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矿井瓦斯泵
第一章 矿井常用瓦斯泵的类型及原理
瓦斯泵是矿井抽放瓦斯的动力设备。我国常用的瓦斯泵类型有水环泵、离心式鼓风机、回转式鼓风机(常用罗茨和叶氏鼓风机)三类。
第一节 水环泵
水环泵乃水环真空泵和水环压缩机的统称，是一种输送气体的流体机械。水环真空泵和压缩机的结构和工作原理相同，其区别仅在于用途不同。作真空泵时入口接系统，并造成一定的真空度，被抽吸气体经泵内加压至大气压力后排至大气中，因而真空泵排出端为大气条件，作压缩机时自大气条件吸气，经泵内压缩到一定压力后排入与泵出口相接的系统内，因而压缩机的入口为大气条件。实际上水环泵用于煤矿抽放瓦斯时，其入、出口均与瓦斯管路连接，借其真空特性抽吸煤体中瓦斯，借其压缩特性再将瓦斯压入地面输气管路，供给用户。所以，它既作真空泵用，又作压缩机用。 (一)水环泵工作原理
水环泵有单作用和双作用两类。 1．单作用水环泵工作原理
图13—1为单作用水环泵结构示意图，叶轮4由叶片和轮毂组成，两者为整体浇铸或焊接结构。叶片有前弯的，也有径向直板状的。泵体3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8封住。侧盖上开有吸气孔1和排气孔7，它们分别与泵的进气口5和排气口6相通。
水环泵工作前需向泵内注入一定量的工作液体(一般用水)。当叶轮通过泵轴在原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一个旋转水环。水环内表面和叶轮轮毂表面及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(基元容积)。每个小室随叶轮一起旋转，作周期性地扩大和缩小。见图13—2所示，吸入侧小室容积逐渐增大，气体经吸气孔被吸入到小室中。当这些小室转到排气侧时，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。这样，叶轮每旋转一周，各小室完成吸气，压缩、排气过程各一次，故称单作用式。相应可将水环泵的工作空间分为吸气区、压缩区和排气区。
以上只是从现象上说明水环泵的工作过程，但并未揭示出物理本质，亦即能量传递过程。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。见图13—3，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，使圆周速度增加，工作液体的动能增加。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，使圆周速度下降，工作液体的动能又转化为压力能，对气体进行压缩和排气。由此可见，水环泵在整个工作过程中工作液体起着传递能量的作用。
工作液体除传递能量外，还起密封工作容积和冷却气体的作用。水环泵工作时，必须不断向泵体内注入一定量的新液体，以补充随排气夹带走的液体。 2．双作用水环泵工作原理
图13—4为双作用水环泵简图，在椭圆形泵体2的中心装有叶轮3，两者具有上、下双偏心。环简状分配器4装在叶轮轮毂中心圆孔内固定不动，两端与设有吸排气通道(分别和进、排气口l、6连接)的泵体侧盖连接。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
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气区与进气口相通，排气孔ab和ef五使上、下排气区与排气口相通。
当泵体内注入一定量的水，叶轮在原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，由叶片分隔成若干密闭小室。见图13—4，当某小室从口点起随叶片转至6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点转向届点过程中，与排气孔相通，进行排气，同理，在转向下半周时，ef区间吸气，gf间压缩，gh区间排气。可见，对这种水环泵，转予每转一转，各封闭小室分别完成两次吸气、压缩、排气过程，故称为双作用式。 (二)水环泵结构
