煤矿瓦斯抽采泵选型.pdf

第五章第五章瓦斯抽采系统和设备选型及布置瓦斯抽采系统和设备选型及布置第一节第一节矿井瓦斯抽采系统选择矿井瓦斯抽采系统选择一、瓦斯抽采系统选择的原则一、瓦斯抽采系统选择的原则1、开采高瓦斯矿井，应建立地面固定瓦斯抽采系统；2、地面固定瓦斯抽采系统设计抽采瓦斯量应不小于 2m3/min。3、分期建设、分期投产的矿井，抽采瓦斯工程可一次设计，分期建设、分期投抽。抽采瓦斯站的建设方式，应经技术经济比较确定。一般情况下，宜采用集中建站方式。当有下列情况之一时，可采用分散建站方式：1）分区开拓或分期建设的大型矿井，集中建站技术经济不合理；2）矿井抽采瓦斯量较大且瓦斯利用点分散。3）一套抽采瓦斯系统难以满足要求。4、地面固定瓦斯抽采系统宜根据下列具体情况分别布置高负压或低负压瓦斯抽采系统：1）采用采空区抽采等抽采方法的矿井宜采用低负压抽采系统。2）采用本煤层抽采、边掘边抽等抽采方法的矿井，宜采用高负压抽采系统。3）采用上述抽采方法的矿井，且矿井设计抽采量不小于10m3/min 时，宜分别建立高、低负压抽采瓦斯系统。二、瓦斯抽采系统选择二、瓦斯抽采系统选择本矿井为高瓦斯矿井，根据GB 50471-2008煤矿瓦斯抽采工程设计规范及AQ1055-2008煤矿建设项目安全设施设计审查和竣工验收规范 、 煤矿安全规程 ，该矿必须建立地面永久抽采瓦斯系统。抽采系统服务年限内开采 C8煤层时采用工作面采前预抽、工作面边采边抽、掘进工作面先抽后掘和半封闭采空区瓦斯抽采、全封闭采空区瓦斯抽采的抽采方法。按照煤矿瓦斯抽采达标暂行规定 （安监总煤装2011163 号）文要求，设计采用高、低负压两套抽采瓦斯系统。矿井开采 C8煤层预抽 C9煤层时设计抽采量为 min， 开采 C9煤层预抽 C8煤层时设计抽采量为 min。低负压系统瓦斯最大抽采量为抽采 C8煤层全封闭采空区及半封闭采空区时的瓦斯抽采量，合计为 min。其中半封闭采空区瓦斯抽采量为 min，全封闭采空区瓦斯抽采量为 min。高负压系统瓦斯最大抽采量为 m3/min。第二节第二节抽采管路布置及选型计算抽采管路布置及选型计算矿井现有 2 台 2BE1 303-0 型瓦斯抽采泵，电机功率 90kW，井下管路均采用 PVC-KM 型煤矿井下用聚氯乙烯管，主管 225，支管 160。一、抽采管路系统选择一、抽采管路系统选择(一)管网系统管网系统由三部分组成：1、主管，抽采和输送全矿井瓦斯管路；2、分管，抽采和输送一个或几个采区的的瓦斯管路3、支管，抽采和输送一个采、掘工作面的瓦斯管路；4、管网附属装置，包括：1）测压、测流量和调节装置：用于调节、控制和测量管路中瓦斯浓度、流量和压力等参数；2）安全装置：用于安全防护，包括接地保护、放水器等装置；3）安全监测监控装置：监测瓦斯抽采系统运行状况并进行相应的控制。（二）矿井抽采管路系统布置根据以上管路系统选择原则，并结合矿方接替采区巷道布置，设计采用在回风斜井工业场地附近地面抽采站安设抽采管路，投产初期瓦斯抽采管路系统布置详见图：W/2二、抽采管路管径计算及管材选择二、抽采管路管径计算及管材选择（一）瓦斯管径计算根据抽采管道服务的范围和所负担抽采量的大小，其管径按下式计算：D=(Q混/V)1/2式中D瓦斯管内径，m；V管道中混合瓦斯的经济流速，m/s；经济流速可取512m/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。Q 混管内混合瓦斯流量， m3/min； 按照开采各类管道的流量应按照其使用年限或服务区域内的最大值确定，并应有的系数。备用系数取。抽采瓦斯管径计算结果见表 5-2-1 和表 5-2-2。