空气动力造穴煤粉捕集装置及关键参数研究_程斌.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 洞穴完井技术最早由 Stanolind 油气公司于 1953 年在美国圣胡安盆地实施[1]， 其旨在增大煤层 渗透率， 消除近井段储层污染， 提高煤层气单井产 量， 或将其应用于快速石门揭煤[2-3]， 目前在我国已 得到广泛应用[4-8]。但其缺点是易产生大量煤尘， 造 成环境污染、 工农冲突并存在安全隐患； 同时， 也无 法对喷出的煤粉进行有效计量， 给技术研究工作带 来不便。以谢一矿-960 m 水平轨道、 运输石门快速 揭煤工程为例，提出一种空气动力造穴煤粉捕集装 置， 并对其关键参数进行研究。 1工程背景及技术难点 1.1工程背景 2013 年 7 月， 以谢一矿-960 m 水平轨道、 运输 石门为技术试验地点，首次将洞穴完井技术应用于 快速石门揭煤[3]。空气动力造穴是使用空压机对前 期已经形成的煤层洞穴注气增压、 憋压和放喷， 利用 煤层洞穴中气压的快速变化实现应力激动，从而导 致煤层垮塌形成洞穴，洞穴中的煤粉使用压风排渣 技术排至地面[9]。 在-960 m 水平石门消突项目初期， 设置了简单的除尘水池，含煤粉气流经井口装置变 向后喷入水池， 依靠水池除尘， 但效果较差。调研发 现， 目前对于煤尘处理方式较为粗放， 经常使用水池 除尘法或滤网除尘法，但都未收获较好的效果。因 此， 研究一种空气动力造穴煤粉捕集方法势在必行。 1.2技术难点 1） 气流速度快、 气体压力大。 井底压力往往达到 8 MPa 甚至更高， 而放喷通道为钻井环空， 其空间狭 小。常规除尘设施， 如沉降除尘器、 水膜除尘器、 静 电除尘器、 布袋除尘器等均对气体流速有严格要求， 因此较难应用于此。这是常规除尘措施无法奏效的 主要原因。 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.021 空气动力造穴煤粉捕集装置及关键参数研究 程斌 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710054） 摘要为解决空气动力造穴施工造成的煤尘污染的环境问题及煤尘无法计量的技术问题， 提 出了一种适用于空气动力造穴施工的煤尘捕集装置， 装置主要以文丘里管后接沉降室的方法实 现对煤尘的捕集。通过理论计算首先得出了空气动力造穴放喷气流的最大、 最小速度， 并依据此 速度优化了煤尘捕集装置喉管及渐扩管尺寸、 入水口位置等参数； 依据优化的参数制作了一套 煤尘捕集装置实体， 并在谢一矿-960 m 运输石门消突工程中得到了应用。 关键词 空气动力造穴； 煤尘捕集； 除尘； 煤层气； 揭煤 中图分类号 TD714.4文献标志码 B文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0093-04 Study on Aerodynamic Cavitation Coal Dust Collector and Its Key Parameters CHENG Bin （China Coal Technology and Engineering Group Xi an Research Institute, Xi an 710054, China） Abstract To solve the environmental problems of coal dust pollution and the technical problems of coal dust incalculability in aerodynamic cavitation construction, this paper presents a coal dust capture device suitable for aerodynamic cavitation technology. The device mainly captures coal dust in a Venturi tube rear connecting a settlement chamber. This paper also first obtained the