CO 低负压引排系统水环真空泵设计研究

路 宁 张海洋 王永敬

（1.国网能源哈密煤电有限公司大南湖一矿，新疆 哈密 839000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

大南湖一矿CO 低负压引排系统主要是在工作面回风隅角布置引排管路，利用引排泵在回风隅角形成低负压区，使该区域CO 气体随引排管路排出，避免回风隅角局部位置的CO 气体超限[1-2]。同时，采用低负压进行CO 引排，在治理回风隅角CO 气体浓度超限的同时，可避免地表向采空区大量漏风，使采空区遗煤自然发火风险在可控范围之内[3-4]。

1 工程概况

大南湖一矿位于新疆哈密市，矿井为低瓦斯矿井，所采3#煤层属低变质Ⅰ类容易自燃煤层，煤层存在低温氧化生成CO 气体现象。通过调研分析，工作面生产时CO 涌出量达0.096 m3/min，参考瓦斯抽放经验[5-10]，采用低负压引排回风隅角CO 的方法，CO 引排率预计在30%～80%。虽然CO 引排率不一定能达到瓦斯抽放的水平，但为了使引排能力留有一定的余地，引排率按40%进行设计，即工作面回风隅角CO 引排量预计为0.038 m3/min。根据现场实际情况，在井下建立CO 引排泵站，工作面回风隅角CO 气体引排至3 煤集中回风大巷，管路长度按泵站至工作面最远距离3700 m 进行设计。

2 CO 低负压引排系统管路设计及阻力计算

2.1 管路设计选型

根据大南湖一矿井下巷道空间情况，CO 引排管其管径按下式计算：

式中：D为引排管路内径，m；QCO为引排管路中的混合CO 流量，m3/min；v为经济流速，m/s，一般取5～12 m/s，v=10 m/s。

考虑管路使用年限及服务区域的变化，应有1.2～1.8 的富余系数，设计取富余系数为1.5。引排管路管径计算结果见表1。

表1 CO 引排系统管路管径计算表

根据管路管径的设计结果，结合现场实际情况及工程要求，选择Φ610 mm×5000 mm 型螺旋焊接钢管，管路间采用法兰盘螺栓紧固方式联接，橡胶密封垫密封。

2.2 管路阻力计算

CO 引排管路阻力包括摩擦阻力和局部阻力。根据大南湖一矿采掘平面图，从井下CO 引排泵站到达1307 工作面采空区的管路最长，即3700 m，按此引排管路长度计算直管阻力损失。

1）直管摩擦阻力损失计算

式中：Hf为摩擦阻力损失，Pa；L为引排管路长度，到达工作面最远距离，L=3700 m；QCO为引排管路中的混合CO 流量，QCO=1.867 m3/s；d为引排管路内径，d=600 mm；v0为标准状态下的混合CO 运动黏度，v0=1.5×10-5m2/s；ρ为引排管路内混合CO 密度，ρ=1.293 kg/m3；Δ 为引排管路壁内的当量绝对粗糙度，Δ=0.15 mm；P0为标准大气压力，P0=101 325 Pa；P为引排管路内气体的绝对压力，P=16 859.16 Pa；T为引排管路中的气体温度为t时的绝对温度，K，T=273+t；t为引排管路中的气体温度，20 ℃；T0为标准常态下的绝对温度，T0=293 K。

设计正压段管长100 m，负压段管长3700 m。经计算，正压段管摩擦阻力为443.33 Pa，负压段管摩擦阻力为16 403.05 Pa，直管总摩擦阻力Hz=16 846.38 Pa。CO 引排管路负压阻力大于矿井的总通风阻力，因此需在管路上增加引排泵作为负压源。

