CC BY
82
---------------------------- © В.А. Малашкина, Н.А. Вострикова,
2006
УДК 622.817
В.А. Малашкина, Н.А. Вострикова
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ТРАСПОРТИРОВАНИЯ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ПО ПОДЗЕМНОМУ ВАКУУМНОМУ ДЕГАЗАЦИОННОМУ ТРУБОПРОВОДУ
От эффективной работы дегазационных установок, используемых на угольных шахтах, зависит безопасность ведения горных работ, безостановочная работа выемочных участков, а также технико-экономические показатели шахты в целом.
Основными компонентами газовой смеси, каптируемой шахтной дегазационной установкой, являются метан и воздух. Подсосы воздуха из атмосферы горных выработок в дегазационную систему происходят при недостаточной герметизации устьев скважин, через трещины угольных пластов и вмещающих пород в дегазационные скважины, и, в основном, - через неплотности соединений звеньев труб вакуумного газопровода. В результате подсосов воздуха внутрь дегазационной системы концентрация метана в каптируемой смеси снижается. Вместе с метановоздушной смесью, откачиваемой из дегазационных скважин, в систему поступает вода в виде пара и капельной жидкости с примесями угольной и породной пыли, что оказывает отрицательное влияние на работу дегазационной системы.
Изменение параметров каптируемой смеси происходит в следующих пределах [2, 3]:
- разрежение у устья дегазационной скважины - 027 (33) кПа, в вакуумном подземном дегазационном трубопроводе - 0 - 53 кПа;
- концентрация метана в смеси: до 100 %;
- концентрация углекислого газа: 0-2 %;
- относительная влажность газовоздушной смеси: до 100 %;
- скорость движения трехфазной смеси: от 0,5 до 2025 м/с;
- среднее значение температуры смеси на выходе из скважин: 30-35 °С, на конечном участке подземного трубопровода: 16-18 °С.
Известно, что увеличение эффективности работы дегазационных установок существенно зависит от эффективности работы дегазационных скважин. Параметры скважин (их диаметр, длина, угол наклона), а также расстояние между ними определяются в соответствии с Руководством по дегазации угольных шахт [1] и зависят от выбранной схемы дегазации.
Герметизация устьев дегазационных скважин является одним из наиболее важных элементов, влияющих на эффективность работы дегазационной установки, так как от ее качества зависит степень разрежения в конце ненарушенной части скважины. При недостаточной герметизации скважин происходит подсос воздуха в дегазационную систему из окружающей атмосферы горных выработок через устья скважин и прилегающий к ним горный массив, что приводит к снижению показателя концентрации метана в извлекаемой газовоздушной смеси.
Неодинаковое качество герметизации скважин, а также различные величины параметров дегазируемого источника
- газоносности, трещиноватости и др. - являются причиной того, что характеристики дегазационных скважин различны. В результате концентрация метана в отсасываемой из скважин газовоздушной смеси будет неодинакова и изменяема во времени в связи с уменьшением газовыделения метана из дегазируемого источника: за все время функционирования одной скважины величина расхода отсасываемого из нее метана может измениться более чем в 10 раз [2].
Оптимизация работы дегазационных скважин как отдельного звена дегазационной системы и метод ее регулирования рассмотрены в работе Карпова Е. Ф. и Рязанова А. В.
[2]. Разрежение в дегазационных скважинах, расположенных в местах с наименьшим аэродинамическим сопротивлением между ними и вакуум-насосной станцией (а также и величина дебита отсасываемой метановоздушной смеси) больше по сравнению с отдаленными скважинами, имеющими значительное аэродинамическое сопротивление. Такие скважины, как правило, располагаются рядом с зоной проведения горных работ, обладающей повышенной трещиноватостью, и имеют наибольший срок дегазации. В связи с этим, с течением времени продуктивность скважин снижается, уменьшается качество герметизации устьев скважин и происходит более интенсивный подсос воздуха из окружающей шахтной среды внутрь системы, что в свою очередь приводит к снижению величины дебита метана. Увеличение же величины расхода воздуха в таких скважинах и более интенсивный отвод смеси из-за наименьшего сопротивления, приводят к снижению эффективности дегазации на аэродинамически более отдаленных скважинах, снижая величину разрежения, что в целом ухудшает дегазацию источника.
Для устранения шунтирующего действия неэффективно работающих скважин, имеющих большие подсосы воздуха, Карповым Е.Ф. и Рязановым А. В. предлагается искусственно увеличить их сопротивление с помощью уменьшения площади поперечного сечения. В этом случае достигается уменьшение разрежения у устья, что приводит к повышению концентрации метана в отсасываемой из этих скважин смеси и снижению подсосов воздуха внутрь скважины. Увеличение сопротивления неэффективных скважин позволяет создать больший вакуум у устьев аэродинамически более отдаленных скважин, что повышает концентрацию метана в дегазационной системе.
