第十五章《矿山流体机械》课件

第五篇煤矿抽放瓦斯设备第五篇煤矿抽放瓦斯设备1煤矿瓦斯抽放是一种处理井下瓦斯的措施。它利用瓦斯泵对煤体中瓦斯的负压抽吸作用，将瓦斯通过抽吸管抽放至地面，然后再利用瓦斯泵的正压鼓风作用将瓦斯通过输气管路压送至储气罐，再送至用户进行利用其系统如下图所示。

煤矿瓦斯抽放是一种处理井下瓦斯的措施。它利用2对于通过矿井通风方式难以解决瓦斯问题的矿井或工作面，就应当考虑瓦斯抽放。瓦斯抽放的难易程度取决于两个方面：煤层瓦斯压力和煤层的透气性。煤层瓦斯压力越高，煤层的透气性越好，越容易抽放瓦斯。抽放瓦斯最常用的工艺方法是钻孔预抽法，该法是在开采层巷道中，每隔30m作一个深度为6～7m的小石门，作为专打抽放瓦斯钻孔的钻场。在每个钻场内向开采煤层或上下相邻煤层打钻孔（一般为3～5个，钻孔直径为70～100mm），将各钻场封闭，并用分支管把各钻场接入抽放系统的主管路中，用地面固定抽放瓦斯泵站的瓦斯泵将瓦斯抽出

对于通过矿井通风方式难以解决瓦斯问题的矿井或3第十五章矿井抽放瓦斯泵

的工作理论

第十五章矿井抽放瓦斯泵

4本章学习要点各种抽放瓦斯泵的特点和适用条件水环泵的工作原理和工作参数水环泵的性能曲线本章小结本章学习要点各种抽放瓦斯泵的特点和适用条件5第一节各种抽放瓦斯泵的

特点和适用条件一、水环泵

水环泵的负压抽吸能力强，所抽吸的瓦斯被水密封，而且压缩温度低，即使瓦斯浓度达到爆炸极限也无爆炸危险，因此安全性能很高。水环泵结构简单、工作平稳、流量均匀；但正压输气能力较低，效率也较低（一般为30%～50%，最高至55%）。水环泵适用于煤层透气性低、抽吸负压大及瓦斯浓度经常变化的瓦斯抽放矿井。在同一抽放系统中，既可负压抽吸，又可正压输气，但正压输气阻力不宜过大。

第一节各种抽放瓦斯泵的

特点和适用条件6二、离心鼓风机离心鼓风机是一种高压离心式输气机械，其工作原理和离心式通风机相同，是靠高速旋转的叶轮把电动机的机械能传给气体，从而实现对气体的抽吸和压送。离心鼓风机的特点是转速高（有的用加速器加速，最高转速可达10000r/min），流量大（可达25000m3/min），升压高，排气均匀无脉动，运行稳定可靠，结构简单，效率高（有的可达80%）；但成本高，流量小及并联运行时性能较差，容易出现不稳定运转现象。离心鼓风机适用于瓦斯流量大、负压要求不高（4～50kPa）的瓦斯抽放矿井，既可负压抽吸，又可正压输气。二、离心鼓风机离心鼓风机是一种高压离心式输气机械，7三、罗茨与叶氏鼓风机

罗茨鼓风机由同步齿轮带动一对8字型转子，在近似椭圆形的机壳内相啮合，从而达到抽吸和压送气体的目的。叶氏鼓风机与罗茨鼓风机结构相似，其共同特点是流量受管道阻力特性变化的影响很小，运行稳定，效率较高，成本低；但检修工艺复杂，运转噪声大，磨损较严重。罗茨与叶氏鼓风机适用于较大瓦斯流量和较高负压的瓦斯抽放矿井；既可负压抽吸，又可正压输气，但较适用于正压输气，尤其对要求瓦斯流量稳定的用户输气更为适用。

三、罗茨与叶氏鼓风机罗茨鼓风机由同步齿轮带8第二节水环泵的工作原理

和工作参数一、水环泵的工作原理

水环泵分单作用和双作用两类。其中，单作用水环泵的叶轮每旋转一周，完成吸气、压缩、排气过程各一次；双作用水环泵的叶轮每旋转一周，完成吸气、压缩、排气过程各两次。

第二节水环泵的工作原理

和工作参数一、9（一）单作用水环泵工作原理

如右图所示为单作用水环泵的工作原理图。叶轮5由叶片和轮毂组成，为整体浇铸或焊接结构。叶片有前弯状和径向直板状两种。泵体8内部有一个圆柱形空间，叶轮偏心地装入这个空间内，两端用侧盖封住。侧盖上开有吸气孔7和排气孔2，它们分别与泵的进气口4和排气口1相通。