表表 5-2-15-2-1低负压系统抽采管径计算表低负压系统抽采管径计算表纯瓦管路斯流量名称3瓦斯浓度混合瓦斯流量3气体流速计算管选用管道内径道规格地面、回风斜井、集备注（m /min）（%）（m /min）（m/s）（mm）主管支管 1支管 21010101088355中回风巷280225（工作面回风巷）老采空区生产采空区表表 5-2-25-2-2高负压系统抽采管径计算表高负压系统抽采管径计算表管路名称纯瓦斯流量瓦斯浓度混合瓦斯流量气体流速计算管道内径选用管备注道规格（m /min）（%）（m /min）（m/s）（mm）集中回风巷、回风斜主管分管支管 1支管 2支管 3支管 42020202020201088888400井、地面280315280160160+1900m 回风石门工作面回风巷预抽工作面回风巷1#炮掘工作面2#综掘工作面33（二）管材选择瓦斯管的管材尽量采用国家定型产品，且必须取得“MA”标志。目前常用的管材有无缝钢管、PVC-KM 煤矿井下用聚氯乙烯管等。管材选择一般考虑运输、安装、使用、维修、防腐、防碰撞及投资等因素。由于 PVC 管材比重仅为钢管的 1/，且其使用寿命、安全性能、维护和防腐等方面的优势远远高于钢管，故本设计井下瓦斯抽采管道均选用 PVC 矿用抗静电阻燃复合管。地面采用螺旋焊接钢管，低负压采用 325型螺旋焊接钢管，高负压采用 377型螺旋焊接钢管，螺旋焊接钢管采用法兰连接。并涂刷防锈漆防腐。（三）抽采管路阻力计算抽采管路阻力损失计算应选择抽采系统服务年限内一条最长的抽采管路进行计算，开采 C19b煤层（三盘区）时瓦斯管路最长，所以低负压最长管路按地面至回采C19b煤层生产采空区计算，高负压最长管路按地面至 C19b煤层工作面回风巷计算。抽采管路总阻力包括直管摩擦阻力和局部阻力；直管摩擦阻力可用下式计算：hf 9.8式中：H阻力损失，Pa；L管路长度，m；Q管路流量，m3/h；d管路内径，cm；K0系数，根据管径不同选取；LK0d5Q2混合瓦斯对空气的相对密度，kg/m3。其中按下式计算：r n r n 1122r2式中：r1瓦斯密度，取 0.715kg/m3；n1混合瓦斯中瓦斯浓度；r2空气密度，取 1.293kg/m3；n2混合瓦斯中空气浓度。局部阻力可用估算法计算，一般取摩擦阻力的 10-20。抽采管路阻力损失计算结果见表 5-2-3 和表 5-2-4。表 5-2-3低负压抽采管路直管阻力计算表管路名称管路安装地点地面主管支管 2小计局部阻力总计2205220597215060010003301128312345816875268Q（m /h）3K0d（cm）L（m）H（Pa）按直管阻力损失的 15%表 5-2-4高负压抽采管路直管阻力计算表管路名称管路安装地点地面主管支管 1小计局部阻力总计332133211501450400349323575043346504984Q（m /h）3K0D（cm）L（m）H（Pa）按直管阻力损失的 15%四、抽采管路敷设及附属设施。四、抽采管路敷设及附属设施。管路联接是瓦斯抽采管网系统中重要环节，是系统中主要漏气点。PVC-KM 煤矿井下用聚氯乙烯管其连接采用扩口承插、法兰、丝扣等方式，安装、拆卸、修复快捷方便。本设计主管采用法兰联接，支管和干管均采用扩口承插粘接方式连接或者 R 扩口连接方式，移动部分采用快速接头连接。地面管路采用法兰盘连接。管路敷设及安装要符合下列要求：1、抽采管路通过的巷道曲线段少、距离短。转弯时不要转急弯。2、井下瓦斯抽采管路包括风井管路、上山管路、回风巷管路、工作面顺槽管路等，风井管路沿井筒敷设，采用悬臂吊挂安装方式或打支撑墩；上山、回风巷管路管路沿巷道敷设， 采用吊挂或打支撑墩沿巷道底板敷设； 工作面顺槽管路采用支撑墩沿巷道底板敷设，其中采用吊挂安装的管路，其高度不小于 1.8m，支架间距 36m，并固定在巷道壁上，与巷道壁的距离应满足检修要求；抽采瓦斯管件的外缘距巷道壁不宜小于 0.1m。