论利用网络图理论优化瓦斯抽放系统

张震

摘要：利用网络图理论对裴沟矿瓦斯抽放系统进行优化。研究了矿井抽放网络内瓦斯的流动规律，确定出瓦斯抽放系统的优化原则，计算出瓦斯抽放系统的阻力并给出了抽放系统的优化方案。通过利用网络图理论对瓦斯抽放系统进行优化，提高了矿井瓦斯抽放的效率，对类似需要优化抽放系统的矿井具有借鉴价值。

关键词：抽放系统；网络图理论；阻力；优化

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2013）09-0185-02

0裴沟矿瓦斯抽放系统概况

裴沟矿通风方式为混合式通风，通风方法为抽出式。副井、深部立井为进风井，中央风井、陈沟风井为回风井。

矿井建立有地面一套瓦斯筹采系统，服务于32003综放面，抽采泵型号为2BEF42型（一备一用），抽采额定排气量8316m3/h。电机功率185Kw，极限真空度0.016Mpa；

抽采方法为高抽巷抽采，抽房巷断面2.2×2.2m木棚支护，沿煤层顶板施工，与工作面垂直净间隔4m。

主管路为16存镀锌螺纹钢管，长度1200米，支管为12存镀锌螺纹钢管，长度1000米，瓦斯钻孔深度536米，直径400mm。

目前抽采情况：抽采流量93m3/min，抽采浓度为8%，抽采负压30Kpa，抽采瓦斯纯量7.1 m3/min，工作面配风量860 m3/min，生产时回风流瓦斯浓度0.7%，工作面煤层平均厚度10m。

对裴沟矿抽放管路进行优化有利于提高抽放系统的工作能力，提高抽放负压和浓度。一个良好、完善的瓦斯抽放系统应该符合瓦斯抽放原则。在矿井运行初期，瓦斯抽放系统是符合瓦斯抽放原则的，但随着开采深度、工作面的变化，就会出现不合理的现象，因此必须进行优化。

1矿井抽放网络图理论

矿井抽放系统很复杂，我们把抽放系统绘制成抽放系统图和抽放网络图。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、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、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。

矿井瓦斯抽放系统图也是用点的集合和线的集合来表示其图形的，记为G=（V，E）。其中V为结点的集合，它所含的结点数为︱V︱=m；而E为边的集合，它所含的边数为︱E︱=n。若不考虑各结点的位置，并按抽放管道与各交汇点之间的连接关系，连接边eK=（ui，vi）使所构成的图形中除结点以外没有交边或交边最少。于是，图G是一个平面图，它完全反映了抽放系统中瓦斯流动的线路结构。由于矿井瓦斯抽放系统是一个有向连通体系，所以在相应的瓦斯抽放网络图中，瓦斯流动方向标定相应的边的方向，其有向边称为弧。如把瓦斯抽放管道中的有关参数（如阻力、流量、长度、断面积等）对应相应的边，则就形成了矿井瓦斯抽放网络图。矿井抽放网络图的绘制：任取对应于抽放系统中某一瓦斯交汇点的一个结点，按其与弧的关联关系逐一加入各弧，从而得到其相邻的结点，并不断挪动各相邻结点的位置，使各弧尽可能地不在结点以外相交。这样依次将各结点和弧加入图内，而得到一个平面图，即矿井抽放网络图。

2矿井抽放网络内瓦斯流动的基本规律

在通常的情况下，瓦斯沿管道流动时，视为稳定状态。所以在矿井抽放网络中，瓦斯的流动遵循以下的规律。

2.1能量守恒定律

由伯努里方程所反映的能量守恒定律，表示了瓦斯沿管道流动时的能量损失与各管道阻力的关系。即

瓦斯在抽放管路中流动时不仅会产生摩擦阻力还会产生局部阻力，在抽放瓦斯工程设计和实际工作中可以用概算法计算管路的局部阻力，此时的局部阻力可按摩擦阻力的10%-20%计算。

2.3流量平衡定律

瓦斯在管道流动过程中，其温度和压力总是不断变化的。严格来讲，一段管道的始末两点的瓦斯密度是会发生变化的，所以体积也发生变化。但是，对于工程计算，完全可以忽略体积变化。所以在稳定的流动过程中，在瓦斯抽放系统的某一回路中，流入该回路的瓦斯流量等于流出该回路的瓦斯流量。即矿井瓦斯抽放网络中，与结点相关联的各流量代数和为零。

即：

2.4压力平衡定律

在矿井瓦斯抽放网络中，任一回路所含各管道的阻力代数和恒等于该回路抽放动力和。即hi=Pi，其中hi

为回路中第i分支的阻力；Pi为回路中第i分支的抽放动力。

3瓦斯抽放系统优化原则

瓦斯抽放管路系统布置要符合以下原则：

（1）瓦斯抽放管路要敷设在曲线段最少、距离最短的巷道中；

（2）瓦斯抽放管路应安装在不易被矿车或其它物体撞坏的巷道或位置上；

（3）当抽放设备或管路一旦发生故障时，抽放管路内的瓦斯应不至于流入采掘工作面或机房内；

（4）瓦斯抽放系统的阻力应该分布均衡，各抽放工作面的负压要达到抽放要求的负压，不能太大也不能太小；

（5）应考虑运输、安装和维修工作的方便；

（6）管路敷设要求平直，避免急弯。

4裴沟矿瓦斯抽放系统优化

4.1裴沟矿管路阻力计算

裴沟矿瓦斯流量为93m3/min，即5580 m3/h；管路分别为12寸和16寸，即30cm和40cm，并且根据管路直径通过查表可以得到系数K=0.71；管路抽房瓦斯浓度为8%，通过查表得密度比r=0.964。

图1是裴沟矿32003工作面瓦斯抽放管路走向示意图，其中1点为抽放管路的起点，它位于32003上付巷的中部，2点为联络巷-110水平处，3点为钻孔连巷，4点为管路在地面的出口，5点为泵房，1-2的管路直径为12寸，2-3、3-4、4-5的管路直径均为16寸。

4.2抽放管路优化方案

根据阻力计算，裴沟矿瓦斯抽放管路的总阻力为22448.6Pa，而抽放负压为30Kp，远远大于管路的总阻力，因此，可以把瓦斯抽放出来。

由于抽放负压远远大于瓦斯抽放管路的总阻力，因此，我们可以提高瓦斯的流量，93-110 m3/h均可保证瓦斯的正常抽放。

参考文献

[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，1996.

[2]林柏泉，崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998，（9）.

[3]张捷迁，章光华，陈允文.真实流体力学[M].北京：清华大学出版社，1986，11（3）：38-47.