煤矿瓦斯抽采设计
6 瓦斯抽放管路系统及设备选型
6.1 抽放管路选型及阻力计算 6.1.1规定
根据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范》，对瓦斯抽放管路有如下要求：
第5.4.1条：抽放管路系统应根据井下巷道的布置、抽放地点的分布、瓦斯利用的要求以及矿井的发展规划等因素确定，避免或减少主干管路系统的频繁改动，确保管道运输、安装和维护方便，并应符合下列要求：
1．抽放管路通过的巷道曲线段少、距离短，管路安装应平直，转弯时角度不应大于50°；
2．抽放管路系统宜沿回风巷道或矿车不经常通过的巷道布置；若设于主要运输巷内，在人行道侧其架设高度不应小于1.8m，并固定在巷道壁上，与巷道壁的距离应满足检修要求；抽放瓦斯管件的外缘距巷道壁不宜小于0.1m；
3．当抽放设备或管路发生故障时，管路内的瓦斯不得流入采掘工作面及机电硐室内；
4．尽可能避免布置在车辆通行频繁的主干道旁； 5．管径要统一，变径时必须设过渡节。
第5.4.2条：抽放瓦斯管路的管径应按最大流量分段计算，并与抽放设备能力相适应，抽放管路按安全流速为5~15m/s和最大通过流量来计算管径，抽放系统管材的备用量可取10％。
第5.4.3条：当采用专用钻孔敷设抽放管路时，专用钻孔直径应比管道外形尺寸大100mm；当沿竖井敷设抽放管路时，应将管道固定在罐道梁上或专用管架上。
第5.4.4条：抽放管路总阻力包括摩擦阻力和局部阻力；摩擦阻力可用低负压瓦斯管路阻力公式计算；局部阻力可用估算法计算，一般取摩擦阻力的10％~20％。
第5.4.5条：地面管路布置：
1．不得将抽放管路和自来水管、暖气管、下水道管、动力电缆、照明电缆及通讯电缆等敷设在同一条地沟内；
2．主干管应与城市及矿区的发展规划和建筑布置相结合；
3．抽放管道与地上、下建（构）筑物及设施的间距，应符合《工业企业总平面设计规范》的有关规定；
4．瓦斯管道不得从地下穿过房屋或其它建（构）筑物，一般情况下也不得穿过其它管网，当必须穿过其它管网时，应按有关规定采取措施。
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6.1.2 阻力计算
矿井瓦斯预计抽放量为11.62m3/min，为最大限度地降低抽采系统运行成本，为今后提供优质、稳定可靠的气源，本矿井瓦斯抽采按照高低负压双系统设计：一套为高负压抽采系统，主要抽采回采工作面和掘进工作面瓦斯，干管预计抽采浓度为20%；一套为负压瓦斯抽采系统，主要抽取采空区瓦斯，预计抽采浓度为10%计算。 6.1.2.1 瓦斯抽放管径选择
瓦斯抽采管路尺寸选择与设计的瓦斯抽采流量有关。瓦斯抽采管直径选择的恰当与否，对瓦斯抽采系统的建设投资及抽采效果均有很大的影响，直径太大，投资太多，直径过细，阻力损失大。故一般采用下式计算，并参考抽采泵的实际能力使之留有备量，同时考虑管路运输和安装的方便。抽采管路管径可根据主管、干管、支管中的瓦斯流量不同选择合适的尺寸。
瓦斯抽采管管径按下式计算：
D?0.1457QV （6-1）
式中：D——瓦斯抽采管内径，m；
Q——抽采管内混合瓦斯流量，m3/min；各类管路的流量应按照其使用年限或服务
区域内的最大值确定，并应有1.2~1.8的富余系数，取1.3； V——抽采管内瓦斯平均流速，一般为5~15m/s，取经济流速V＝8m/s； 本矿井主要瓦斯抽采管路系统的划分： 1．高负压抽采系统
(1) 回风上山、总回风巷、回风井、地面泵站为主管Ⅰ； (2) 11050回采工作面运输顺槽为支管路Ⅰ； (3) 11050回采工作面回风顺槽为支管路Ⅱ； (4) 11090回采工作面运输顺槽为支管路Ⅲ； (5) 11090回采工作面回风顺槽为支管路Ⅳ； (7) 11060运输顺槽掘进工作面为支管路Ⅴ； (8) 11060回风顺槽掘进工作面为支管路Ⅵ； 2．低负压抽采系统
(1) 回风上山、总回风巷、回风井、地面泵站为主管Ⅰ； (2) 11050采空区埋管和高位钻孔瓦斯抽采为支管路Ⅰ；
根据各瓦斯抽采管内预计的瓦斯流量，按式（6-1）计算选择的瓦斯抽采管管径如表6-1和表6-2所示。
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表6-1 高负压瓦斯抽采管管径计算结果