3、地面瓦斯管路敷埋地铺设时管道采用涂刷沥青防腐，且必须在表土冻结深度以下，瓦斯管道距建筑物 5m 以上，距动力电缆 1m 以上，距排水沟 1.5m 以上。4、主管、干管及其与钻场连接处应装设瓦斯计量装置。5、抽采钻场、门框架、 低洼、温度突变处及沿管路适当距离(间距一般为 200m300m，最大不超过 500m)，应设置放水器。6、在抽采管路的适当部位应设置除渣装置和测压装置。7、抽采管路分岔处应设置控制阀门，阀门规格应与安装地点的管径相匹配。8、主管上的阀门应设置在井下主要分区点，确保每点进行撤安管路时，不影响其它区域的正常抽采，并便于人员操作。9、抽采管路应根据巷道保持一定的坡度，一般不小于 1的流水坡度。10、凡遇跨越有运输任务的巷道时，抽采管路安装设置门框架；门框架设置要求以不影响行车、行人为准。11、管路要托挂或垫起，吊挂要平直，拐弯处设弯头，不拐急弯。管子的接头接口要拧紧，用法兰盘连接的管子必须加垫圈，做到不漏气、不漏水。12、在倾斜巷道中，管路应设防滑卡，其间距可根据巷道坡度确定，对28以下的斜巷，间距一般取 15m-20m。13、瓦斯管路系统安设完毕后，应对管路系统的气密性进行检查，可采用压缩空气试压，其压力不小于。并采取防腐蚀、防砸坏、防带电及防冻等措施。14、通往井下的抽采管路应采取防雷措施。15、抽采瓦斯管路外部涂红色以示区别。（二）管路附属装置瓦斯管路的附属装置，大致分为两大类：一类是用来调节控制瓦斯压力和流量的，另一类是有关安全监控方面的。1、钻孔与管路的连接装置瓦斯管路的连接装置，包括管路弯头、自动放水器、孔板流量计和高压胶管等。封孔管与管路弯头、孔板流量计、止回阀等连接，再通过接头与铠装胶管连接，胶管另一端通过接头与瓦斯管三通上的阀门连接，构成了瓦斯抽采系统的开端。瓦斯管上连结自动放水器，及时放出积聚的水分。2、阀门在瓦斯主、干管、钻孔联接装置以及认为需要的地点，都必须设置阀门，用于调节各个抽采区、各个钻孔的抽采量及瓦斯浓度，同时也可以调节、控制和平衡各地点、各管路系统上所需要的压力。另外，当修理和更换瓦斯管，以及联接或拆接钻孔装置时，可以关闭阀门，切断通路。阀门型号根据使用地点和管径大小而确定，一般抽采点由于管径小选用闸阀，主、干管可选用外形尺寸较小的蝶阀，钻孔口选用逆止阀防止瓦斯流倒流。阀门必须是取得“MA”标志，且适用于煤层瓦斯气的阀门。3、测压嘴（孔）测压嘴即测定管路中瓦斯流的压力和瓦斯管路中气体取样的小孔，在管路安装以前，预先安装上。在瓦斯主管、支管和钻孔联接装置上都应设置。测压嘴不宜过大过长，一般不超过 30mm，其直径大约 410mm。平时，可用一头捆扎的细胶管套紧，确保与管外空气隔绝。4、管路放水器在瓦斯抽采时， 煤层中部分水分随瓦斯气流被抽出。 管路在敷设中有一定的倾斜角度，管中不断有水流向管路中的低洼处，影响瓦斯流动。管路中需每 200300m、最长不超过500m 的低洼处安设一放水器，及时将管中积水放出。放水器有人工和自动两种放水器。为了提高人员效率，选用 CWGFY 型负压自动放水器。该放水器主要技术参数为：压力范围0；放水速度7L/min；外形尺寸 300300410mm；重量25kg；5、流量计在瓦斯管网中的主管、干管和支管上均安装流量计，通过其流量的测定，可以掌握每个瓦斯区域的瓦斯流量情况，反映煤层瓦斯涌出规律和抽采效果。流量仪表按作用原理划分为面积式流量计、差压式流量计、流速式流量计和容积式流量计。我国煤矿瓦斯抽采使用最广泛的是节流式变压降法中径距取压的孔板流量计，其原理是当气体通过事先校正过的节流装置（即孔板）时，产生压力降（或压差） ，测出此压力差即可换算出通过的气体流量。