間歇式高負壓自動放水裝置在瓦斯抽采管路中的應用

楊華東 耶毅剛 許永剛 汪虎

摘 要：通過對瓦斯抽采管路積水原因及放水裝置綜合分析的基礎上，并結合原有人工放水裝置的弊端，探索出一種新型間歇式高負壓自動放水裝置，并成功應用與瓦斯抽采管路中。通過實踐表明，采取這些措施，能夠有效的防止瓦斯抽采管路積水，提高瓦斯抽采效率，降低勞動強度，對同類礦井具有借鑒意義。

關鍵詞：自動放水裝置；瓦斯抽采；高負壓

引言

在煤礦瓦斯抽采系統中，由于采用濕式打孔的方式施工瓦斯預抽孔，施工完畢后遺留下的部分積水；以及煤層中的含水層，和抽采過程中氣態水轉化為液態水等積水方式。在瓦斯預抽過程中，積水在負壓的作用下，進入瓦斯抽采管路，容易在管路低洼處形成積水區，導致管路有效截面積縮小，降低了瓦斯抽效率；故為排除管路積水問題，必須每隔一定距離安裝一組放水裝置裝置，在管路低洼段尤為重要；因此需要一種能夠放水的裝置來排出管路中的積水。胡家河煤礦在生產過程中探索出一種間歇式高負壓自動放水裝置裝置，能夠自動排出管路積水，取得了很好的效果。

1 工程概況及原有放水裝置分析

1.1 工程概況分析

該礦目前有三條巷道同時進行瓦斯抽采，采用DN800、DN300、DN150、DN100等直徑管道將瓦斯抽至地面泵站。在各巷道瓦斯抽采支管路中，因巷道起伏、濕式打孔、煤層含水量大等原因，要求管路每隔二十四米安設一臺放水裝置，用于排除瓦斯抽采管路中的積水、煤渣等。

1.2 原有放水裝置分析

該礦以前主要采用的是人工放水的方式來排出積水，以及借助壓風、磁鐵等制作的自動放水裝置。但人工放水存在很多的弊端，主要有以下幾點：（1）人工循環放水時，由于瓦斯抽采管路線長、面廣，無法全面顧及到所有放水裝置，導致部分管路積水嚴重；影響瓦斯效率；（2）在每次放水時，需要頻繁開、閉控制閥門，使用的蝶閥損壞率高；（3）耗費工時且工作程序復雜。而借助壓風、磁鐵等制作的自動放水裝置受條件限制，實用面窄；磁鐵無法精確的選型，及煤泥容易覆蓋磁鐵面，影響磁力等現象。故經過實踐改進后，該礦相繼更換了原有放水裝置，全部采用新型自動放水裝置，徹底解決了瓦斯抽采管路積水的問題。

2 設計方案及工作原理

2.1 設計方案

采用與原有人工放水器同等尺寸的圓型柱體，根據水的浮力、負壓的作用力、浮體自重等力的平衡作用，及抽放系統的負壓參數，經過準確計算，選擇合適的浮體重量、積水量以及相關配件，實現浮體在水量上升到一定的高度后，控壓球能夠同步完成密封住負壓孔、配氣桿頂開配氣閥的動作，使積水腔與大氣連通，腔內處于正壓狀態，此時，積水在自重的作用下，自動打開排水口單向閥擋板，排出積水。

2.2 工作原理

2.2.1 自動放水原理：在管路連接過程中（見圖1），自動放水裝置的負壓接口與瓦斯抽放主管路相連接后，分別向兩邊延伸瓦斯抽放支管路，以便連接瓦斯預抽孔，當瓦斯、水等混合物在負壓的作用下，集聚在放水裝置內部時，水分在自重的作用下，與氣體混合物相分離，由負壓孔進入下部積水腔內，隨著積水不斷增多，浮體逐漸升高，達到一定的高度后，控壓球密閉住負壓孔，同時配氣桿頂開配氣閥，使下部積水腔體與大氣相連通，處于正壓狀態，從而積水在自重的作用下，自動打開排水口處單向閥，實現自動排水的過程。與現有的技術相比，本使用新型結構簡單，連接方便，能夠靈敏、可靠的在正負壓之間自行切換，實用性強；自動放水裝置在管路連接方面，在水、氣體混合物進入瓦斯抽放主管路之前，依據氣水自身的性質，將其分離，有效的阻止了水分進入瓦斯抽放主管路；在自動放水過程中，整個裝置能夠在正負壓之間迅速切換，根據積水在正、負壓狀態下的不同狀態，及時、快速的開、閉配氣閥和排水閥門，從而達到自動排水的目的。