Tab.6-1 The calculation results of the gas drainage pipe diameter under high negative pressure 抽采管预测抽纯瓦斯瓦斯浓度混合抽采量 计算管径 应选管
备 注
类 别 量（m3/min） （%） （m3/min） （mm） 径（mm） 干管Ⅰ 支管Ⅰ 支管Ⅱ 支管Ⅲ 支管Ⅳ 支管Ⅴ 支管Ⅵ
7.24 1.81 1.81 1.81 1.81 0.37 0.37
20 30 30 30 30 30 30
47.06 7.84 7.84 7.84 7.84 1.60 1.60
353 144 144 144 144 65 65
Φ380 Φ207 Φ207 Φ207 Φ207 Φ207 Φ207
回风上山至地面泵站 11050工作面运输顺槽 11050工作面回风顺槽 11090工作面运输顺槽 11090工作面回风顺槽 11060掘进工作面 11060掘进工作面
备注：干管Ⅰ选用螺旋缝自动埋弧焊接钢管；所有支管选用镀锌螺旋管。
井下各瓦斯抽采管路连接均采用螺栓紧固法兰盘连接方式，中间夹橡胶垫圈，考虑到矿井瓦斯抽采量，工作面管路沿工作面上下顺槽各敷设一趟，管路可回收重复利用。抽采管路管材应符合抗静电、耐腐蚀、阻燃、抗冲击、安装维护方便等要求。
表6-2 低负压瓦斯抽采管管径计算结果
Tab.6-2 The calculation results of the gas drainage pipe diameter under low negative pressure 抽采管 预测抽纯瓦斯瓦斯浓度混合抽采量计算管径 类 别 量（m3/min） （%） （m3/min） （mm） 干管Ⅰ 支管Ⅰ
3.64 3.64
10 10
47.32 47.32
354 354
应选管径（mm） Φ380 Φ380
备 注 回风上山至地面 11050工作面采空区
备注：干管Ⅰ选用螺旋缝自动埋弧焊接钢管；所有支管选用镀锌螺旋管。
6.1.2.2 管路摩擦阻力计算
计算直管摩擦阻力，可按下式计算：
Hm=9.8LγQk0D52 （6-2）
式中：Hm——阻力损失，Pa；
L——直管长度，m； Q——瓦斯流量，m3/h； D——管道内径，cm；
γ——混合瓦斯对空气的相对密度，见表6-3； K0——系数，见表6-4。
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表6-3 在0℃及105 Pa气压时的γ值
Tab.6-3 The value of γ in the condition of 0℃ and 105 Pa
瓦斯浓度%
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 0.955 0.911 0.866 0.822 0.777 0.733 0.688 0.644 0.599 0.554
1
2
3
4
5
6
7
8
9 0.960 0.915 0.871 0.826 0.782 0.737 0.693 0.648 0.603 0.559 —
0.996 0.991 0.987 0.982 0.978 0.973 0.969 0.964 0.951 0.947 0.942 0.938 0.933 0.929 0.924 0.920 0.906 0.902 0.898 0.893 0.889 0.884 0.880 0.875 0.862 0.857 0.853 0.848 0.844 0.840 0.835 0.831 0.817 0.813 0.808 0.804 0.799 0.795 0.791 0.786 0.773 0.768 0.764 0.759 0.755 0.750 0.746 0.742 0.728 0.724 0.719 0.715 0.710 0.706 0.701 0.697 0.684 0.679 0.675 0.670 0 .666 0.661 0.657 0.652 0.639 0.635 0.630 0.626 0.621 0.617 0.6 12 0.608 0.595 0.590 0.586 0.581 0.577 0.572 0.568 0.563 — — — — — — — —
