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长岭煤矿瓦斯抽采效率评估与管路泄漏研究

张 镭1 崔 聪2,3

(1.云南煤化工集团有限公司,云南省昆明市,650231;2.煤炭科学技术研究院有限公司,北京市朝阳区,100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京市朝阳区,100013)

摘 要 为确定长岭煤矿现有抽采系统能否满足采掘平衡及安全生产需求,开展了矿井瓦斯抽采系统的管路摩擦阻力测定、瓦斯抽采泵效率评估;采用抽采管路首尾压差测定法对泄漏进行检查,应用数值模拟方法验证了压力梯度法进行抽采管路漏点定位的准确性与可行性。结果表明:基于长岭煤矿瓦斯抽采效率评估与管理泄漏试验研究成果,通过现场及时维修、维护,能够有效提高长岭煤矿瓦斯抽采效率。

关键词 瓦斯抽采效率 管路检漏 漏点定位 抽采系统 压力梯度

长岭煤矿历年来均鉴定为高瓦斯矿井,瓦斯已经成为危害矿井安全、制约煤矿高效生产的主要因素。为此,长岭煤矿建立了服务于矿井的瓦斯抽采系统进行煤层瓦斯抽采工作。目前该矿主要对C5b煤层进行瓦斯抽采,瓦斯抽采率达30%以上,基本实现了抽采达标,但是高瓦斯矿井随着开采深度的增加,瓦斯含量、瓦斯压力日益增大,需要对现有抽采技术进行评价并有针对性地对抽采系统进行优化[1-10]

笔者以长岭煤矿为例,进行抽采效率评估。通过现场试验与数值模拟研究手段进行抽采管路检漏与漏点定位分析,并通过提出问题、解决方法、方法验证、现场试验、结果验证5个阶段性研究,有效地提高了长岭煤矿瓦斯抽采系统抽采效率,对长岭煤矿高效运转具有非常重要的意义。

1 现有瓦斯抽采系统

长岭煤矿建有抽放泵站1座,高负压SKA(2BE3)520型瓦斯抽放泵2台,低负压2BEC52型瓦斯抽放泵2台,地面和井下对应铺设有高负压管道和低负压管道,实现了抽采达标。抽采系统管路示意图见图1。

图1 抽采系统管路示意图

1.1 高负压抽采系统

(1)152106回风巷(152105轨道巷)→152105机巷→101采区回风上山→回风斜井→地面瓦斯抽放泵站→放空(或利用)。

(2)152106机巷→101采区回风上山→回风斜井→地面瓦斯抽放泵站→放空(或利用)。

1.2 低负压抽采系统

152106回风巷(152105轨道巷)→101采区回风上山→101采区回风大巷→回风斜井→地面瓦斯抽放泵站→放空(或利用)。

地面、回风斜井高负压瓦斯抽放主管为Φ377 mm×6 mm螺旋钢管,总回风、回风上山高负压瓦斯抽放主管为Φ400 mm×14.4 mm PE瓦斯抽放管,工作面高负压抽放支管采用直径Φ280 mm×10.1 mm PVC瓦斯抽放管,支管与汇流放水器之间采用Φ110 mm PVC抽放软管连接,汇流放水器与钻孔之间采用Φ40 mm PVC抽放软管连接;地面低负压瓦斯抽放主管为Φ529 mm×10 mm螺旋钢管,回风斜井、总回风、回风上山低负压瓦斯抽放主管为Φ450 mm×20.4 mm PE瓦斯抽放管,工作面低负压抽放支管采用直径Φ280 mm×10.1 mm PVC瓦斯抽放管。

2 瓦斯抽采效率评估

(1)抽采泵标准工况压力。

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。瓦斯泵压力按下式计算:

式中:H——瓦斯抽采泵所需压力,Pa;

K——压力备用系数,取1.20;

H zk——抽采钻孔所需负压,高负压抽采钻孔取20 kPa,抽采采空区负压取10 k Pa;

H rm——井下管网的最大摩擦阻力,Pa;

H rj——井下管网的最大局部阻力,Pa;

H c——瓦斯泵出口正压,不考虑瓦斯抽采利用的需要取3800 Pa。

高负压瓦斯抽采管路总阻力为8335 Pa,低负压瓦斯抽采管路总阻力为8932 Pa。结合矿井实际抽采情况,确定井下抽采钻孔的孔口负压,高负压取20 k Pa,低负压取10 k Pa。

(2)抽采泵工况压力。

式中:P g——抽采泵工况压力,kPa;

P d——抽采泵站的大气压力,实测为82.019 k Pa。

(3)抽采泵实际工况流量。

式中:Q g——工况状态下抽采泵流量,m3/min;

Q b——标准状态下抽采泵的计算流量,m3/min;

P 0——标准大气压力,k Pa;

P g——抽采泵入口绝对压力,k Pa;

T——瓦斯泵入口瓦斯的绝对温度(T=273+t),K;

