水与瓦斯分离器的试验研究*

张继忠,孙广义,严立章

(1.黑龙江科技学院资源与环境工程学院, 黑龙江哈尔滨 150027;2.鹤岗矿业集团,黑龙江鹤岗市 154100)

水与瓦斯分离器的试验研究*

张继忠1,孙广义1,严立章2

(1.黑龙江科技学院资源与环境工程学院, 黑龙江哈尔滨 150027;2.鹤岗矿业集团,黑龙江鹤岗市 154100)

在瓦斯抽放过程中,水与瓦斯在抽放管路内一起流动,部分水甚至以气体形式存在,影响瓦斯抽放效果。目前使用的水与瓦斯分离器是在正常工作状态下设计的,当抽放管路停止工作时,瓦斯溢出。本设计的水与瓦斯分离器使水与瓦斯自动分离、排出水量,抽放管路停止工作时,瓦斯不溢出。

水与瓦斯分离器;瓦斯抽放;瓦斯溢出;自动分离;抽放管路

在瓦斯抽放过程中煤层内的水随瓦斯一起被抽出,使抽放管路中含水量较大,影响瓦斯的抽放效果。目前使用的水与瓦斯分离器是在正常抽放条件下设计工作的,在因瓦斯抽放管路系统检修等停止抽放工作后,管路内的压力升高,使瓦斯沿分离器溢出,导致分离器附近的巷道内瓦斯超限,影响生产安全[]。

1 水与瓦斯旋流分离器的速度分布

根据选煤厂分离器的技术原理,分离器内水与瓦斯的运动是复杂的螺旋运动。理论分析[2]与实践表明,分离器内水与瓦斯的流速、压力是影响水与瓦斯分离的重要参数,而管路抽放压力、抽放量对分离器尺寸有重要影响。

1.1 分离器切向速度[3]

分离器内的切向速度ut分布曲线如图1所示。它表示水与瓦斯分离器中不同横截面和不同半径处的切线速度规律。在同一横截面上,切向速度与分离器的半径r成反比。在半径rm＝(0.6～0.7)r处,切向速度达到最大,这个区域的切向速度ut的分布规律可由(1)式决定。

式中,n为系数,实测的n值在0.5～0.9范围之内。

从最大切向速度utmax到轴心处,切向速度ut与半径r成正比例的变化。这是一种强制涡的运动,其变化规律可表示为:

式中,ω——流体的旋转角速度。

这种运动类似龙卷风的运动,在中心区域速度比较大,压力低,因而产生负压区域。

图1 切向速度ut分布曲线

1.2 分离器径向速度

分离器内的径向速度ur分布见图2的左半部, ur＝0的点约在分离器有效高度的中点(N点)。这个点是分界点,也是瓦斯与水分离的关键点。在分界点的上部径向速度方向向外(筒壁)形成外向流,在分界点以下径向速度方向向内形成内向流,是瓦斯与水开始分离的位置。将径向速度分布线连接起来,形成一条平行于分离器锥形体的一条线BC,同样在右部得出平行于锥体的另一条线AC,这些线在分离器内部形成一个假想的圆锥面,在圆锥面的内部是外向流,圆锥面的外部是内向流。最大径向速度urmax约为入口速度ui的0.2～0.3倍。

图2 分离器内的流动

1.3 分离器轴向速度

轴向速度uz分布如图3左部所示。该图的右半部为切向速度分布规律。图中的纵坐标分别代表轴向速度及切向速度值,横坐标代表分离器的半径r。

由图3看出,轴向速度随着半径r的减小,由器壁的负值(向下流)逐渐变为正值(向上流),每一横截面都有一uz＝0的点,叫做分界点。在分界点以左形成下降流,在分界点以右形成上升流。

2 水与瓦斯分离器的压力分布

水与瓦斯分离器压力分布实测数据如图4所示。横坐标表示分离器的半径,纵坐标表示压力水头。图中上面的曲线为分离器内全压分布曲线,下面的曲线为分离器内静压分布曲线。

静压hs随分离器半径r的减小而降低,特别从溢流管以下,静压急剧降低,在分离器的中心,压力为零或成为负值,当入口速度越大、溢流管直径越小时这种现象越为明显。

图3 轴向速度与切向速度的分布

图4 气液分离器内压力分布

动压hu的分布在自由涡区和强制涡区不同[4],在自由涡区内随着半径的减小而逐渐增大,在强制涡区内随着半径减小而动压也逐渐减小。

3 水与瓦斯分离器设计

3.1 水与瓦斯分离器设计

根据鹤岗南山煤矿瓦斯抽放的条件,按照瓦斯抽放管路的负压与流量,设计的水与瓦斯分离器尺寸如下:分离器直径D＝500mm,溢流管直径D0＝101.6 mm,入口速度ui＝7.05 m/s。用清水作试验,测得压力最大切线速度处的半径rm＝0.8r0,理论计算最大切线速度utmax为17.2 m/s,实测值utmax为14.1 m/s;强制涡旋转角速度的ω＝1720 rad/s,转速为16433 r/min。由此可以看出,分离器中心的水与瓦斯液体是高速旋转的。

3.2 溢溜管设计

溢溜管是水与瓦斯在分离器分离后自动排出水的重要部件。由于井下空间等条件限制,在抽放管路中利用分离器把水与瓦斯分离后,如何利用自身压力自动地把水从分离器中排出,同时在排出水的过程中保证瓦斯不溢出,是分离器设计的关键。

由于瓦斯抽放管路的负压较大,迫使溢溜管内的水压差较大,这样才能保证瓦斯不从分离器中溢出。在主抽放管路上利用采区上山或下山的高差,溢溜管可以自动排出分离器内的水。而在平巷内由于高度差小,形成的水压差小,不能保证水从分离器自动排出的同时瓦斯不溢出,这需要采用特殊的方式来解决[5]。

4 结 论

实验室与井下实验较好地把水与瓦斯分离,其水与瓦斯的分离效果好。利用采区上山位置的高差,溢溜管长度与压力差可以自行调整,使水从分离器中自动排出,同时保证瓦斯不溢出。在平巷内由于高度差小,不能使水从溢溜管内自动排出,需要采用特殊的方法才能解决。

[1]黑龙江科技学院,鹤岗矿业集团.长钻孔施工技术及瓦斯预抽技术研究报告[R].哈尔滨:黑龙江科技学院,2007.

[2]周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京:煤炭工业出版社,1999:47-158.

[3]郝凤印.选煤手册[M].北京:煤炭工业出版社,1993:488-497.

[4]何明刚,杨晓丹,张军杰,等.涡流气体流量计在瓦斯抽放管路流量测定中的应用浅析[J].煤矿安全,2008(1):37-39.

[5]迈克尔·斯勒恩贝茨.水平井在地下硬煤开采中的瓦斯抽采潜力[J].中国煤层气,2005,2(2):32-37.

2012-05-09)

张继忠(1976-),男,黑龙江庆安人,硕士,讲师, Email:zdsys@163.com。

国家十五科技攻关计划项目(2005BA813D05-3);黑龙江省攻关项目(GC05A307).