设计选用孔板流量计进行计量，选用上游侧取压孔距孔板为 D，下游侧取压孔距孔板为 D/2 的标准孔板（其中 D 代表抽采管直径） 。（1）孔板流量计其适用条件孔板圆孔直径d12.5mm；管道直径50D760mm；直径比d/D；雷诺数12602DReo108（2）使用孔板流量计的管道条件和安装要求孔板上游侧的测量管长度为 10D，下游侧的长度为 4D；测量管内表面应清洁，无凹陷和沉淀物，其相对粗糙度 K/D 应少于或等于；孔板上、下游所需直管长度不得小于相应的最小值；测量管长度之外的直管段内表面的相对粗糙度 K/D 小于或等于，但也允许使用相对粗糙度更高一些的管子；在测量管中安装孔板时，开孔轴线与测量管轴线同轴，孔板上游侧端面与管道轴线垂直，垂直度小于1%。6、测压计测压计须选用负压测压计。YPF-150 型防腐膜片压力表:测量范围；精确度等级；外形尺寸150258mm7、瓦斯取样器当抽采管路负压大于 13kPa 时，常用的皮球就不能取出瓦斯气样。设计选用 FW2 型高负压瓦斯采样器。该瓦斯采样器与孔板流量计配合使用采取瓦斯样。该取样器取气负压范围为 085kPa，质量为 1.3kg。测定管路压力和瓦斯浓度须在同一位置。一般测定位置为钻孔口附近、管路汇流处、管路分流处、主管始未处及其它必要处。8、扩孔器若个别钻孔瓦斯抽采效果不好时，可采用扩孔器对瓦斯钻孔扩孔，以增大钻孔直径、卸压范围、降低地应力、提高煤层透气性，提高钻孔抽采效果。选用 SKP 型高压水射流扩孔器，其技术参数为：高压水额定流量8m3/h；高压水额定压力5MPa；扩孔直径50350mm第三节第三节抽采设备布置及选型抽采设备布置及选型一一 、抽采设备选型原则、抽采设备选型原则1、 泵站的装机能力和管网能力应当满足瓦斯抽采达标的要求备用泵能力不得小于运行泵中最大一台单泵的能力；运行泵的装机能力不得小于瓦斯抽采达标时应抽采瓦斯量对应工况流量的 2 倍。2、瓦斯抽采泵应选用湿式。3、瓦斯泵要具备良好的气密性。4、抽采设备配套电机必须防爆。5、抽采瓦斯设备的能力，应满足矿井抽采瓦斯期间或在抽采瓦斯设备服务年限（1015a）内所达到的开采范围的最大抽采量和最大抽采阻力的要求，且应有不小于的富裕能力。二、瓦斯泵压力计算二、瓦斯泵压力计算瓦斯泵压力，必须能克服抽采管网系统总阻力损失和保证钻孔有足够的负压，以及能满足泵出口正压之需求。1、标准状态下抽采系统压力按下式计算：H=（Hr+Hc）K= （hrm+hrj+hk）+（hcm+hcj+hz） KHr抽采设备入口侧（负压段）1015 年内管路最大阻力损失（Pa） ；Hc抽采设备出口侧（正压段）管路阻力损失（Pa） ；K抽采系统压力富裕系数，可取；hrm入口侧（负压段）管路最大摩擦阻力（Pa） ；hrj入口侧（负压段）管路局部阻力（Pa） ；hk井下抽采钻孔的设计孔口负压（Pa） ；预抽瓦斯钻孔的口负压不得低于 13kPa，卸压瓦斯抽采钻孔的孔口负压不得低于 5kPa；hcm出口侧（正压段）管路最大摩擦阻力（Pa） ；hcj出口侧（正压段）管路局部阻力（Pa） ；hz出口侧（正压段）的出口正压（Pa） ；出口进入瓦斯储气罐，可取 35005000Pa。高负压：H(4984+13000+3500)32226Pa低负压：H(5268+5000+3500)20652Pa2、抽采泵工况压力按下式计算：Pg=PdH式中：Pg抽采泵工况压力（Pa） ； Pd抽采泵站的大气压力，抽采站标高+2049m，此处标高大气压力为 78935Pa。高负压：7893532226=46709Pa；低负压：7893520652=58283Pa。