Таким образом, повысить эффективность работы системы дегазации можно изменяя аэродинамическое сопротивление как отдельных скважин, так и звеньев вакуумного газопровода.
Согласно «Руководству...» [1], контроль режимов работы дегазационных скважин осуществляется не реже одного раза в неделю по следующим параметрам: разрежению, расходу метановоздушной смеси и содержанию в ней метана. Ре-
зультаты измерений заносятся в специальную «Книгу учета работы дегазационных скважин».
Эффективность дегазации шахты зависит, в том числе, и от эффективности работы вакуум-насосной станции. Вакуум-насосная станция представляет собой систему, создающую необходимое разрежение в дегазационной установке, и должна эксплуатироваться в условиях и режимах, обеспечивающих ее взрывобезопасность. Нарушением работы ваку-ум-насосной станции является прекращение транспортирования метановоздушной смеси по трубопроводу, а также изменение установленного технологией режима подачи смеси потребителю. Причинами неисправности работы вакуум-насосной станции являются сбои в работе ее составных частей или неблагоприятные внешние факторы, основными из которых, согласно авторам работы [4], являются: закупорка огнепреградителей компонентами транспортируемого газа (51 %); отсутствие напряжения питания (23,8 %); выход из строя насосов и электроприводов (17%); неисправности кла-панов-отсекателей (8,2%). Также к нарушению работы ваку-ум-насосной станции приводит снижение показателя концентрации метана ниже 25 %.
Контроль работы вакуум-насосной станции производится, согласно «Руководству по дегазации угольных шахт» [1], не реже трех раз в смену и результаты заносятся в «Журнал контроля работы вакуум-насосной станции». Контролируемыми параметрами при этом являются: разрежение на вакуум-насосах, давление на нагнетательном газопроводе, температура отсасы-ваемого газа, концентрация метана в отсасываемой смеси, а также дебит смеси и дебит метана, отсасываемого установкой.
Самым слабым звеном дегазационной установки является шахтный подземный вакуумный трубопровод, по которому каптируемый шахтный метан транспортируется от скважин на поверхность или к потребителю.
Относительная влажность метановоздушной смеси на всем пути ее движения по подземному трубопроводу не снижается и сохраняется на уровне 100 %, при этом из-за разности температур внутри газопровода и во внешней среде, а также из-за наличия в каптируемой смеси частиц пыли, обра-
зуется конденсат. В силу сложных горно-геологических условий и условий эксплуатации вакуумного подземного дегазационного трубопровода последний имеет по своей длине прогибы, где скапливается образовавшийся конденсат, капельная жидкость с примесями угольной и породной пыли, а также продукты коррозии стенок труб, что является причиной неэффективной работы дегазационной системы. Поскольку производительность всей дегазационной системы в большей мере зависит от пропускной способности газопровода, то в таких случаях она может существенно снизиться из-за уменьшения гидравлического сечения труб и, как следствие, увеличения сопротивления трубопроводной сети. Также этот фактор может привести к полному перекрытию проходного сечения трубопровода (водяным пробкам), что влечет за собой прекращение функционирования дегазационной системы. Для борьбы с водой устанавливают у скважин, также как и в местах соединений горизонтальных и наклонных участков дегазационных трубопроводов, специальное оборудование: водосборники и водоотводчики. Водоотделители, применяемые в газопроводах, могут быть как с автоматическим, так и с периодическим (ручное открытие вентиля) выпуском воды. Для транспортирования влажного газа трубопровод прокладывают с уклоном в сторону движения метановоздушной смеси. Контроль трубопроводной сети производится посредством наружного осмотра один раз в неделю. При этом устраняются обнаруженные неплотности, изгибы и скопления воды. Определение мест возможного скопления капельной жидкости в магистральном трубопроводе для своевременной установки водоотводчиков является актуальной задачей.
Эффективность работы дегазационной установки существенно снижается и при имеющихся подсосах воздуха через фланцевые соединения, количество которых, приходящееся на каждый километр трубопровода, — около 200-250. К тому же, для движущейся метановоздушной смеси фланцевые соединения представляют собой местные сопротивления.
