CC BY
135
-------------------------------- © В.А. Малашкина, К.Б. Зубков,
2011
В.А. Малашкина, К.Б. Зубков
ОСОБЕННОСТИ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНОГО МЕТАНА В ДЕГАЗАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Проведен анализ основных факторов, оказывающие влияние на параметры метановоздушной смеси двигающийся по подземному дегазационному трубопроводу, приведены основные уравнения, позволяющие описывать параметры смеси, находящейся между звеньями.
Ключевые слова: подземный газопровод, дегазационные скважины, метановоздушные смеси.
Любой из известных способов дегазации может быть осуществлен дегазационной установкой, которая оборудуется вакуум-насосами, установленными (для стационарных дегазационных установок) на поверхности и, создающими требуемое разрежение в разветвленном подземном газопроводе, подсоединенным к дегазационным скважинам. Газопровод, как правило, состоит из стальных бесшовных цельнотянутых звеньев туб, соединяемых с помощью фланцев, фасонных частей (переходов, колен, тройников и т.д.), арматуры (кранов, задвижек, вентилей и др.), специального оборудования (водоотделителей, водоотводчиков и т.п.) и различного типа креплений [9, 10].
Для шахтных дегазационных газопроводов применяют стальные бесшовные трубы. Номинальный внутренний диаметр наиболее часто применяемых труб для дегазационных газопроводов составляет: 100 мм, 150 мм, 200 мм, и 250 мм - для участковых газопроводов и 300 мм, 350 мм, 400 мм - для магистральных. Дегазационные скважины соединяют с участковым газопроводом жестким соединением или резинотканевыми рукавами с металлическими спиралями.
Звенья труб дегазационных трубопроводов соединяются с помощью сварки, муфтами и фланцами. Соединение сваркой применяют при монтаже магистрльных трубопроводов, прокладываемых в траншеях или устанавливаемых на опорах на поверхности, муфтовые соединения - при прокладке трубопроводов в магистральных скважинах, а также в дегазационных сетях для труб малых диамет-
ров (до 100 мм ) с обязательной установкой фланцевых соединений через каждые 40..50 м.
В настоящее время фланцевые соединения используются двух типов: I - свободный фланец с приварным кольцом и II - плоский приваренный фланец. Применяют иногда смешанные фланцевые соединения: на одном конце звена трубы устанавливают подвижный фланец с приваренным кольцом, на другом - приваренный фланец. Свободные фланцы с приваренными кольцами более эффективны и удобны при ведении монтажных работ в условиях подземных выработок угольных шахт, плоские приваренные фланцы наиболее просты и дешевы.
Условия монтажа и эксплуатации подземных дегазационных трубопроводов таковы, что имеют место притечки воздуха из горных выработок через неплотности соединений звеньев труб внутрь газопроводов. Уменьшается содержание метана в смеси транспортируемой на поверхность, следовательно, снижается эффективность использования, как дегазационной установки, так и процесса дегазации в целом. Нормативными документами определена допустимая безопасная концентрация метана в транспортируемой по подземным вакуумным дегазационным трубопроводам метановоздушной смеси, которую на практике поддерживать очень сложно, а иногда и невозможно.
Одной из причин отрицательно сказывающихся на поддержании безопасных концентраций метана в дегазационном трубопроводе являются подсосы воздуха через неплотности соединений звеньев труб. Поэтому при ведении дегазационных работ необходимо постоянно следить за потерями давления и изменения расхода и состава (имеется в виду концентрация метана) метановоздушной смеси, транспортируемой по негерметичному трубопроводу. Изменение вышеуказанных данных необходимо учитывать при анализе и расчете режимов работы дегазационной установки.
