CO 低負壓引排系統水環真空泵設計研究

路 寧 張海洋 王永敬

（1.國網能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

大南湖一礦CO 低負壓引排系統主要是在工作面回風隅角布置引排管路，利用引排泵在回風隅角形成低負壓區，使該區域CO 氣體隨引排管路排出，避免回風隅角局部位置的CO 氣體超限[1-2]。同時，采用低負壓進行CO 引排，在治理回風隅角CO 氣體濃度超限的同時，可避免地表向采空區大量漏風，使采空區遺煤自然發火風險在可控范圍之內[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Ⅰ類容易自燃煤層，煤層存在低溫氧化生成CO 氣體現象。通過調研分析，工作面生產時CO 涌出量達0.096 m3/min，參考瓦斯抽放經驗[5-10]，采用低負壓引排回風隅角CO 的方法，CO 引排率預計在30%～80%。雖然CO 引排率不一定能達到瓦斯抽放的水平，但為了使引排能力留有一定的余地，引排率按40%進行設計，即工作面回風隅角CO 引排量預計為0.038 m3/min。根據現場實際情況，在井下建立CO 引排泵站，工作面回風隅角CO 氣體引排至3 煤集中回風大巷，管路長度按泵站至工作面最遠距離3700 m 進行設計。

2 CO 低負壓引排系統管路設計及阻力計算

2.1 管路設計選型

根據大南湖一礦井下巷道空間情況，CO 引排管其管徑按下式計算：

式中：D為引排管路內徑，m；QCO為引排管路中的混合CO 流量，m3/min；v為經濟流速，m/s，一般取5～12 m/s，v=10 m/s。

考慮管路使用年限及服務區域的變化，應有1.2～1.8 的富余系數，設計取富余系數為1.5。引排管路管徑計算結果見表1。

表1 CO 引排系統管路管徑計算表

根據管路管徑的設計結果，結合現場實際情況及工程要求，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接，橡膠密封墊密封。

2.2 管路阻力計算

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

1）直管摩擦阻力損失計算

式中：Hf為摩擦阻力損失，Pa；L為引排管路長度，到達工作面最遠距離，L=3700 m；QCO為引排管路中的混合CO 流量，QCO=1.867 m3/s；d為引排管路內徑，d=600 mm；v0為標準狀態下的混合CO 運動黏度，v0=1.5×10-5m2/s；ρ為引排管路內混合CO 密度，ρ=1.293 kg/m3；Δ 為引排管路壁內的當量絕對粗糙度，Δ=0.15 mm；P0為標準大氣壓力，P0=101 325 Pa；P為引排管路內氣體的絕對壓力，P=16 859.16 Pa；T為引排管路中的氣體溫度為t時的絕對溫度，K，T=273+t；t為引排管路中的氣體溫度，20 ℃；T0為標準常態下的絕對溫度，T0=293 K。

設計正壓段管長100 m，負壓段管長3700 m。經計算，正壓段管摩擦阻力為443.33 Pa，負壓段管摩擦阻力為16 403.05 Pa，直管總摩擦阻力Hz=16 846.38 Pa。CO 引排管路負壓阻力大于礦井的總通風阻力，因此需在管路上增加引排泵作為負壓源。

2）局部阻力損失計算

參考瓦斯抽采設計國家標準，局部阻力損失取直管阻力損失的15%，則引排管路系統的局部阻力損失為：

3）總阻力損失計算

經計算，Hj=2 526.96 Pa，Ht=19 373.34 Pa。

3 CO 低負壓引排系統水環真空泵設計選型

3.1 低負壓水環真空泵設計

1）標準狀態下引排系統壓力計算

式中：H為CO 引排系統壓力，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 引排系統壓力富余系數，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，按負壓段摩擦阻力的15%計算，h1j=2 460.46 Pa；h1為CO 引入口負壓，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%計算，h2j=66.5 Pa；h2為CO 排出口正壓，h2=5000 Pa。

經計算，H1=28 863.51 Pa，H2=5 509.83 Pa，H=44 032.25 Pa。

2）水環真空泵工況壓力計算

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

水環真空泵工況壓力PCOg=54 767.75 Pa。

3）標準狀態下水環真空泵流量計算

CO 引排泵流量必須滿足引排泵服務年限之內最大引排量的需要，可按下式計算：

式中：QCOb為標準狀態下水環真空泵的計算引排量，m3/min；QCO0為設計CO 引排純量，0.038 m3/min；X為預計的引排管路入口處CO 體積分數，3.4×10-4；K'為引排能力富余系數，可取1.2～1.8，取1.8；η為水環真空泵的機械效率，η=80%。

按預計的CO 引排純量及其體積分數計算，水環真空泵所需的流量QCOb=251.47 m3/min。

4）水環真空泵工況流量計算

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

經計算，P'=53 051.34 Pa，QCOg=515.6 m3/min。

5）CO 引排泵的真空度計算

式中：i為水環真空泵真空度，%。

經計算，i=43.48%。

3.2 低負壓水環真空泵選型

結合大南湖一礦井下實際情況及工作面回風隅角CO 引排效果要求，根據設計計算結果，CO 低負壓引排系統選用2 臺型號2BEC72 型水環真空泵，一用一備，抽氣量大于515.6 m3/min，電機功率大于650 kW，工作轉速大于300 r/min，耗水量40 m3/h。低負壓水環真空泵性能曲線如圖1。

圖1 CO 低負壓引排系統布置示意圖

圖2 低負壓水環真空泵性能曲線

4 結語

1）對于淺埋深低變質煤層采用引排方式治理回風隅角CO，在水環真空泵設計選型時，既要達到引排治理效果，亦盡可能降低吸氣壓力，減少引排對采空區造成漏風的影響，避免由于引排導致采空區遺煤自然發火。

2）煤礦CO 涌出量遠低于瓦斯涌出量，現有瓦斯抽采工程設計標準可作為參考依據，但不完全適用，在實際設計計算中需進行調整，使之適應現場實際情況，設計時應考慮一定的富余系數。

3）設計CO 低負壓引排系統管路采用Φ610 mm×5000 mm 型螺旋焊接鋼管，引排泵采用2 臺型號2BEC72 型水環真空泵，一用一備，抽氣量大于515.6 m3/min，電機功率大于650 kW，工作轉速大于300 r/min，耗水量40 m3/h。

4）CO 低負壓引排系統在大南湖一礦進行現場應用，結合采空區控風堵漏等措施，回風隅角CO氣體濃度大幅降低，采空區自然發火標志氣體濃度也在發火臨界值以下。