maximum and minimum air jet speed through theoretical calculation. Based on this speed, the parameters such as the size of the throat of the Venturi tube, the size of the gradually expanding pipe, and the position of the water inlet are optimized； a set of dust capture device is created based on the optimized parameters. In fact, the device was applied in Xieyi Mine -960 m haulage crosscut outburst elimination project. Key words aerodynamic cavitation； coal dust capture； dust removal； coalbed methane； coal uncovering 基金项目陕西省创新人才推动计划 - 科技创新团队资助项目 （2018TD- 039） ； 陕西省工业科技攻关资助项目 （2016GY- 182） 93 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 2 ） 粉尘密度大。通过对 -960 m 水平石门消突 工程中空气动力造穴掏煤量的统计，平均单次出煤 量 4.87 m3， 其中煤粉上返最为集中的放喷阶段仅持 续数分钟，可见上返气流中粉尘密度之大，这也是 造成煤尘不易捕集的原因之一。 3） 对附加阻力要求严格。空气动力造穴依靠煤 层洞穴内气压的快速变化达到扩张洞穴的效果， 若 在放喷管路出口处施加一个较大的阻力，会导致气 体流速变慢， 弱化造穴效果。更进一步， 可能会造成 粉尘在管路内堆积堵塞，造成工程事故。而目前一 些常规除尘实施 （如布袋除尘器、 旋风除尘器等） 均 会造成较大的局部阻力， 不能应用于此。 4） 对防爆特性要求严格。放喷气流为易燃易爆 混合物，目前常规除尘器材质多为金属，易产生火 花；如陶瓷旋风除尘器等非金属材质除尘器由于其 体积庞大，搬运不便，也不适合在煤层气工程现场 应用。 5） 对性价比要求较高。由于目前我国煤层气单 井产量较小， 利润不高， 限制了开发成本， 因此煤尘 捕集设备造价不能太高，否则影响煤层气开发企业 的经济效益。 2煤尘捕装置的设计与参数优化 2.1煤尘捕集装置的设计 1） 利用喷出流体速度快、 压力大的特点， 依据伯 努利原理，应用文丘里管使水充分雾化，有效增大 粉尘和水的接触面积，用水捕集煤尘。此设计的优 点是①有效利用了喷出流体的速度和压力，解决 了难以降低流体速度的问题；②采用文丘里管设 计， 结构简单， 流场较为均匀， 局部阻力小， 且通过 优化其出口锥角度以及喉管内径可以进一步降低阻 力， 对空气动力造穴效果影响较小。 2） 煤尘与水混合后会形成粒径较大的液滴， 这 时液滴速率仍然较快，惯性较大。依据重力沉降室 的原理， 对传统重力沉降室进行改良， 设置上、 下 2 层相互交叉的挡板，利用惯性实现对液滴的捕集。 根据以上思路，提出了空气动力造穴煤尘捕集装置 初步设计方法。煤尘捕集装置主要由文丘里管和沉 降室 2 部分组成。 其中， 文丘里管由喉管和渐扩管 2 部分组成，由于放喷气流速度足够大，且放喷排气 管路内径不大，因此放弃渐缩管部分，喉管与放喷 排气管路相连，其上设置活性水注入头若干，渐扩 管与沉降室相连； 沉降室由箱体和挡板构成。 2.2煤尘捕集装置的参数优化 2.2.1对入口流体速度的计算 煤尘捕集装置的入口气体流速即为放喷管路的 出口气体流速。放喷过程中放喷管路出口气体流速 随洞穴内气体压力减小呈衰减过程，最终稳定为由 空压机排量决定的常数。在此仅对放喷管路出口气 体最大、 最小流速进行计算， 即可对煤尘捕集装置进 行设计。 放喷管路出口最大流速计算如下放喷管路出 口最大流速即放喷开始洞穴气体压力为 8 MPa 时 井口流速，之后随洞穴气体压力下降流速递减。