2）局部阻力损失计算

参考瓦斯抽采设计国家标准，局部阻力损失取直管阻力损失的15%，则引排管路系统的局部阻力损失为：

3）总阻力损失计算

经计算，Hj=2 526.96 Pa，Ht=19 373.34 Pa。

3 CO 低负压引排系统水环真空泵设计选型

3.1 低负压水环真空泵设计

1）标准状态下引排系统压力计算

式中：H为CO 引排系统压力，Pa；H1为CO引入管路最大阻力损失，Pa；H2为CO 排出管路阻力损失，Pa；K为CO 引排系统压力富余系数，可取K=1.2～1.8，K=1.281；h1m为CO 引入管路最大摩擦阻力，h1m=16 403.05 Pa；h1j为CO 引入管路局部阻力，按负压段摩擦阻力的15%计算，h1j=2 460.46 Pa；h1为CO 引入口负压，h1=10 000 Pa；h2m为CO排出管路最大摩擦阻力，h2m=443.33 Pa；h2j为CO 排出管路局部阻力，按正压段摩擦阻力的15%计算，h2j=66.5 Pa；h2为CO 排出口正压，h2=5000 Pa。

经计算，H1=28 863.51 Pa，H2=5 509.83 Pa，H=44 032.25 Pa。

2）水环真空泵工况压力计算

式中：PCOg为水环真空泵工况压力，Pa；PCOd为引排泵站的大气压力，取PCOd=98 800 Pa。

水环真空泵工况压力PCOg=54 767.75 Pa。

3）标准状态下水环真空泵流量计算

CO 引排泵流量必须满足引排泵服务年限之内最大引排量的需要，可按下式计算：

式中：QCOb为标准状态下水环真空泵的计算引排量，m3/min；QCO0为设计CO 引排纯量，0.038 m3/min；X为预计的引排管路入口处CO 体积分数，3.4×10-4；K'为引排能力富余系数，可取1.2～1.8，取1.8；η为水环真空泵的机械效率，η=80%。

按预计的CO 引排纯量及其体积分数计算，水环真空泵所需的流量QCOb=251.47 m3/min。

4）水环真空泵工况流量计算

式中：QCOg为工况状态下的水环真空泵引排量，m3/min；k1为调整系数，可取1.0～1.1，取1.073 5；P'为水环真空泵入口绝对压力，Pa；k2为调整系数，可取1.0～2.0，取1.585；T'为水环真空泵入口CO的绝对温度，K；t'为水环真空泵入口CO 的温度，t'=20 ℃。

经计算，P'=53 051.34 Pa，QCOg=515.6 m3/min。

5）CO 引排泵的真空度计算

式中：i为水环真空泵真空度，%。

经计算，i=43.48%。

3.2 低负压水环真空泵选型

结合大南湖一矿井下实际情况及工作面回风隅角CO 引排效果要求，根据设计计算结果，CO 低负压引排系统选用2 台型号2BEC72 型水环真空泵，一用一备，抽气量大于515.6 m3/min，电机功率大于650 kW，工作转速大于300 r/min，耗水量40 m3/h。低负压水环真空泵性能曲线如图1。

图1 CO 低负压引排系统布置示意图

图2 低负压水环真空泵性能曲线

4 结语

1）对于浅埋深低变质煤层采用引排方式治理回风隅角CO，在水环真空泵设计选型时，既要达到引排治理效果，亦尽可能降低吸气压力，减少引排对采空区造成漏风的影响，避免由于引排导致采空区遗煤自然发火。

2）煤矿CO 涌出量远低于瓦斯涌出量，现有瓦斯抽采工程设计标准可作为参考依据，但不完全适用，在实际设计计算中需进行调整，使之适应现场实际情况，设计时应考虑一定的富余系数。

3）设计CO 低负压引排系统管路采用Φ610 mm×5000 mm 型螺旋焊接钢管，引排泵采用2 台型号2BEC72 型水环真空泵，一用一备，抽气量大于515.6 m3/min，电机功率大于650 kW，工作转速大于300 r/min，耗水量40 m3/h。

4）CO 低负压引排系统在大南湖一矿进行现场应用，结合采空区控风堵漏等措施，回风隅角CO气体浓度大幅降低，采空区自然发火标志气体浓度也在发火临界值以下。