水與瓦斯分離器的試驗研究*

張繼忠,孫廣義,嚴立章

(1.黑龍江科技學院資源與環(huán)境工程學院, 黑龍江哈爾濱 150027;2.鶴崗礦業(yè)集團,黑龍江鶴崗市 154100)

水與瓦斯分離器的試驗研究*

張繼忠1,孫廣義1,嚴立章2

(1.黑龍江科技學院資源與環(huán)境工程學院, 黑龍江哈爾濱 150027;2.鶴崗礦業(yè)集團,黑龍江鶴崗市 154100)

在瓦斯抽放過程中,水與瓦斯在抽放管路內(nèi)一起流動,部分水甚至以氣體形式存在,影響瓦斯抽放效果。目前使用的水與瓦斯分離器是在正常工作狀態(tài)下設計的,當抽放管路停止工作時,瓦斯溢出。本設計的水與瓦斯分離器使水與瓦斯自動分離、排出水量,抽放管路停止工作時,瓦斯不溢出。

水與瓦斯分離器;瓦斯抽放;瓦斯溢出;自動分離;抽放管路

在瓦斯抽放過程中煤層內(nèi)的水隨瓦斯一起被抽出,使抽放管路中含水量較大,影響瓦斯的抽放效果。目前使用的水與瓦斯分離器是在正常抽放條件下設計工作的,在因瓦斯抽放管路系統(tǒng)檢修等停止抽放工作后,管路內(nèi)的壓力升高,使瓦斯沿分離器溢出,導致分離器附近的巷道內(nèi)瓦斯超限,影響生產(chǎn)安全[]。

1 水與瓦斯旋流分離器的速度分布

根據(jù)選煤廠分離器的技術原理,分離器內(nèi)水與瓦斯的運動是復雜的螺旋運動。理論分析[2]與實踐表明,分離器內(nèi)水與瓦斯的流速、壓力是影響水與瓦斯分離的重要參數(shù),而管路抽放壓力、抽放量對分離器尺寸有重要影響。

1.1 分離器切向速度[3]

分離器內(nèi)的切向速度ut分布曲線如圖1所示。它表示水與瓦斯分離器中不同橫截面和不同半徑處的切線速度規(guī)律。在同一橫截面上,切向速度與分離器的半徑r成反比。在半徑rm＝(0.6～0.7)r處,切向速度達到最大,這個區(qū)域的切向速度ut的分布規(guī)律可由(1)式?jīng)Q定。

式中,n為系數(shù),實測的n值在0.5～0.9范圍之內(nèi)。

從最大切向速度utmax到軸心處,切向速度ut與半徑r成正比例的變化。這是一種強制渦的運動,其變化規(guī)律可表示為:

式中,ω——流體的旋轉(zhuǎn)角速度。

這種運動類似龍卷風的運動,在中心區(qū)域速度比較大,壓力低,因而產(chǎn)生負壓區(qū)域。

圖1 切向速度ut分布曲線

1.2 分離器徑向速度

分離器內(nèi)的徑向速度ur分布見圖2的左半部, ur＝0的點約在分離器有效高度的中點(N點)。這個點是分界點,也是瓦斯與水分離的關鍵點。在分界點的上部徑向速度方向向外(筒壁)形成外向流,在分界點以下徑向速度方向向內(nèi)形成內(nèi)向流,是瓦斯與水開始分離的位置。將徑向速度分布線連接起來,形成一條平行于分離器錐形體的一條線BC,同樣在右部得出平行于錐體的另一條線AC,這些線在分離器內(nèi)部形成一個假想的圓錐面,在圓錐面的內(nèi)部是外向流,圓錐面的外部是內(nèi)向流。最大徑向速度urmax約為入口速度ui的0.2～0.3倍。

圖2 分離器內(nèi)的流動

1.3 分離器軸向速度

軸向速度uz分布如圖3左部所示。該圖的右半部為切向速度分布規(guī)律。圖中的縱坐標分別代表軸向速度及切向速度值,橫坐標代表分離器的半徑r。

由圖3看出,軸向速度隨著半徑r的減小,由器壁的負值(向下流)逐漸變?yōu)檎?向上流),每一橫截面都有一uz＝0的點,叫做分界點。在分界點以左形成下降流,在分界點以右形成上升流。

