自動(dòng)放水器在瓦斯抽放系統(tǒng)中的應(yīng)用與改造

孫光亞

（哈爾濱電子技術(shù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150030）

在礦井作業(yè)中，瓦斯抽放系統(tǒng)具有極為重要的地位。瓦斯抽放，可以減少開采過程中瓦斯涌出量，減少或消除礦井瓦斯對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的威脅，減少瓦斯事故發(fā)生，維護(hù)作業(yè)安全性。瓦斯抽放系統(tǒng)包括地面泵站、抽放鉆場(chǎng)與井下管路三部分。在進(jìn)行上行抽放作業(yè)時(shí)，鉆場(chǎng)鉆孔保持一定仰角進(jìn)入到煤巖層，在自重及負(fù)壓作用下，煤巖層中液態(tài)水容易進(jìn)入到抽放管路之中，如水量較大，容易縮小抽放管路有效截面面積，從而發(fā)生抽放管路堵塞問題，對(duì)瓦斯抽放效果造成不利影響。為保證瓦斯抽放效果，就需要對(duì)抽放管路中的積水進(jìn)行排放。如果采取人工方式進(jìn)行抽放管路排水，容易造成嚴(yán)重的人力資源浪費(fèi)，且不容易進(jìn)行瓦斯管理，抽放效果不佳。經(jīng)過多次試驗(yàn)研究，制造出適用于瓦斯抽放系統(tǒng)的自動(dòng)放水器，并在瓦斯抽放系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，獲得了良好效果。

一、自動(dòng)放水器主要結(jié)構(gòu)及工作原理

（一）自動(dòng)放水器主要結(jié)構(gòu)

自動(dòng)放水器主要結(jié)構(gòu)包括：（1）進(jìn)水管；（2）上行閘門；（3）蓄水器；（4）濾水器；（5）啟閉器；（6）圓形橡膠片；（7）放水管；（8）放渣管；（9）下行閘門。（見圖1）

（二）自動(dòng)放水器工作原理

為保證自動(dòng)放水器工作效果，一般選擇在地面泵站到井下鉆場(chǎng)的上山管路起坡附近安置自動(dòng)放水器。在正常抽放作業(yè)時(shí)，需要關(guān)閉下行閘門，開啟上行閘門，在大氣壓力等作用下，啟閉器中圓形橡膠片關(guān)閉放水管口，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)氣壓與蓄水箱內(nèi)進(jìn)出口的水壓差之和大于外界大氣壓時(shí)，在水壓力作用下，積水頂開啟閉器中圓形橡膠片，放水管打開，積水自動(dòng)流出蓄水箱外；當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)氣壓與蓄水箱內(nèi)進(jìn)出口水壓差之和小于外界大氣壓時(shí)，圓形橡膠片在自重、彈力及大氣壓力作用下，自動(dòng)返回原本位置，關(guān)閉放水管，通過這種方式，實(shí)現(xiàn)抽放管路中積水自動(dòng)排放。自動(dòng)放水器中的過濾器主要是由濾網(wǎng)與帶孔鋼板所組成，對(duì)積水進(jìn)行過濾。在自動(dòng)放水器使用一段時(shí)間后，抽放管路中銹蝕廢渣及積水中煤巖層殘?jiān)鼤?huì)在蓄水箱一側(cè)堆積，為保證自動(dòng)放水器排水效果，需要及時(shí)進(jìn)行清理工作；在進(jìn)行排渣操作時(shí)，需要關(guān)閉上行閘門，開啟下行閘門，通過放渣管將殘余物排出蓄水箱。為防止外界空氣進(jìn)入到瓦斯抽放系統(tǒng)之中，需要在初次使用自動(dòng)放水器或清理殘?jiān)螅谛钏渲蓄A(yù)存約半箱水量。

圖1 自動(dòng)放水器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 自動(dòng)放水器受力情況分析示意圖

當(dāng)前，自動(dòng)放水器獲得了較大發(fā)展，出現(xiàn)了利用浮力結(jié)合磁力改變放水器內(nèi)部空間壓力狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水的自動(dòng)放水器，還有在啟閉器處采用橡膠球封閉放水管口的方法，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。

二、自動(dòng)放水器應(yīng)用效果分析

使用自動(dòng)放水器，獲得了較好的效果，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（一）保證了瓦斯抽放系統(tǒng)的抽放效果：使用人工放水，如選擇每小時(shí)一次，則會(huì)因放水時(shí)間間隔較長(zhǎng)，抽放管路中存在較多積水，縮小有效抽放管路有效截面，導(dǎo)致抽放阻力加大，抽放負(fù)壓在中途環(huán)節(jié)被大量消耗，最終影響抽放效果。而在瓦斯抽放系統(tǒng)中應(yīng)用自動(dòng)放水器，由自動(dòng)放水器不定期進(jìn)行自動(dòng)排水，可以確保抽放管路通暢，降低抽放阻力，從而增加鉆場(chǎng)有效負(fù)壓，讓煤層中游離狀態(tài)的瓦斯不斷進(jìn)入到鉆孔中，隨著抽放管路，將大量瓦斯抽到地面，保證了瓦斯抽放效果。

（二）將自動(dòng)放水器應(yīng)用于瓦斯抽放系統(tǒng)中，有利于加強(qiáng)瓦斯管理，確保生產(chǎn)安全，進(jìn)一步提高作業(yè)效率。傳統(tǒng)抽放系統(tǒng)，不能很好保證瓦斯抽放效果，難以充分發(fā)揮效益，在投產(chǎn)后，由于煤層中瓦斯釋放程度較低，瓦斯含量超標(biāo)，加上通風(fēng)系統(tǒng)無法大量增加，不能確保瓦斯含量在安全氛圍內(nèi)，企業(yè)被迫停止開采活動(dòng)，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。瓦斯超限，嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)。將自動(dòng)放水器應(yīng)用于瓦斯抽放系統(tǒng)中，確保了瓦斯抽放效果，降低了瓦斯含量及瓦斯超限事故發(fā)生率，從而提高了生產(chǎn)效率及質(zhì)量。