1．SZ型单作用水环泵
图13一l0为SZ一3(4)型水环泵结构图。前弯叶片的叶轮8用键11与泵轴9联接，两端用轴套5和15定位并用螺母3顶紧构成泵转子部分。转子偏心地装于泵体10内并由联轴器与电动机联接，轴的两端用滚动轴承支承。泵体两端用左、右侧盖13和7封住，侧盖(参见图13—11)内腔胃隔板分为吸气腔和排气腔，分别与吸、排气口连通，在靠泵体一侧壁上开
有吸气孔和排气孔，勾通泵内工作容积和气腔的气流通道。为防止外界大气进入泵内和泵内气体泄漏，在轴套与填料箱6之间装有填料14，并用压盖4压紧。进水管16与气水分离器或其它外部水源相接，向泵内补水。水封管12向填料箱引水，对填料箱起润滑、冷却和密封作用，同时对间隙A密封。
图13—11表示出了侧盖的结构。侧盖上小孔5是为防止过压缩而设置。当泵内气体未进入排气状态而压力p超过排气口内压力p2 (系统压力)时，橡皮球因压力差作用而变形，小孔与排气孔连通；使泵内压缩区气体提前排气，从而避免了过压缩现象。 2．SK型水环泵结构
图13—12为SK型双作用水环泵结构图。由叶轮2和泵轴3组成的泵转子安装在椭圆形泵体1内，轴两端用轴承箱8支承，通过联轴器与电动机出轴联接。左、右分配器7、6分别套装在泵轴两侧，其内端伸入叶轮轮毂内孔中，另一端借法兰盘与封闭泵体两侧的左、右侧盖5、4固定在一起。左、右侧盖，左、右分配器及泵体构成了泵的定子。侧盖内有两层空腔a和f分别和泵的进、排气口(进、排气口在泵两侧，图中未画出)相通，分配器上的吸气通道6又与侧盖口腔相通，其排气通道e和侧盖f腔相通。这样构成泵的进气路线为 泵进气口→专侧盖口腔→专分配器6腔→专泵内吸气区c腔 泵的排气路线为
泵内排气区西→专分配器e腔→专侧盖f腔→专泵排水口
该泵上方进水管10用于启动前向泵内注水或运转中向泵内补充水。此外，泵体上还有一回水管12(图13—13)，它的作用是将水环外部压力水引向分配器左、右两侧，使双偏心的 L、下工作腔隔开，起到密封作用，以防相互窜气。
水环压缩机、SZ及SK真空泵性能参数分别列于表13—1、表13—2和表13—3。 (三)水环泵工作系统
煤矿抽放瓦斯的水环泵工作系统有水环泵、气水分离器和性能调节装置。图13—14为 sz型水环泵工作系统示意图，水环泵1入口接负压抽吸管4，气水分离器10X口通过管子7与泵出口连接，其出口与正压排气管路8相接。被输送气体(CH4)的流动路线为：
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煤体内CH4→吸气管4→专水环泵1→专管子7→专气水分离器10→
?CH4?排气管?用户气水分离器10内设有浮子开关11，当积水到一定程度，浮子升?10中?水分离沉浸于起，开关自动打开，水由溢水管12放出。随着水位的下降，浮子落下，开关儿关闭，放水
停止，由此保持分离器内所需的水位，以保证泵内水最。
水环泵用水由分离器10经进水管15供给，阀16用来调节供水量。 水环泵在工作中凶摩擦，压缩使工作水温升高，因而从分离器10底部沿管14需不断供给冷水，以补充放掉的热水并起冷却作用。
阀门3用于调节流量和泵的真空度，微量调节可用真空调节阀2进行(但调节后的瓦斯浓度不得低子30％)。阀门9用于调节排气压力和流疑．开度减小(或阀3开度减小)时，排出压力增加(或吸入压力降低)，即压缩比增加，流量降低。流量调节还可借助循环管6和阀5进行，通过阀5开度的大小来调节水环泵作系统的流量。
第二节、离心式鼓风机
离心式鼓风机是～种高压的离心式输气机械。其工作原理和离心式通风机相同，是靠高速旋转的叶轮把原动机的机械能传给气体，从而实现对气体的抽吸和压送。