（一）单作用水环泵工作原理如右图所示为单作10水环泵工作前需向泵内注入一定量的工作液体（一般为水）。当叶轮通过泵轴在电动机带动下旋转且达到一定转速时，泵内工作液体在叶片推动下一起旋转，并因离心力作用甩向四周，在泵体内壁与叶轮之间形成旋转一个水环。水环内表面和叶轮轮毂表面及两端侧盖之间形成一个月牙形空间，它被叶片分成若干个容积不等、互不连通的封闭小室。每个小室随叶轮一起旋转，作周期性扩大和缩小。

水环泵工作前需向泵内注入一定量的工作液体（一11随着叶轮的旋转，吸入侧小室容积逐渐增大，压力逐渐降低。当其压力低于被抽气体的压力时，气体经吸气孔被吸入到小室中。当小室转到排气侧时，其容积又逐渐减小，吸进的气体被压缩，压力升高。当气体被压缩到一定程度时，经排气孔排出。这祥，叶轮每旋转一周，各小室完成吸气、压缩、排气过程各一次。因此，可将水环泵的工作空间分为吸气区（I区）、压缩区（II区）和排气区（III区）。

随着叶轮的旋转，吸入侧小室容积逐渐增大，压力12水环泵的能量传递是以工作液体为媒介进行的。从上述分析可知，每个小室中的液体时而远离叶轮，时而靠近叶轮，尤如一个液体活塞在小室中作往复运动。在吸气区（I区），工作液体自叶片得到机械能，并从叶片根部流向叶片外缘，其圆周速度和动能增加。在压缩区（II区）和排气区（III区），工作液体又逐渐流回到叶片根部，圆周速度下降，动能转化为压力能，对气体进行压缩和排气。由此可见，在水环泵的整个工作过程中，工作液体起着传递能量的作用。

水环泵的能量传递是以工作液体为媒介进行的。从13（二）双作用水环泵工作原理

如右图为双作用水环泵的工作原理图。在椭圆形泵体2的中心装有叶轮3，两者具有上、下双偏心的特点。环筒状分配器4装在叶轮轮毂中心圆孔内固定不动，其两端与设有吸排气孔的泵体侧盖连接。（二）双作用水环泵工作原理如右图为双作用水14分配器内、外环间分为四个间隔，对角线上的两个间隔借侧盖上的气流通道连通。在外环壁上开吸气孔和排气孔，吸气孔ab和ef，使上、下吸气区与进气口1相通，排气孔cd和gh，使上、下排气区与排气口6相通。当泵体内注入一定量的水、叶轮在电动机带动下以足够的转速顺时针旋转时，因离心力作用，水被甩向外围，形成一个与泵体内表面形状一致的椭圆形旋转水环。在水环内表面、叶轮轮毂及两侧盖之间形成上、下两个月牙形空间，它们被叶片分隔成若干密闭小室。

分配器内、外环间分为四个间隔，对角线上的两个15当某小室从a点起随叶片转至b点时，始终与吸气孔相通，容积由小变大，进行吸气；当从b点转向c点过程中，与吸、排气孔隔绝，容积由大变小，进行压缩；当从c点转向d点过程中，与排气孔相通，进行排气。同理，在转向下半周时，ef区间吸气，fg区间压缩，gh区间排气。可见，对这种水环泵，转子每转一转，各封闭小室分别完成两次吸气、压缩、排气过程。

当某小室从a点起随叶片转至b点时，始终与吸气16二、水环泵的工作参数

（一）流量Q

水环真空泵的流量又称为抽气量或抽气速率，是指泵进口为标准大气状态时，单位时间内通过泵进口的气体容积，单位为m3/min；水环压缩机的流量又称为排气量，是指泵出口为标准大气状态时，单位时间内通过泵出口的气体容积，单位为m3/min。

二、水环泵的工作参数（一）流量Q水环真空17（二）压力p

水环真空泵的压力是指其抽吸气体（进气口）的压力，它有三种表示方法：1．用抽取状态的绝对压力p1表示。2．用真空度pz表示，pz＝pa－p1。3．用真空度的百分数（即pz%）表示，

pz%＝pz/pa×100%。水环压缩机的压力是指其出口压力p2，它可用绝对压力表示，也可用相对压力表示。（二）压力p水环真空泵的压力是指其抽吸气体18（三）轴功率P