气 体膨胀做功是等熵过程， 有 u02 2 γ γ-1 p0 ρ0 u12 2 γ γ-1 p1 ρ1 （1 ） ρ0ρp0 p T T0 （2 ） 式中 u0、 p0、 ρ0分别为洞穴内压缩空气的速度、 压力、密度，其中可近似认为 u00 m/s， p0取 8106 Pa； u1、 p1、 ρ1分别为放喷管路出口处的速度、 压力、 密 度； γ 为空气的比热比， 取 1.4； ρ 为常温下空气的密 度； p 为 1 个大气压力； T 为常温下热力学温度， 取 273.15 K； T0为洞穴内空气的热力学温度， 取 300.15 K； 按照 p1p、 ρ1ρ1.29 kg/m3计算。 由于煤层洞穴距地面深度较大，在此不能忽略 重力势能变化带来的影响。考虑重力势能影响， 式 （1） 可改写为 u02 2 γ γ-1 p0 ρ0 u12 2 γ γ-1 p1 ρ1 gh（3） 式中 g 为重力加速度； h 为洞穴与地面高差， 工 程实例中平均井深 h910 m。 按式 （2 ） 、 式 （3） 可计算出口速度。事实上， 由于 存在沿程阻力与局部阻力影响，因此有最大放喷气 流速度 umax＜u1189.16 m/s。 放喷管路出口最小流速计算如下当放喷过程 进行到一定阶段，由于空压机不断向洞穴内部注入 气体，洞穴内空气压力趋于稳定，放喷管路出口气 流速度不再减小， 此时达最小值 umin， 且观察到空压 机表压为 0.4 MPa，查空压机特性曲线可知此压力 下空压机排量与额定排量相近。已知空压机额定排 量 Q0.5 m3/s 与放喷管路出口截面积 A0.007 85 m2， 则有 uminQ A 63.7 m/s。 根据参考文献[10]， 此速度范围可满足高效除 尘的喉管气流速度要求，因此设计的煤尘捕集装置 不设用于提高气流速度的渐缩管段，喉管直径即为 放喷管路直径。 94 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 1喉管及供水管路设计 2.2.2文丘里管参数的计算 注液量计算方面 根据参考文献[10]， 液气比可取 0.7。分别根据 umax、 umin对注入液量进行计算， 有 Lmax Qmax 0.7 Lmin Qmin 0. ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 7 ⇒ Lmax3.5 Lmin1. ｛ 3 （4） 式中 Qmax、 Qmin分别为喉管入口处最大、 最小气 体流量， QmaxumaxA， QminuminA， m3/h； Lmax、 Lmin为相 对于 Qmax、 Qmin的最大、 最小注水量， L/h。 即为提高除尘效率， 对最大气流速度， 需注水量 3.5 m3/h； 对最小气流速度， 需注水量 1.3 m3/h。 喉管设计方面放喷过程中气流速度随时间逐 渐减小，由于现场设备限制，注水总流量无法随时 间调整。为解决这一矛盾，设计多组注水口以在喉 管的不同区域实现不同注液量。同时，放喷过程扬 起的煤粉粒径并不均匀且差异较大，因此需要针对 不同粒径煤尘设计不同的液滴直径以达到除尘目 的。而水滴在其加速运动的过程中不断分裂，直径 随其速度的不同而发生改变，水滴的速度又与入水 口至扩散管入口的距离 Li相关， 因此设计不同 Li的 喷嘴可以提高捕集效率。根据以上分析，在放喷管 路出口处接一节长为 1 m 的钢管， 分别在距放喷管 路出口处 0.7、 0.4 、 0.1 m 处设入水口，以此作为喉 管段。喉管及供水管路设计如图 1。在此选择 5 m3/ h 的潜水泵作为供水设备。水流由入水口进入供水 管路， 分 3 段 （L1L3）向喉管内供水， 可近似认为 3 个供水点供水量相等， 即 L1段供水量为 1.7 m3/h； L2 段供水量为 3.4 m3/h； L3段供水量为 5 m3/h。 渐扩管长度及出口端尺寸设计方面为现场施 工方便，设计渐扩管为矩形渐扩管。为保证沉降室 的煤尘捕集效果，放喷气流由文丘里管进入沉降室 时的气流速度不得大于 20 m/s[11]。依据最大放喷速 度对扩散管末端面积进行核算，可得扩散管末端面 积 A2≥0.75 m2。对于扩散管出口高度及宽度， 有 a2 （1.52.0） A2■（5） b2 A2 （1.52.0）■ （6） 式中 a2为扩散管出口端高度； b2为扩散管出口 端宽度。 