离心式鼓风机产生的压力为15～ 200kPa(低于15kPa为通风机，高于200kPa为压缩机)。这种鼓风机接叶轮数分为单级和多级两类。因离心式鼓风机叶轮圆周速度较大(可达300m／s)，单级鼓风机可产生l0～60kPa的压力，多级鼓风机则可产生更高的压力。离心式鼓风机一般不超过4级。
(一)离心式鼓风机的结构及主要零部件 1。离心式鼓风机的结构
离心式鼓风机转速高、压力大，因而在本身结构上有其特殊性。图13—15为C100?1.2331.245型离心式鼓风机剖面图。三个叶轮9和平衡鼓6用键固定在轴2上，叶轮由轴：套7限 位。它们共同构成鼓风机转子。转子借两端轴承箱4内的轴承3支承．装于水乎中开机壳14内。机壳内还装有固定不动的扩压器10、弯道12和回流器1l(合称为隔板)，构成鼓风机的级间气流通道。气体在鼓风机的流动路线为
进气口16→专吸入室17→专首级叶轮→专级间通道→专次级叶轮→专级间通道→专末级叶轮→专环形压出室18→专排气口13
为造成机内的密闭容积．机壳两侧与轴端之间用轴端密封5密封．隔板与叶轮和机壳之间由级间密封8、15密封。整个机组系多级、单吸、双支承结构，由电动机直接驱动。 2．离心式鼓风机的主要零部件
1)机壳 离心式鼓风机的机壳用铸铁制成。单级鼓风机和离心式通风机～·样用螺旋形机壳，其作用是把气体动压转换为静压并以最小的损失引向排气口。多级鼓风机的机壳为便于加工、拆装和检修，做成上、下水平对开式。
2)叶轮 叶轮是鼓风机的关键部件。为了有较高的效率，常用后弯叶片的叶轮，照为提高叶轮的压力，要求叶轮具有较高的圆周速度，因而，叶轮轮盘要用高强度合金钢或优质碳素钢制造，叶轮的叶片用合金钢或铝合金制造。叶片焊接或铆接在轮盘上二，图13—16为中、低压鼓风机用后弯叶片的闭式叶轮。大流量鼓风机采用双吸叶轮。
3)扩压器与回流器扩压器与回流器是多级鼓风机用于联接相邻叶轮气流通道的部件，用
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铸铁制造，结构如图13-17所示。扩压器入口正对叶轮出口，气流自叶轮出口流入扩压器，在扩压器内减速增加后，经弯道3翻转180。，通过带有回流叶片的回流器2引导，按一定的速度和方向进入次级叶轮。
扩压器分有叶片扩压器和无叶片扩压器两种。叶片扩压器的叶片呈机翼型，与扩压器壁面连接(焊接或螺钉、销钉固定)，其中叶片数应和叶轮叶片数互为质数，避免气流因流速脉动而引起叶片振动。有叶片扩压器较无叶片扩压器的特点是效率高(约高3％～5％)，径向尺寸小，但它对气流进气方向较敏感，性能曲线较陡。无叶片扩压器结构简单，进气速度和方向对工况影响不明显，性能曲线平坦，可与不同叶片出口角的叶轮匹配工作。 4)密封由于离心式鼓风机压力较高，为了防止气体在轴端的外泄漏和级间内泄漏，鼓风机的轴端、各级间密封部位均采用迷宫式间隙密封，其结构见图13—18所示。铝制或钢制密封片嵌入密封件的凹形槽内，与转动件上的齿槽配合，借气体流过该间隙时的节流 受阻原理来实现密封o ’
5)轴向推力平衡装置使用单吸叶轮的离心式鼓风机在工作中，从叶轮流也的高压气体通过叶轮与扩压器之间的间隙作用在叶轮的前、后轮盘上。由于前、后轮盘受压面积不等，作用在后盘上的总压力大于前盘上的总压力，因而对整个转子产生一个指向吸气侧的轴向推力，见图13—19所示。此力若不加以平衡，鼓风机就无法工作。最常用的平衡方法是平衡鼓法。见图13—20，在最后一级叶轮右侧装有平衡鼓1，其直径与叶轮入口直径相等，左侧6腔通过间隙口与末级叶轮沟通，从而受高压气体的作用。而平衡鼓右侧空间 c与鼓风机进气管连通，所受压力不足1个大气压。因而在平衡鼓上造成一个与轴向推力Tz反向的力Fp，使轴向推力Tz得以平衡。但这种平衡不能将轴向推力全部平衡掉·残余轴向推力由止推轴承来承担。
三、罗茨与叶氏鼓风机
(--)罗茨鼓风机的结构和工作原理
图13-24中近似椭圆形的机壳4和两侧轴端盖5所包容的空间内，装有一对8字形转子2，由同步齿轮1传动作反向旋转。机壳两对边分别开有和吸、排气管道相连的吸气口及排气口，借助两转子的啮合，使吸气口和排气口隔开。随两转子的反向旋转，不断将气体从吸气口吸入，歪排气口排出，达到抽吸、压送气体的目的。