水环泵的轴功率P（单位为kW）可按下式进行计算：

（四）效率η

水环泵的效率是指理论功率与轴功率的比值，即

（三）轴功率P水环泵的轴功率P（单位为kW）可按下式进行计19第三节水环泵的性能曲线一、水环泵的特性分析水环泵的排出压力p2和吸入压力p1的大小取决于泵本身的结构和转速。如右图所示，在吸气区内，各小室在增大过程中始终与吸气孔相通，保证了在吸气过程中最大限度地吸入气体（充分吸气），而小室一旦开始变小，则立即与吸气口隔开，对应的吸气口末端角为

x。第三节水环泵的性能曲线一、水环泵的特性分析20在压缩区内，工作液体的动能转化为压力能来压缩气体。因被抽吸气体直接与水环接触，散热良好，故可以把对气体的压缩看成是等温压缩。设开始压缩时的压力和容积分别为p1和V1，压缩区内某一位置上的压力和容积分别为p和V，则pV＝p1V1

其压缩比ε为

显然，随压缩角

的增大，液体不断压缩气体而做功，使其V减小，p升高，压缩比ε随之增大。当

增大至某一值

l时，工作液体自叶轮获得的能量全部传给气体，至此达到临界状态，对应的压力为临界压力pl，对应的临界压缩比εl为在压缩区内，工作液体的动能转化为压力能来压缩21由以上分析可知，对给定的水环泵在特定转速下运行时，临界压缩比是一个恒定值，亦即水环泵在充分吸气条件下对气体的压缩能力是一定的。然而，水环泵可能经常在不同的系统（不同吸入压力p1和排出压力p2）中工作，即水环泵实际工作的压缩比ε可能不常等于临界压缩比εl。当ε＜εl，即泵的工作压力p2＜pl时，气体在泵内先压缩到pl，自排气孔排出后再膨胀，使压力降至出口工作压力p2，这就产生了过压缩现象，它会使泵的能量损失增加，效率下降。可见，消除过压缩现象是降低泵能耗、提高效率的有效途径。

由以上分析可知，对给定的水环泵在特定转速下运22当ε＝εl，即p2＝pl时，气体的压缩终了压力与泵的工作压力相等，气体排出后，不需再膨胀，泵的效率最高，这是最理想的工作状态。由于泵的理论流量（吸气量）与右图中AB断面面积成正比，在ε≤εl情况下，水环工作状态不受影响，AB面积不变，所以泵的理论流量不变。

当ε＝εl，即p2＝pl时，气体的压缩终了压23当ε＞εl，即p2＞pl时，随工作压缩比的增加，水环能耗增加，其圆周速度降低。在水环压缩区终端靠近泵体区域，如下图所示a区，首先出现水质点因圆周速度为零而滞止的情况，使后续质点运动受阻，造成质点堆积和压力升高，并在b区发生回流现象，使水环下部厚度增加，气流通道面积减小，从而导致泵吸气量减小，内能耗增加，效率下降。

当ε＞εl，即p2＞pl时，随工作压缩比的增24随ε的增加，水环回流区进一步扩大，气流通道面积进一步减小，流量进一步下降。当水环回流占满下部气流通道时，流量等于零，效率亦等于零。此时排出压力和吸入真空达到最大值，分别称为最大排出压力和最大吸入真空。显然，要增大压缩比，流量必须减少，才能保证能量平衡（即不能保证充分吸气）。因而在临界位置

l处开设排气孔，既能最大限度地利用液环能量，又不致使液环流动状态恶化。随ε的增加，水环回流区进一步扩大，气流通道面25二、水环泵的性能曲线

水环泵的性能曲线包括四条，其中，水环真空泵的性能曲线为pz–Q、pz–η、pz–N、pz–q，如左图所示；水环压缩机的性能曲线为p–Q、p–η、p–N、p–q，如右图所示。

二、水环泵的性能曲线水环泵的性能曲线包括四26水环泵性能曲线是在大气压力1.013×105Pa、空气相对湿度70%、气体温度20℃、工作水温15℃的条件下，通过实验得到的。当使用条件与上述实验条件不一致时，应对性能曲线按气体状态方程进行换算或修正。对于同一台水环泵，当转速在额定转速的±10%范围内变化时，其流量和轴功率按下式换算：

当转速变化较大时，因效率的变化，上式不再适用，应通过实验确定。