经计算， 可得 a2∈ （0.7,1） ； b2∈ （0.6,1.2） ； 为施 工方便， 在案例中取 a20.7 m， b21 m。 按照传统文丘里管设计方法的要求，扩张管的 扩张角 θ2可取 67，由此计算的喉管长度为 2.5 m， 但在现场施工中， 不便于加工如此长度的喉管。 因此， 在案例中， 设计喉管长度为 1 m， 扩张角 θ2 16.7， 同时在扩张管内部设置分流管， 以进一步分 散气流， 使流速更均匀。 2.2.3沉降室的设计 沉降室理论上尺寸越大越好，但考虑现场施工 要求及成本因素， 应对其尺寸加以限制。另外， 沉降 室须进行防爆设计，防止引起瓦斯煤尘爆炸。本案 例中， 沉降室箱体采用钢板焊接而成， 其长 12 m、 宽 4 m、 高 3 m， 内部敷设三合板， 以缓冲煤尘、 岩块的 撞击力度，增强防爆效果。其单侧设置卸爆板及排 水口，便于排水及在发生爆炸时起到卸爆作用。箱 体内部设置 3 道木质挡板，木质挡板高 2 m，宽 4 m， 呈 45角倾斜布置。 其后部需用角铁支撑牢固。 在 箱体顶部设置螺旋锥状喷嘴， 共设置 8 个， 主要起到 淋水防爆的作用。遮板使用钢板焊接于箱体尾部， 在其末尾改变风流方向， 使风流流向沉淀池， 进行二 次降尘。煤尘捕集装置的设计三视图如图 2。 3煤尘捕集装置的应用 煤尘捕集装置主体结构采用钢板焊接制作， 为 满足防爆要求，在钢板内侧铺设木质三合板并设置 木质挡板。文丘里管喉管部分按照设计设置了喷 嘴，出于防爆考虑，在扩孔段设置喷嘴保持三合板 湿润 （三合板在湿润条件下不易断裂） ， 防止煤尘打 穿三合板与钢板发生摩擦产生爆炸风险。煤尘捕集 装置制作成本仅为 5 万元， 完全可以满足 “性价比较 高” 的要求。 在-960 m 水平轨道石门消突 （一期） 工程中意 识到空气动力造穴煤尘危害后， 在-960 m 水平运输 石门消突 （二期） 工程中设计、 制作并应用了煤尘捕 集装置，取得了良好的效果。使用煤尘捕集装置后 肉眼可见喷出物主要为水雾， 大部分煤尘已被捕集。 为进一步检验煤尘捕集装置效果， 对一期、 二期 工程分别使用沉淀池过滤法及煤尘捕集装置的情况 下， 收集到的煤尘体积进行统计， 使用煤尘捕集装置 95 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 3使用煤尘捕集装置前后收集煤粉量对比图 图 2煤尘捕集装置的设计三视图 前后收集煤粉量对比图如图 3。 由图 3 可知， 在地质条件、 施工参数相近的情况 下，使用煤尘捕集装置收集到的煤尘体积数倍于沉 淀池过滤法，可以证明煤尘捕集装置对于空气动力 造穴煤尘捕集工作的适用性及优越性。综上所述， 空气动力学在煤粉捕集装置切实可用。 4结论 1） 根据空气动力造穴放喷气流的特点， 采用 “文 丘里管后接沉降室” 的设计思路， 利用放喷气流速度 快的特点， 使煤尘与水流充分接触， 有效增加捕获几 率，提高除尘效率。之后利用渐扩管及沉降室缓冲 气流，捕集煤尘，便于统计；同时减弱高速气流动 能， 使之可以安全、 清洁的排入大气。 2） 计算了放喷气流的最大、 最小速度， 并根据此 速度对喉管长度、渐扩管尺寸及水射流喷嘴位置进 行了选取， 为适应放喷气流流速变化大、 煤尘粒径范 围大的特点， 设计了 3 个不同的入水口位置。 3） 考虑放喷气流含煤尘瓦斯易燃易爆的特点， 在煤尘捕集装置制作的过程中加入了木质三合板内 衬、 木质挡板、 泄爆口等安全设施， 并采用螺旋锥形 雾化喷嘴向沉降室内部及文丘里管渐扩管部分喷洒 水雾， 降低燃爆风险。 4） 根据使用煤尘捕集装置前后收集煤尘量的对 比，说明设计制作的煤尘捕集装置可以解决空气动 力造穴煤尘飞扬的环境问题及煤尘无法计量的技术 问题， 可以在今后的工作中推广应用。 参考文献 ［1］ 刘孟玲．煤层气洞穴完井造穴技术研究 ［D］ ．大庆 东 北石油大学， 2017． ［2］ 赵龙．空气动力造穴技术适用性分析 ［J］ 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年毕业于西安科技大学， 从事煤层气开发及瓦斯抽采工作。 （收稿日期 2018-10-18； 责任编辑 王福厚） （上接第 96 页） 101 ChaoXing