2 水與瓦斯分離器的壓力分布

水與瓦斯分離器壓力分布實測數(shù)據(jù)如圖4所示。橫坐標表示分離器的半徑,縱坐標表示壓力水頭。圖中上面的曲線為分離器內(nèi)全壓分布曲線,下面的曲線為分離器內(nèi)靜壓分布曲線。

靜壓hs隨分離器半徑r的減小而降低,特別從溢流管以下,靜壓急劇降低,在分離器的中心,壓力為零或成為負值,當入口速度越大、溢流管直徑越小時這種現(xiàn)象越為明顯。

圖3 軸向速度與切向速度的分布

圖4 氣液分離器內(nèi)壓力分布

動壓hu的分布在自由渦區(qū)和強制渦區(qū)不同[4],在自由渦區(qū)內(nèi)隨著半徑的減小而逐漸增大,在強制渦區(qū)內(nèi)隨著半徑減小而動壓也逐漸減小。

3 水與瓦斯分離器設計

3.1 水與瓦斯分離器設計

根據(jù)鶴崗南山煤礦瓦斯抽放的條件,按照瓦斯抽放管路的負壓與流量,設計的水與瓦斯分離器尺寸如下:分離器直徑D＝500mm,溢流管直徑D0＝101.6 mm,入口速度ui＝7.05 m/s。用清水作試驗,測得壓力最大切線速度處的半徑rm＝0.8r0,理論計算最大切線速度utmax為17.2 m/s,實測值utmax為14.1 m/s;強制渦旋轉(zhuǎn)角速度的ω＝1720 rad/s,轉(zhuǎn)速為16433 r/min。由此可以看出,分離器中心的水與瓦斯液體是高速旋轉(zhuǎn)的。

3.2 溢溜管設計

溢溜管是水與瓦斯在分離器分離后自動排出水的重要部件。由于井下空間等條件限制,在抽放管路中利用分離器把水與瓦斯分離后,如何利用自身壓力自動地把水從分離器中排出,同時在排出水的過程中保證瓦斯不溢出,是分離器設計的關鍵。

由于瓦斯抽放管路的負壓較大,迫使溢溜管內(nèi)的水壓差較大,這樣才能保證瓦斯不從分離器中溢出。在主抽放管路上利用采區(qū)上山或下山的高差,溢溜管可以自動排出分離器內(nèi)的水。而在平巷內(nèi)由于高度差小,形成的水壓差小,不能保證水從分離器自動排出的同時瓦斯不溢出,這需要采用特殊的方式來解決[5]。

4 結(jié) 論

實驗室與井下實驗較好地把水與瓦斯分離,其水與瓦斯的分離效果好。利用采區(qū)上山位置的高差,溢溜管長度與壓力差可以自行調(diào)整,使水從分離器中自動排出,同時保證瓦斯不溢出。在平巷內(nèi)由于高度差小,不能使水從溢溜管內(nèi)自動排出,需要采用特殊的方法才能解決。

[1]黑龍江科技學院,鶴崗礦業(yè)集團.長鉆孔施工技術及瓦斯預抽技術研究報告[R].哈爾濱:黑龍江科技學院,2007.

[2]周世寧,林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999:47-158.

[3]郝鳳印.選煤手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993:488-497.

[4]何明剛,楊曉丹,張軍杰,等.渦流氣體流量計在瓦斯抽放管路流量測定中的應用淺析[J].煤礦安全,2008(1):37-39.

[5]邁克爾·斯勒恩貝茨.水平井在地下硬煤開采中的瓦斯抽采潛力[J].中國煤層氣,2005,2(2):32-37.

2012-05-09)

張繼忠(1976-),男,黑龍江慶安人,碩士,講師, Email:zdsys@163.com。

國家十五科技攻關計劃項目(2005BA813D05-3);黑龍江省攻關項目(GC05A307).