無能耗自動放水器設(shè)計與分析

張松濤

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦，河南 平頂山467091）

0 引言

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦（以下簡為六礦）2005年6月19日被中國煤科院撫順分院鑒定為煤與瓦斯突出礦井，煤層瓦斯壓力最大為2.1MPa，瓦斯含量最大為7.93m3／t。

煤炭在形成過程中伴隨著瓦斯產(chǎn)生，煤層中瓦斯氣體主要以吸附狀態(tài)存在。瓦斯的性質(zhì)：（1）瓦斯是一種無色、無味、無臭的氣體。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，瓦斯比空氣輕，相對密度為0.554；礦井瓦斯的擴(kuò)散性好，比空氣大1.6倍。（2）瓦斯本身無毒，但是礦井空氣中的瓦斯?jié)舛容^高時，便相對降低了空氣中氧的含量，易因缺氧而引起人員窒息。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到43%時，氧的濃度降低至12%，人感到呼吸困難；當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到57%時，氧氣含量會下降到9%，人若誤入其中，短時間就會窒息死亡。（3）瓦斯難溶于水。（4）瓦斯不助燃，但與空氣混合達(dá)到一定濃度，遇到高溫火焰能夠燃燒和爆炸。

煤與瓦斯突出是在一瞬間突然向采掘工作面空間噴出巨量的煤與瓦斯流，它對煤礦井下危害巨大，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。煤與瓦斯突出不僅會嚴(yán)重摧毀巷道設(shè)施，毀壞通風(fēng)系統(tǒng)，而且會導(dǎo)致附近區(qū)域的井內(nèi)全部充滿瓦斯與煤粉，造成人員窒息或煤流埋人，甚至?xí)斐擅簤m和瓦斯爆炸等惡性后果。

煤與瓦斯突出沒有明顯征兆，具備突然性。防范措施就是先把瓦斯抽出來釋放掉，防止其突然噴出傷人；然后再開采煤炭。

六礦的防突（防止瓦斯突出）理念：瓦斯不治，礦無寧日；防突不防，礦毀人亡。防突成為六礦工作的重中之重。瓦斯抽放工藝：向煤層內(nèi)鉆深達(dá)80m的孔，然后在孔內(nèi)安裝管子，管子連接真空泵（瓦斯抽放泵，型號為2BEC－42，吸氣量為150m3／min），開啟泵使管內(nèi)形成一定真空度，把煤層內(nèi)的瓦斯抽出來，經(jīng)過管道排放到地面。

1 抽出瓦斯時發(fā)現(xiàn)問題

使用管路抽出瓦斯時，煤層內(nèi)的碎煤屑和水分隨之抽出，礦井的巷道是上下起伏的，巷道內(nèi)敷設(shè)的管路也隨之起伏，碎煤屑和水易聚積在管路低凹處堵塞管路斷面，使瓦斯無法抽出。

2 煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定

第十四條：煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井必須建立地面固定抽采瓦斯系統(tǒng)，其他應(yīng)抽采瓦斯的礦井可以建立井下臨時抽采瓦斯系統(tǒng)。

第十五條：預(yù)抽瓦斯鉆孔的孔口負(fù)壓不得低于13kPa，卸壓瓦斯抽采鉆孔的孔口負(fù)壓不得低于5kPa。

第十七條：瓦斯抽采管網(wǎng)中應(yīng)當(dāng)安裝足夠數(shù)量的放水器，確保能及時排除管路中的積水，必要時應(yīng)設(shè)除渣裝置，防止煤泥堵塞管路斷面。

3 理想狀態(tài)

制作一個封閉容器，抽出的瓦斯與水以及煤屑從容器上端進(jìn)入容器內(nèi)；瓦斯不溶于水，與煤、水自動分離，煤屑和水在重力作用下沉淀儲存在下部，水儲蓄適量會自動放出，放水完畢又自動抽出瓦斯并蓄水；容器內(nèi)沉淀的煤屑還容易清除。

4 放水器結(jié)構(gòu)

放水器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 放水器結(jié)構(gòu)

5 工作原理

利用水的浮力、浮漂重力和磁鐵吸力三者的巧妙作用，實現(xiàn)無能耗自動蓄放水，并順利抽出瓦斯。該放水器無需電能、風(fēng)能，屬于無能耗、低物耗、無排放、無污染的低碳產(chǎn)品。

放水器內(nèi)部氣體為負(fù)壓時蓄水、正壓時放水。負(fù)壓狀態(tài)浮漂隨水位升高至極點，托板被浮力推高到極點，托板的磁鐵與法蘭蓋下面的磁鐵吸合，托板的橡膠墊壓住負(fù)壓吸氣孔、放水器內(nèi)不再流過負(fù)壓氣體，同時托板的頂針頂開閉合的止回閥，空氣經(jīng)閥門進(jìn)入放水器內(nèi)，筒內(nèi)存水在正壓 空氣作用下從筒外下端的止回閥放出。放水時浮漂受到水的浮力和2個磁鐵吸力，暫時不動；當(dāng)水位降到最低點，浮漂重量大于磁鐵吸力與水的浮力之和，浮漂在重力作用下落到放水器下部，帶動托板下落，隨之，上蓋頂部的止回閥關(guān)閉，放水器內(nèi)部與外部大氣隔絕，負(fù)壓吸氣孔打開，放水器內(nèi)部流過瓦斯和負(fù)壓氣體；筒外下端的止回閥在空氣壓力作用下關(guān)閉，筒內(nèi)開始蓄水存煤屑。如此循環(huán)返復(fù)。