表6-4 不同管径的系数K0值
Table 6-4 The coefficient K0 value of different diameters
通称管径(mm)
K0值 通称管径(mm)
K0值
15 0.46 70 0.55
20 0.47 80 0.57
25 0.48 100 0.62
22 0.49 125 0.67
40 0.50 150 0.70
50 0.52 >150 0.71
6.1.2.3 管道局部阻力计算
局部阻力可用估算法计算，一般取摩擦阻力的10%~20%。管路系统长，网络复杂或主管管径较小者，可按上限取值，反之则按下限取值。
这里，局部阻力按摩擦阻力的15%计算，即：
Hj?0.15Hm （6-3）
式中：Hj——瓦斯抽采管路局部阻力，Pa；
为保证选用的瓦斯抽采泵能满足抽采系统最困难时期所需抽采负压，应根据矿井生产时期，瓦斯抽采系统中管路最长、流量最大、阻力最高的抽采管线来计算矿井抽采系统总阻力。由于各个支路之间是并联的关系，所以在每个系统中，选取阻力最大的的那条支路进行矿井总阻力计算。
1．矿井高负压瓦斯抽采路线为：回采工作面（370m）→回风上山（1260m）→回风上山（130m）→风井井筒（270m）→地面抽采泵站（300m）。管路阻力计算见表5-5所示。
2．矿井低负压瓦斯抽采路线也为：回采工作面（370m）→回风上山（1260m）→回风上山（130m）→风井井筒（270m）→地面抽采泵站（300m）。管路阻力计算见表6-6所示。
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表6-5高负压抽采系统管路阻力计算结果表
Tab.6-5 The calculation results of the pipeline resistance under high negative pressure 序号 1 2
管路名称 长度（m）
1960
370 2330
流量（m3/min） 47.06 7.84 —
管内径 （mm） Φ350 Φ207 —
摩擦阻局部阻管路阻力（Pa） 力（Pa） 力（Pa） 2480 271 2751
372 41 413
2852 312 3164
干管Ⅰ 支管Ⅰ 合 计
表6-6低负压抽采系统管路阻力计算结果表
Tab.6-6 The calculation results of the pipeline resistance under low negative pressure 序号 1 2
管路名称 长度（m） 干管Ⅰ 支管Ⅰ 合 计
1960 370 2330
流量（m3/min） 47.32 47.32 —
管内径 （mm） Φ380 Φ380 —
摩擦阻局部阻管路阻力（Pa） 力（Pa） 力（Pa） 2628 496 3124
395 74 469
3023 570 3593
由上表可以看出，高负压抽采系统管路总阻力损失为3164Pa，低负压抽采系统管路总阻力损失为3593Pa，。 6.2 瓦斯抽放泵选型 6.2.1 规定
根据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范》5.5.1条，对瓦斯抽放设备有如下要求：矿井抽放瓦斯设备的能力，应满足矿井抽放瓦斯期间或在抽放瓦斯设备服务年限内所达到的开采范围的最大抽放量和最大抽放阻力的要求，且应有不小于15％的富裕能力。矿井抽放系统的总阻力，必须按管网最大阻力计算，抽放瓦斯系统应不出现正压状态。 6.2.2 选型
根据以上规定，瓦斯泵选型原则为：
1．瓦斯泵的流量必须满足矿井抽放期间预计最大瓦斯抽出量的需求； 2．瓦斯泵的负压能克服管路系统的最大阻力； 3．具有良好的真空度；
4．抽放设备配备电机必须防爆。 6.2.3 计算方法
1．瓦斯泵流量计算
抽放瓦斯泵流量必须满足抽放系统服务年限之内最大抽放量的需要。
Q?100QZ?Kx?? （6-4）
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