К основным особенностям эксплуатации дегазационной установки относятся:
- необходимость создания и поддержания требуемой величины разрежения в дегазационной системе для каптиро-вания метановоздушной смеси из скважин на поверхность или к потребителю;
- необходимость поддержания величины концентрации метана в каптируемой смеси (при транспортировании последней по вакуумному газопроводу) не ниже норм, установленных «Инструкцией по безопасному ведению дегазационных работ на шахтах» [1];
- необходимость оперативного контроля параметров метановоздушной смеси у вакуум-насосов и проведения диагностики функционирования всей дегазационной системы для предотвращения аварий и неэффективной работы установки;
- прокладка параллельных участков газопровода для каптирования требуемой величины дебита метана из дегазационных скважин;
- для слива воды из газопровода дегазационная установка останавливается, как правило, на 1,0-1,5 ч один раз в сутки [5];
- определение и устранение неплотностей соединений дегазационного трубопровода и разгерметизации устьев дегазационных скважин, являющихся причиной ненормированных подсосов воздуха в дегазационную систему [5];
- применение установленного оборудования во взрывобезопасном исполнении.
Эксплуатация дегазационных систем осуществляется в соответствии с “Инструкцией по безопасному ведению дегазационных работ на шахтах” [6]. Согласно указанной Инструкции концентрация каптируемого метана в вакуумном подземном дегазационном трубопроводе должна быть не менее 25 %. Содержание метана менее 25 % в каптируемой смеси допускается лишь в отдельных случаях, с принятием и соблюдением мер, согласованных с МакНИИ или ВостНИИ. При использовании каптируемого газа потребителем концентрация метана на входе в вакуум-насосную станцию должна быть не менее 25 %, а для бытовых нужд - 50 % [1]. Все вышесказанное определяет ряд требований как к конструктивным параметрам дегазационной установки, учитываемых при
проектировании, так и к технологии извлечения и транспортирования метановоздушной смеси от скважин на поверхность или к потребителю.
Назначение дегазационной установки и условия эксплуатации накладывают на нее ряд требований, главное из которых - обеспечение полной безопасности при ведении угледобывающих работ на шахтах. Надежность системы дегазации складывается из: обеспечения взрывобезопасности, непрерывности функционирования, позволяющей вести добычные работы в установленном цикле и снижающей газовыде-ление в горные выработки. Взрывобезопасность, в свою очередь, определяется использованием оборудования, входящего в состав дегазационной установки, во взрывобезопасном исполнении, а также недопущением снижения концентрации каптируемой метановоздушной смеси ниже установленного «Правилами безопасности...» уровня [7, 8]. Это зависит от разрежения, создаваемого вакуум-насосами в дегазационной системе, и наличия неплотностей соединений элементов дегазационной установки, приводящих к появлению подсосов воздуха.
Принятая схема дегазации, величина дебита метана, необходимая для достижения требуемой эффективности дегазации источников метановыделения, и требования, предъявляемые к дегазационным установкам, - являются основополагающими при проектировании и расчете элементов и узлов дегазационной установки, но при этом также учитываются и требу-емые величины параметров газовой смеси, позволяющие ее использование потребителем. Основным при этом является: обеспечение стабильности давления метановоздушной смеси на выходе из вакуум-насосной станции, поддержание концентрации метана в смеси не ниже требуемой для утилизации, постоянная величина дебита метановоздушной смеси.
Для своевременного принятия мер по снижению газовы-деления в выработки, при колебаниях газового баланса, авариях в дегазационной системе угольной шахты и для обеспечения рационального режима работы, необходимо иметь постоянную информацию об эффективности работы как дегазационной системы, так и отдельных ее участков. При этом
основные контролируемые параметры метановоздушной смеси - это концентрация метана, разрежение и дебит смеси [2]. При использовании метановоздушной смеси в качестве топлива обязателен постоянный контроль параметра концентрации метана для исключения разжижения газовой смеси воздухом, а также для обеспечения необходимого коэффициента запаса безопасности [9]. Для равномерности подачи газа потребителю, постоянный контроль должен вестись и за величиной дебита каптируемой смеси.
От пропускной способности трубопроводной сети в значительной мере зависит производительность всей дегазационной системы. Пропускная способность трубопроводной сети определяется проходным сечением используемых труб и, также как и создаваемое в дегазационной системе разрежение, влияет на величину дебита метановоздушной смеси. При достаточном внутреннем диаметре используемых труб, но имеющихся в местах прогибов скоплениях воды с примесями угольной, породной пыли и продуктов коррозии, проходное сечение участков газопровода уменьшается. Своевременное удаление воды из трубопроводной сети необходимо, так как из-за роста гидравлического сопротивления работающей, но частично заполненной водой, подземной части установки, эффективность дегазации снижается, а в целях создания наименьших потерь разрежения его величина должна быть минимальной.