Дегазационные трубопроводы, представляют собой сложную гидравлическую систему и поэтому требуют обязательного выполнения определенных условий эксплуатации. Если контроль параметров транспортируемой метановоздушной смеси производится не только у скважин но и по длине участкового и магистрального газопроводов, то это дает возможность своевременного обнаружения дефектных мест в газопроводе с точки зрения их герметичности. Измерительные блоки предназначенные для контроля параметров смеси по длине подземного газопровода, как правило распо-
лагаются возле фланцевого соединения звеньев труб, В связи с этим возникают большие отклонения в достоверности показаний измерительной аппаратуры, так как выравнивание структуры потока метановоздушной смеси по сечению газопровода происходит только на определенном расстоянии от фланцевого соединения (рисунок). Это расстояние на сегодняшний день не определяется и не учитывается при размещении измерительных блоков. Следовательно, получаемая информация о качестве транспортируемой метановоздушной смеси является не совсем корректной и достоверной.
Давление и массовый расход метановоздушной смеси в конечном ( к-м ) сечении участка газопровода предложено определять путем их последовательного вычисления в конце первого, второго .. .к-го звена труб или участков.
Связь между давлением в начале и конце к-го звена можно установить с помощью уравнения
2 2 \62XxQm(к-1)*(к-1)Т х 1
Рк = Рк -1------
где рк , рк-1 - давление метановоздушной смеси соответственно в конце к-го и ( к - 1 )-го звеньев, Па; Qm(к -1) - массовый расход метановоздушной смеси в конце ( к - 1 ) - го звена, кг/с; 1з - длина звена трубы, м; Як-1 - газовая постоянная метановоздушной смеси в конце ( к-го ) - звена, Дж/кг^К; ёв - внутренний диаметр трубопровода, м; Т - температура метановоздушой смеси, К; X - коэффициент Дарси.
Массовый расход метановоздушной смеси
QmK = Qm(к-1) + Ь(Ра - Рк ) Х К ,
где QmK - массовый расход метановоздушной смеси в конце к-го звена, кг/с; Ь - показатель, характеризующий негерметичность трубопровода, приходящуюся не единицу его длины, С; ра - давление рудничной атмосферы, Па.
Газовая постоянная метановоздушной смеси
Кк-1 = К,
{ Q л 1 + 081
V Qm (к-1) У
где Як-1 , Яв - газовая постоянная соответственно метановоздушной смеси в конце ( к-го ) - звена, воздуха при стандартных
Выравнивание структуры потока метановоздушной смеси по сечению газопровода
условиях: температуре 293 К, давлении 101325Па и относительной влажности 50%, Дж/кг*К; QmM - массовый расход метана, кг/с.
Обычно участковые дегазационные газопроводы монтируются из звеньев труб, имеющих длину 3,5...4.0м. Количество соединений на одном километре длины подземного газопровода составляет 250.300, поэтому, расчет по предлагаемой методике рационально производить с помощью ЭВМ.
По предложенным зависимостям возможно определение величины абсолютного давления и объемного расхода в любом сечении газопровода, если будет получена зависимость для определения параметра негерметичности фланцевого соединения.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малашкина В.А., Вострикова Н.А. Исследование закономерностей движения метановоздушной смеси в подземных дегазационных газопроводах угольных шахт. - М.: МГТУ, ГИАБ. - 2004. - № 8. -С. 253-257.
2. Малашкина В.А., Вострикова Н.А. Выбор режимов транспортирования метановоздушной смеси по подземному дегазационному трубопроводу // Отдельные статьи Г орного информационно-аналитнческого бюллетеня. - М.: Изд-во МГТУ, 2003. -С. 13-18.
3. Малашкина В.А., Вострикова Н.А. Исследование особенностей транспортирования метановоздушной смеси в подземных дегазационных трубопроводах угольных шахт // Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. — М.: Изд-во МНУ, 2003.-С. 3-12.
4. Эннс А.А., Пантелеев А.С., Скатов В.В. Промышленная дегазация на шахтах Печорского угольного бассейна. - М.: Изд-во МГГУ, ГИАБ. -2001.-№3. НШЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------
Малашкина В.А. - д.т.н., проф. кафедры АОТ,
Зубков К.Б. - аспирант,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