T 0——按瓦斯抽采行业标准规定的标准状态绝对温度(273+20),K;

t——瓦斯泵入口瓦斯的温度,℃。

抽采泵的工况流量计算结果见表1。

表1 抽采泵的流量计算表

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(4)抽采泵额定工况流量。长岭煤矿目前使用的高负压抽采泵为SKA(2BE3)520型瓦斯抽放泵,低负压抽采泵为2BEC52型瓦斯抽放泵,高低抽采泵的工况曲线见图2、图3。

图2 SKA(2BE3)520真空泵工作性能曲线

长岭煤矿高负压瓦斯抽采系统实际抽采工况流量为112.18 m3/min,低负压瓦斯抽采系统实际抽采工况流量为175.66 m3/min,根据真空泵工况曲线可知,高低负压抽采泵实际抽采工况负压下对应的额定抽采量为233 m3/min、225 m3/min,计算可得目前高负压瓦斯抽采系统效率值为48%,低负压瓦斯抽采系统效率值为78%。

图3 2BEC52真空泵工作性能曲线

3 瓦斯抽采管路检漏测试

3.1 泄露检测管路分段

根据现场管路敷设连接的实际情况,将高低负压抽采系统通过现有主、支管路选点进行分段,整套管路共设计6个测点。测点1在地面井口处,测点2在02小眼处,测点3在04小眼处,测点4在152105回风巷低负压支管距巷道口85 m处,测点5在152106回风巷高负压支管距巷道口85 m处,测点6在152106机巷高负压支管距巷道口85 m处,详细测点位置如图4所示。

根据测点位置,抽采管路分段情况如下:高负压路段一G1-2为1号测点与2号测点之间管路,路段二G2-3为2号测点与3号测点之间管路,路段三G3-5为3号测点与5号测点之间管路,路段四G3-6为3号测点与6号测点之间管路;低负压路段一D1-2为1号测点与2号测点之间管路,路段二D2-3为2号测点与3号测点之间管路,路段三D3-4为3号测点与4号测点之间管路,具体路线如图4所示。

图4 检漏负压测点位置

3.2 泄露检测结果分析

负压法检漏假设管路全程无堵塞情况,整体抽采管路从起始端到末尾端存在管路阻力,因此管路的不同部位能够为抽采钻孔提供的负压是不同的,当从末尾端负压与管路阻力之和等于起始端的负压时,能够确定该管路不泄漏。

抽采管路末端负压计算公式如下:

式中:H末——抽采支管末端压力,k Pa;

H——抽采支管首端压力,k Pa;

H——抽采支管总阻力,k Pa。

系统中各段管路阻力见表2,对高低负压抽采管路负压进行测量,详细结果见表3。

表2 抽采系统各段管路阻力表

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表3 抽采系统各段管路负压分析表

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通过对矿井各路段抽采管路负压的检测,可以确定目前抽采系统的整体漏风情况:高负压管路G2-3、G3-5及低负压管路D1-2、D3-4气密性较好,高负压管路G3-6及低负压管路D2-3存在漏气现象。

4 瓦斯抽采管路检漏定位试验

4.1 泄漏检测原理

当管道处于稳定流动条件下,可以近似地认为管内的压力沿管道呈线性变化趋势;当管道发生泄漏并再次达到稳态后,管道内的压力分布将如图5所示,呈现折线变化形式,由于负压管道发生泄漏时外界气体瞬间流入管道,使得漏点位置压力急剧上升,当漏点前后的压力梯度不一致且图像出现明显弯折现象时认为管道发生泄漏。

图5 压力梯度法示意图

假设管道沿线压力满足P XP 2GX,根据漏点定位公式求得管道泄漏点位置。

式中:X——管道漏点位置,m。

P 2——入口压力,Pa;

P 1——出口压力,Pa;

G 2——漏点后半段压力梯度,Pa/m;

G 1——漏点前半段压力梯度,Pa/m;

L——管道长度,m。

4.2 数值模拟验证

4.2.1 数学模型

为研究长岭煤矿井下瓦斯抽采管道在不同工况下的管道流体运动情况,提出以下假设:

(1)假设瓦斯抽采管道内为一维不可压缩气体的稳态流动;

(2)暂不考虑温度对管道的影响,气体在管道内的流动为等温流动。

本次模拟选取Realizable kε湍流模型,该模型与kε模型的主要区别:Realizable kε模型采用了新的湍流粘度公式且ε方程是从涡量扰动量均方根的精确输运方程推导出来的。Realizable kε模型满足对雷诺应力的约束条件,因此可以在雷诺应力上保持与真实湍流的一致,这点是标准kε模型以及RNG-kε模型均无法做到的,这就能更精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度,同时在旋转流计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中使得计算结果更符合真实情况。Realizable kε湍流模型的表达式如下:

式中:ρ——气体密度,kg/m3;

P k——平均速度梯度产生的湍流动能,J;

P b——浮力产生的湍流动能,J;

Y M——可压缩湍流中波动膨胀对总耗散速率的贡献。

S——模拟迎风面积,m2;

v——来流速度,m/s;

σk、σεC 1C 2——经验常数;

k——湍流动能,J;