6 創(chuàng)新點

（1）放水器外形呈圓柱形，由蓋和筒組成，兩者用螺栓連接，拆開可修理筒內(nèi)部件并清除筒底積存的煤屑。

（2）放水器內(nèi)部分固定和移動2部分。蓋與筒是固定部分，浮漂、滑桿及托板是移動部分。

（3）筒由鋼管［1］底部焊鋼板、頂部焊管法蘭制成，公稱口徑219mm、高400mm、筒壁厚度4mm，管法蘭與管法蘭蓋公稱壓力0.6MPa［2］。此耐壓程度符合“預(yù)抽瓦斯鉆孔的孔口負(fù)壓不得低于13kPa”規(guī)定，選型合格。

（4）筒底中心垂直焊1根鋼管，長120mm，作用是確定滑桿的中心，不得偏斜，鋼管內(nèi)穿滑桿可上下移動，滑桿為薄壁鋁管，長320mm，滑桿頂端裝配托板，托板頂部中央裝1個環(huán)形磁鐵，該磁鐵與法蘭蓋下面裝的磁鐵吸合時對齊對正，滑桿外安裝1個浮漂（浮漂底部有配重），滑桿下部合適處焊1個限位平墊，浮漂沿滑桿在平墊與托板之間上下移動。浮漂能浮起，托板和滑桿沿著筒底中心滑道向上移動，直至2塊磁鐵吸合。

（5）環(huán)形磁鐵型號：60mm×30mm×10mm（外徑×內(nèi)徑×厚度）。2塊磁鐵吸力合計2.1kg，浮漂含配重合計2.6kg。

（6）筒側(cè)面上下各焊1個支管，上支管連接煤層孔的瓦斯抽放管；下支管安裝1″內(nèi)螺紋止回閥，材質(zhì)為銅合金，預(yù)防生銹，作用是當(dāng)筒內(nèi)氣體負(fù)壓時蓄水、正壓時放水。

（7）管法蘭蓋外部垂直焊2個支管，1個安裝1″內(nèi)螺紋止回閥、水閥，當(dāng)筒內(nèi)為負(fù)壓氣體時隔絕空氣，2塊磁鐵吸合后，此閥打開，外面的空氣進(jìn)入筒內(nèi)，排出積水；1個是負(fù)壓氣體吸孔，連接真空泵，抽出瓦斯。

（8）放水器必須垂直放置，不得歪斜。應(yīng)愛惜放水器，運輸過程中避免撞、砸、摔等現(xiàn)象。

（9）每臺重量18kg。

（10）使用薄壁精鋁管制作浮漂比重小，對浮力敏感，且不生銹，經(jīng)久耐用。浮漂內(nèi)底部焊接配重。

7 經(jīng)驗

（1）筒外下部止回閥必須豎直安裝，若水平安裝，實用中會出現(xiàn)滴水漏氣現(xiàn)象，伴隨“呲呲”響聲，影響蓄水。（2）避免AB膠粘貼方式固定磁鐵，因AB膠被水浸泡會脫落，必須采用機(jī)械方法固定磁鐵。（3）2塊磁鐵相距3mm才能吸合到一起，所以頂針與止回閥的拍門接觸后應(yīng)有1～2mm超行程，同時托板的橡膠墊壓住負(fù)壓吸氣孔后也應(yīng)有1～2mm超行程。（4）浮漂用精鋁管焊成封閉圓柱形，直徑170mm、高150mm，浮漂內(nèi)底部焊配重，軸心焊鋁管。采用氬弧焊。（5）滑桿為鋁管，直徑19mm。浮漂軸心的鋁管直徑21mm，浮漂裝在滑桿外，沿滑桿上下移動。（6）止回閥的拍門帶有橡膠墊，保證拍門閉合嚴(yán)密。（7）托板由膠木板和薄鋼板制成，重量輕，剛性好。（8）一件精心制作的產(chǎn)品，涂上油漆，不僅賞心悅目，還可保護(hù)放水器免遭銹蝕。規(guī)定：煤礦瓦斯抽放管路外表涂紅漆。放水器與瓦斯抽放管路裝配成一體使用?？紤]井下潮濕，放水器表面涂紅色防銹漆，易于識別。

8 結(jié)語

2012年防突自動放水器應(yīng)用成功，六礦已經(jīng)使用42臺，僅戊8－22310機(jī)風(fēng)巷就安裝11臺。煤層內(nèi)含水量較大時，約8min自動蓄放水1次，每次釋放水量約1700mL。該放水器根除了瓦斯抽出管路的瓶頸問題。以往老式放水器必須人工放水，即拔掉放水器上的負(fù)壓管路，使空氣進(jìn)入才能排出水，待水排完需再安裝負(fù)壓管，重新抽瓦斯。該放水器可連續(xù)抽出瓦斯、自動蓄放水，使用一年多來，既提高了瓦斯抽出效率，又減輕了勞動強度，深得職工青睞。

［1］GB／T3091—2001 低壓流體輸送用焊接鋼管［S］

［2］祝燮權(quán).實用五金手冊［M］.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006