Необходимая эффективность дегазации источников мета-новыделения в свою очередь также предъявляет ряд требований к дегазационной системе. Это эффективный отвод метана из дегазируемых источников при оптимальных конструктивных параметрах элементов установки и режимах работы. Как отмечалось выше, для поддержания необходимой концентрации метана в каптируемой смеси и возможности увеличения разрежения в устьях скважин при уменьшении барометрического давления, одним из основных требований, предъявляемых к работе дегазационной системы, является обеспечение максимальной герметичности всех элементов системы.
Эффективность работы дегазационной установки в большей степени зависит от эффективности работы трубопровод-
ной сети, так как наибольшие потери разрежения и концентрации метана в смеси происходят на этапе транспор-тирования последней по вакуумному подземному газопроводу. Для работы установки с наименьшими потерями по разрежению, создаваемому вакуум-насосами, дегазационная система должна обладать минимальным гидравлическим сопротивлением трубопроводной сети, а в целях исключения притечек воздуха из атмосферы горных выработок в дегазационную систему - качественной герметизацией всех элементов и узлов системы.
К основным причинам неэффективной работы дегазационного трубопровода, приводящим к снижению общей эффективности работы дегазационной системы, относятся: недостаточная пропускная способность дегазационной системы вследствие несоответствия величин конструктивных параметров трубопроводной сети рациональным значениям; несовершенство технологий извлечения и транспортирования метановоздушной смеси, вследствие чего создается нерациональный режим движения смеси по вакуумному газопроводу при любых значениях конструктивных параметров дегазационной установки. В то же время при любой конструкции системы можно сформировать такой гидродинамический режим движения смеси от скважин до вакуум-насосной станции, который обеспечивал бы наилучшие в данных условиях и для данной установки показатели концентрации метана и расхода метановоздушной смеси. Иными словами, по возможности максимально сохранил бы при транспортировании концентрацию метана, обеспечивая наименее возможные притечки воздуха внутрь системы, и в то же
Основные особенности транспортирования метановоздушной смеси по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу и изменения состояния дегазационной системы, наблюдаемые при отклонениях работы трубопроводной сети от рациональных режимов
время поддерживал необходимую для утилизации величину расхода газовоздушной смеси.
При проведении анализа гидродинамического движения каптируемой метановоздушной смеси следует учитывать, что в состав отсасываемой газовой смеси, кроме метана и воздуха, входят водяные пары, капельная вода, угольная и пород-
ная пыль, поступающие вместе с газом из дегазационных скважин.
Создание и поддержание рационального гидродинамического режима движения влажной метановоздушной смеси в вакуумном подземном дегазационном трубопроводе, позволит повысить коэффициент дегазации источников метановы-деления за счет увеличения дебита отсасываемого метана, обеспечить величину концентрации метана на входе в ваку-ум-насосную станцию не менее 45 % при минимально возможном и стабильном объемном расходе смеси.
Таким образом основными особенностями транспортирования метановоздушной смеси по вакуумному трубопроводу являются: значительная протяженность подземной трубопроводной сети; движение смеси в условиях вакуума; присутствие в составе каптируемой смеси паров воды, капельной жидкости, угольной и породной пыли; наличие подсосов воздуха через неплотности фланцевых соединений труб вакуумного трубопровода внутрь системы по всей его длине (рисунок).
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по дегазации угольных, / АН СССР, Ин-т горного дела им А. А. Скочинского. - Люберцы, 199G. - 192 с.
2. Карпов Е.Ф., Рязанов А.В. Автоматизация и контроль дегазационных систем. - М.: Недра, 1983. - 196 с.
3. Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах: Справ. пособие. - М.: Недра, 1994. - 336 с.
4. Макаров М.И., Пронин В.Д. Вероятностная оценка аварийных состояний при эксплуатации шахтных дегазационных систем // Безопасность труда в промышленности. - 1975. - № 2. - С. 49-51.
5. Малашкина В.А. Дегазационные установки: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГГУ, 2GGG. - 19G с.
6. Руководство по дегазации угольных шахт / АН СССР, Ин-т горного дела им А. А. Скочинского, - Люберцы, 1985. - 434 с.
7. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах: Распространяются на проектирование, строительство, реконструкцию и эксплуатацию угольных и сланцевых шахт: Утв. Минуглепромом СССР 18.08.86 и Госгортехнадзором СССР 12.09.86 - М.: Недра, 1986. - 448 с.
8. Безопасная эксплуатация оборудования и машин в угольных шахтах. Сборник научных трудов: Макеевка. - Донбасс: МакНИИ, 199G. - 18G с.
і— Коротко об авторах---------------------------------------------
Малашкина В.А. - профессор, доктор технических наук, кафедра
«Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет,
Вострикова Н.А. - кандидат технических наук, инженер ОАО
«МЕТРОГИПРОТРАНС».