ε——湍流耗散率。

4.2.2 模型建立及条件设定

设立瓦斯气体负压管道模型,管道长度100 m,管径400 mm,速度入口设置为13 m/s,管路首端负压40 k Pa,漏点位置设在管道中心50 m处,泄漏孔半径设置为0.05 m。瓦斯抽采管道几何模型如图6所示。

图6 瓦斯抽采管道几何模型

在模型中网格划分采用自由剖分三角形网格进行划分,物理场控制网格单元大小选择常规,单元数为1459933。模型具体网格划分效果局部图见图7。

图7 管道泄漏网格划分效果局部图

4.2.3 抽采管路泄漏数值模拟结果分析

管道内部压力云图见图8,不同泄漏程度下管道轴线压力分布如图9所示。由图8和图9可知,当管道正常运行状态下,管内压力分布呈现出随着管道沿路均匀下降的态势,到发生泄漏时,漏点处压力明显降低,且随着管道泄漏程度的增大,泄露后管路的负压越来越小。

图8 管道内部压力云图

图9 不同泄漏程度下管道轴线压力分布

分析泄漏程度下的管道轴线压力分布可知,随着管道泄漏程度的增加管内湍流激增,管道轴线压力分布呈现出由均匀下降—漏点负压突变—下游压力逐渐均匀下降且总体负压明显减小的复杂趋势。

管道轴向不同截面100 m、80 m、60 m、40 m、20 m、0 m处的负压分别为40000 Pa、39988 Pa、39975 Pa、39955 Pa、39915 Pa、39880 Pa。

泄漏后沿管道轴向负压分布折线如图10所示。由图10可以看出,从管道模型入口到泄露孔这段管道轴向的压力梯度较大,泄漏点后轴向压力梯度较小。根据压力梯度法定位泄漏点理论,这两条轴向压力线延伸相交于一点,这一点就是理论泄漏孔位置。

图10 泄漏后沿管道轴向负压分布折线

根据公式(5)计算抽采管路泄露位置为54.06 m,本模型设置的管道泄漏孔中心位置为50 m处,利用误差公式可求得压力梯度法模拟计算误差为8.12%,误差范围较为合理,定位基本准确。

4.2.4 实例应用

基于以上研究成果,开展高负压管路G3-6及低负压管路D2-3定位分析,分析结果如表4所示,误差分别为8.31%、6.41%,分析结果与实际结果基本一致,定位准确,经现场维护维修,高负压瓦斯抽采系统效率值提高21%,低负压瓦斯抽采系统效率值提高9%,有效提高了长岭煤矿的瓦斯抽采效率,对矿井安全与高效生产具有重要意义。

表4 管道检漏定位结果

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5 结论

(1)通过开展长岭煤矿C5b煤层瓦斯抽采泵效率评估,初步分析长岭煤矿瓦斯抽采效率值偏低,确定抽采管路存在泄露,导致瓦斯治理工作无法高效进行。

(2)经过现场管路铺设考察,将高低管路进行分段,应用首尾负压测试,确定了长岭煤矿高负压管路G3-6及低负压管路D2-3存在泄露。

(3)采用数值模拟方法验证了压力梯度法对抽采管路漏点定位分析的准确性与可行性,通过现场准确的对泄漏点进行判断,经过维修与维护,有效提高了长岭煤矿瓦斯抽采效率。

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Study on gas drainage efficiency evaluation and pipeline leakage in Changling Coal Mine

Zhang Lei1,Cui Cong2,3
(1.Yunnan Coal Chemical Industry Group Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650231,China;2.CCTEG China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China;3.National Key Lab of Coal Resources High-Efficient Mining and Clean Utilization,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Abstract With the increase of mining depth,the gas content in Changling Coal Mine was increasing,which would reach the capacity limit of the existing gas extraction system.In order to determine whether the existing drainage system in Changling Coal Mine could meet the needs of mining balance and safe production or not,the measurement of pipeline friction resistance and the efficiency evaluation of gas drainage pump of the mine gas drainage system were carried out.Leak detection was carried out by measuring the pressure difference between the head and the tail of the extraction pipeline,and the accuracy and feasibility of the pressure gradient method for leak point location of the extraction pipeline were verified by numerical simulation.The results showed that the gas extraction efficiency of Changling Coal Mine could be effectively improved by timely repairing and maintaining.

Key words gas extraction efficiency,pipeline leakage detection,leak point location,drainage system,pressure gradient

中图分类号 TD712

文献标识码 A

引用格式:张镭,崔聪.长岭煤矿瓦斯抽采效率评估与管路泄漏研究[J].中国煤炭,2020,46(9)∶58-64.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.009

Zhang Lei,Cui Cong.Study on gas drainage efficiency evaluation and pipeline leakage in Changling Coal Mine[J].China Coal,2020,46(9)∶58-64.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.009

作者简介:张镭(1971-),男,河南巩义人,高级工程师,硕士生导师,主要从事瓦斯灾害防治的工作。E--mail:1024135892@qq.com。

(责任编辑 张艳华)