（三）將自動(dòng)放水器應(yīng)用于瓦斯抽放系統(tǒng)中，節(jié)省了人力資源，降低了能耗，獲取了良好的經(jīng)濟(jì)效益。人工放水時(shí)，需要安排工作人員每小時(shí)進(jìn)行放水作業(yè)，管理不便，且容易導(dǎo)致外界空氣進(jìn)入抽放管路，降低系統(tǒng)負(fù)壓，影響抽放效果。而應(yīng)用自動(dòng)放水器，只需要每周安排一人檢修即可，抽放效果較好。

表1 三種不同型號(hào)的浮子參數(shù)

三、自動(dòng)放水器改造及應(yīng)用效果

在礦井作業(yè)活動(dòng)中，自動(dòng)放水器在一般情況下可以滿足生產(chǎn)作業(yè)的要求，但仍存在著放水速度較慢、抽放管路中殘存積水的問題，為更好的確保放水效果及抽放效果，我們提出對(duì)自動(dòng)放水器進(jìn)行改造，并應(yīng)用于實(shí)踐之中。

（一）自動(dòng)放水器改造方法一

根據(jù)自動(dòng)放水器工作原理，安裝與抽放管路相平行的積水管，組合安裝多個(gè)自動(dòng)放水器，增加自動(dòng)放水速度及效率，保證抽放效果。如在礦井作業(yè)活動(dòng)中，管路內(nèi)存水較多，使用人工排水的方式不僅效率低，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)放水，且需要安排專職人員進(jìn)行值班，停泵后處理積水，影響抽放效果。即使是使用了自動(dòng)放水器之后，仍存在著放水速度較慢等問題，為此，進(jìn)行自動(dòng)放水器改造，組合安裝兩套自動(dòng)放水器，經(jīng)過這種改造，有效地解決了瓦斯抽放管路中殘存積水的問題，且大大提高了排水效率，保證了抽放效果。

（二）自動(dòng)放水器改造方法二

在一些自動(dòng)放水器中，存在著利用浮力結(jié)合磁力改變放水器內(nèi)部空間壓力狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水的自動(dòng)放水器，這種自動(dòng)放水器應(yīng)用較為廣泛，為提高自動(dòng)放水速度及效率，通過改變浮子形狀及體積，增加一次循環(huán)放水量，從而實(shí)現(xiàn)改造目的，確保抽放效果。

采取不同的浮子形狀及體積，進(jìn)行放水效果實(shí)驗(yàn)，最終選擇出效果最佳的浮子形狀及體積，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)放水器的有效改造。

1選擇三種型號(hào)浮子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：第一種，高度為100mm，直徑為240mm，自重及配重分別為24N、20N；第二種，高度為200mm，直徑為205mm，自重及配重分別為28N及16N；第三種，高度為100mm，直徑為205mm，自重及配重均為22N。三種不同型號(hào)的浮子參數(shù)如表1：

2設(shè)計(jì)方案理論分析：通過改變浮子形狀及體系來實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)放水器的改造，其設(shè)計(jì)方案理論在于自動(dòng)放水器的受力物理性質(zhì)。圖2是自動(dòng)放水器受力分析圖：

其中F浮屬于浮子所承受的浮力；G為浮子重量；Z＇為放水閘高度；H為浮子高度；h為浮子在水面下高度等。根據(jù)放水器工作原理，可以得出自動(dòng)放水器在放水時(shí)水面的高度Z取決于浮子高度H減去浮子在水面下高度h的值。H-h值越大，Z就越小，相反，H-h值越小，Z值就越大。

通過計(jì)算，采取第三種型號(hào)的浮子時(shí)，水面高度Z的取值最大。影響放水速度的因素還有放水器氣壓，水面高度越大，氣壓越高，放水速度就越快。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采取第三種型號(hào)浮子放水流速較快。

然而，雖然第三種型號(hào)浮子應(yīng)用于自動(dòng)放水器中，其放水速度最快，放水量最大，但其放水時(shí)間卻并不是最短的。為將放水量、放水速度及放水時(shí)間協(xié)調(diào)到最佳，通過計(jì)算，采取第一種型號(hào)浮子，其單個(gè)循環(huán)放水量較大，放水速度較快，循環(huán)放水所用時(shí)間最短。綜合分析對(duì)比，最終選擇使用第一種型號(hào)浮子應(yīng)用于自動(dòng)放水器中，并經(jīng)過實(shí)踐，獲得良好效果。

通過組合安裝積水管或改變不同浮子形狀及體積，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)放水器應(yīng)用改造，縮短了放水時(shí)間，提高了放水速度，確保了抽放效果，滿足了礦井作業(yè)活動(dòng)的需要。

結(jié)語

在礦井作業(yè)活動(dòng)中，為確保生產(chǎn)安全，需要進(jìn)行瓦斯抽放作業(yè)。將自動(dòng)放水器應(yīng)用于瓦斯抽放系統(tǒng)中，可以節(jié)省大量人力，降低能耗，加強(qiáng)瓦斯管理，確保生產(chǎn)安全。為進(jìn)一步提高自動(dòng)放水器的排水速度及效率，可以組合安裝積水管及多個(gè)自動(dòng)放水器或?qū)ψ詣?dòng)放水器結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改造，進(jìn)一步縮短放水時(shí)間，確保瓦斯抽放效果。

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