水环泵配套的气水分离器的作用是什么 55．瓦斯泵房位置的确定要考虑哪些因素 56．抽放瓦斯系统的安全装置有哪些各起什么作用 57．瓦斯泵房设置大、小循环管的意图何在 58．瓦斯泵的日常检查内容有哪些 59．瓦斯泵启动操作程序有哪些 510．水环泵压力与流量调整的具体方法是什么 参考文献 1 马立克等主编.流体力学、通风与瓦斯抽放设备．北京煤炭工业出版社，2008 2 赵洵众主编．与流体机械．北京煤炭工业出版社，1995 3 张荣立等主编．采矿工程设计手册. 北京煤炭工业出版社，2003 4 煤炭工业职业技能鉴定指导中心编制.瓦斯抽放工.北京煤炭工业出版社，2010 5 中国煤炭工业劳动保护科学技术学会编制．煤矿工人安全技术操作规程指南．北京煤炭工业出版社，2006 6 8