罗茨鼓风机的工作过程见图13-25。 f竣置口；转子将气缸容积分为三部分，左侧与吸气口相通，压力为吸气压力p。，右侧 与排气口相通．压力为排气压力矽。，上部为封闭容积B，因在此之前，召与吸气口相通，敝曰中压力仍为吸气压力p。。
位置b：容积B，‘孑排气口相通．排气口气体反冲入B内，使B内压力瞬间增大至排气压力≯。(等容压缩)。之后上部容积排气，下部容积吸气。
位置c：与位置口相同．仅是上‘F转予位置对调，下部形成封闭容积B，压力也为pl。 至此．各转于转过90。，吸入(或排出)气体容积为B。则转子每转一周的理论排屠为 Vl：：=4B(13—9) 由上述分析知；
(1)气体压力并非因容积缩小而提高，而是借排气孔高压气体回流提高的，即进行等容压缩。
(2)理论流量大小仪与机器结构尺寸和转速有关，与工作压力p-和pz大小(亦即实际。。E况)无关。
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罗茨鼓风机转子与转予和转子与气缸之间应保持一定的间隙，以防止转子受热膨胀产生相互干涉。但间隙不能太大，否则排气量和效率降低。间隙值由同步齿轮来保、证。
转子断面型线有渐开线型、圆弧线型和摆线型等。渐开线型的面积利用系数较高，制造方便．目前应用较广。转子头数(叶峰或叶谷数)为2或3。两头的转子均为直叶，三头转子有直叶和扭叶两种。增加头数或用扭叶，可改善排气的不均匀性。
第二章瓦斯泵房及附属设备’
第一节瓦斯泵房 一、泵房及要求
矿井瓦斯泵房要建造在靠近公路和有水源的地方，距井口、主要建筑物、居民住宅区不得小于50m，周围20m内不得有明火，但距井口不宜过远，距用户也应适中。
瓦斯泵房必须用不燃材料建造，周围用围墙隔离，屋内严禁有明火，屋顶开设天窗，屋外必须设有不低于放空管的避雷装置。
瓦斯泵房必须用双电源供电(其中一一趟为专用)，必须有直通矿调度室的电话和必要的调节控制，安全保护和参数监测等设施。同时还应有专用供热线路和良好的照明设备等。 二、泵房设备与布置
参数监测装置用于监测瓦斯泵和抽放系统的工作状况，包括瓦斯压力、流量测定装置和采样孔(测定瓦斯浓度)，安全装置对抽放系统起保护作用，泵房管路配置要考虑瓦斯泵的联络、切换和调节的需要。
泵房管路配置及各种设备的联络关系与布置见图14-1所示。
。瓦斯泵房管路配置和参数监测装置的功能、安装位置及要求列于表1．4—1中。图1 4—2给出某矿SZ-4型水环泵房布置图。 第：二节安全装置
安全装置视其作用不同有放水装置、防爆防回火装置、放至和避霄装置等。 一、管路放水装置
在瓦斯抽放过程中，煤体含水在负压作-g-I下随同瓦斯一起被吸入瓦斯管路，沿途存低
洼处积聚。若不及时处理，一则瓦斯带水埘用户不利，二则造成瓦斯流动局部受阻或管路 阻塞。因此在管路低洼处和进用户前应装设放水装置。 1．人工负压放水器
图14—3为两种人工放水器示意图。图口所示的放水器，管内有水时积于水罐2内。放水
人员打开死堵3可将水放出，放完后再将死堵拧紧。这种放水器用于井下负压分支管路积 水量不犬的低洼处。管内负压不宜过大，否则在关死堵时吸入空气。 ‘般负压在1000Pal、j
下时应嘲较多。
l；冬J6所示的放水器町避免关堵吸气现象。正常情况I-'N 5、6关闭，阀4耖井，饥斯管有水时，经阀4积子水罐2内。放水时，将阀4关闭，阀5打开，水罐通入空气，打开阀6即可放水。放完后，将阀5、6关闭，阀4打开。该放水器叮用：f井F负压主管中水最较大、负压较高处。一般设在水平管路与倾斜管路交界处、湿度突变处及低洼处。 2．地嘶瓦斯管路放水器
图14-4为地面瓦斯管路放水器构造示意图，由积水罐l、抽水管2和盖板4等组成。轧斯通过放水器时，水沉积于积水罐l下部。当积水达到…定量时，打开死堵6，接l叨水筒，将水通过抽水管2抽出。
这种放水器主要用在地面主要瓦斯管路上。一般设在低洼易积水处，在主管与用户支管
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矿井瓦斯泵的工作原理