3、抽采泵入口绝对压力按下式计算：P=PdHrhk式中：Hr抽采管路最大阻力损失（Pa） ； hk抽采泵入口负压（Pa）高负压：789354984-13000=60951Pa；低负压：789355268-5000=68667Pa。经计算，瓦斯抽采泵压力计算结果见表 5-3-1 所示。表 5-3-1瓦斯泵压力计算结果表最大阻名称力损失(Pa)高负压抽4984采系统低负压抽5268采系统500035002065278935582836866713000350032226789354670960951孔口负压(Pa)泵出口备用抽采系统正压系数压力(Pa)(Pa)(Pa)(Pa)(Pa)压力况压力对压力大气抽采泵工抽采泵入口绝三、瓦斯泵流量计算三、瓦斯泵流量计算1、标准状态下抽采泵流量按下式计算：QbKQX 3式中：Qb标准状态下抽采泵的计算流量，m3/min；Q1015 年内最大的设计抽采瓦斯量，m /min；X瓦斯泵入口处的预计瓦斯浓度，%；瓦斯泵的机械效率，取 80%；K抽采能力富余系数，可取，取。高负压瓦斯抽采纯量按 min，低负压瓦斯抽采纯量按 min，用 1 台泵抽采，代入上式得：高负压：Qb低负压：Qb7.381.5 69.19m3/min0.200.82.451.545.94m3/min0.100.82、抽采泵工况流量按下式计算P TQgQb0PT0P=Pd-HT=273+t式中：Qg工况状态下的抽采泵流量（m3/min） ；Qb标准状态下抽采泵的计算流量（m3/min） ；P抽采泵入口绝对压力（Pa） ；T抽采泵入口绝对温度（K） ；t抽采泵入口瓦斯的温度（）10132529369.19115.02m3/min高负压：Qg6095129345.94低负压：Qd101325293 67.79m3/min686672933、按煤矿瓦斯抽采达标暂行规定计算：100抽采达标时抽采量 标准大气压力瓦斯抽采泵流量 2抽采瓦斯浓度 （当地大气压力 泵运行负压）1007.381013252 122.69m3/min高负压：瓦斯抽采泵流量20609512低负压：瓦斯抽采泵流量4、瓦斯泵选型计算结果1002.45101325 72.30m3/min1068667根据上面 2、 3 计算， 选取大值作为瓦斯抽采泵流量计算依据。 瓦斯泵参数见表 5-3-2。表表 5-3-25-3-2抽采泵选型参数计算表抽采泵选型参数计算表标况下瓦斯泵名称流量( m /min )高负压抽采系统低负压抽采系统3泵人口绝压(kPa)工况下瓦斯泵流量( m /min )3抽采达标量对应工况 2 倍值( m /min )3四、抽采泵选型四、抽采泵选型矿井现有 2BEA 353-0 型水环真空泵 2 台，电机功率 90kW，该泵最大吸气量 min，不能满足要求不予利用。根据上述校核结果，设计高负压抽采系统选用 2 台 2BEC-42 型水环真空泵，通过查性能曲线，该泵的转速为390r/min 时，在压力状态下的工况流量为131m3/min；低负压抽采系统选用 2 台 2BEA 353-0 型水环真空泵，通过查性能曲线，该泵的转速为 530r/min 时，在压力状态下的工况流量为min。真空泵的有关技术参数见表5-3-3，性能曲线见图 5-3-1 和 5-3-2。表 5-3-3真空泵参数一览表泵人口绝型号压(kPa)工况状态抽气量(m /min)1313最低吸转速入绝压(r/min)（hPa）16033390530160110电机功率(kW)供水量（m /h）32BEC-422BEA 353-0图图 5-3-15-3-12BEC-422BEC-42 水环真空泵性能曲线图水环真空泵性能曲线图图图 5-3-25-3-22BEA 353-02BEA 353-0 水环真空泵性能曲线图水环真空泵性能曲线图