附圖標號：1-負壓進氣口；2-壓力表；3-配氣閥；4-清理窗；5-支管路連接口；6-維修窗；7-配氣控制桿；8-主心桿；9-控壓球；10-配重固定桿；11-浮體；12-支撐橫梁；13-浮體支撐架；14-出水口；15-積水腔；16-煤泥積聚腔；17-負壓孔；18-過濾網。

圖1 自動放水裝置示意圖

2.2.2 除渣原理：當瓦斯抽放系統鉆孔施工完畢后，孔內殘留有少量的煤泥，尤其是負角度的瓦斯預抽鉆孔尤為嚴重；待抽放系統開啟后，煤泥就在負壓的作用下，進入放水器上部空腔（16）內，在水流的帶動和沖擊下，細微顆粒的煤渣可以隨水流進入下部積水腔后，在放水的過程中，混合在水流中排出系統之外，體積較大的煤渣在過濾網（18）的攔截下，積存在上部空腔內，定期打開上部煤泥清理窗，清理積存的部分煤泥，從而實現放水器除渣的功能。

2.3 工作流程

2.3.1 首先將自動放水裝置連接在瓦斯抽放主管路上，然后依次向兩邊延伸支管路，并連接上瓦斯預抽孔（見圖1）。

2.3.2 待抽放管路連接完畢后，檢查管路連接的密閉性，檢驗合格后，打開控制支管路負壓的閥門，使連接的整套管路處于負壓抽放狀態。

2.3.3 自動放水裝置進入工作階段，在瓦斯抽放系統開啟之前，積水腔（15）內沒有積水，浮體（11）處于最低點位置，負壓孔（18）和控壓球（9）處于分離狀態；抽放系統開啟后，在負壓作用下，放水器排水口（14）、配氣閥（3）在處于關閉狀態；此時整個放水器和抽放系統形成完整的閉合系統；隨著管路的積水不斷增加，積水腔（15）的水量不斷增大，浮體（11）在浮力的作用下，緩緩上升，同時配氣控制桿（7）不斷上升，待積水達到一定的高度后，控壓球（9）和負壓孔（18）相接觸，進而達到完全密封的狀態，空氣由配氣閥（3）進入積水腔（15）內，使其整個腔體空間形成正壓狀態，從而積水在自重的作用下，頂開出水口（14）處安裝的單向閥擋板，從而達到了自動放水的目的。待積水排出后，積水腔（15）內水位下降，浮力減小，浮體（11）在自重的作用下，逐漸下降，進而控壓球（9）和負壓孔（18）分離，系統負壓進入積水腔（15）內，此時整個腔體處于負壓狀態，積水處于失重狀態，配氣閥（3）、出水口（14）處安裝的單向閥在負壓的作用下瞬間關閉，整個放水器和抽放系統再次恢復到密閉狀態，完成一次自動方式的過程。

2.3.4 當放水裝置中積水再次增多時，放水器系統如此不斷循環工作，從而達到自動放水的目的。

3 應用及效果

經過精確計算和改進，研制成功的自動放水器安裝在411回順、421運順瓦斯抽放管路中安裝使用，經過定期的現場觀測、記錄，自動放水器能夠及時、靈活可靠的不定期排出抽放管路中的積水。

使用效果：連接的該組抽放管路中，不再有積水現象發生，同時節省了工時，提高了工作效率，此自動放水器主要的優點如下：

（1）能夠不定期的自動放水，消除管路積水不能及時排出的隱患；（2）抽放系統便于管理，在使用自動放水器后，不再需要頻繁開啟、關閉各類蝶閥，避免了外部空氣進入抽放管路中，降低抽放效率的現象發生；（3）維修方便，放水器內部結構相對簡單和分散，打開維修窗后，能夠及時、準確的尋找到存在的問題，并進行維修；（4）優化抽放系統，抽放管路阻力降低，抽放泵的效率提高，或是在同等流量下需要的負壓降低，從而降低的電耗。

4 結束語

瓦斯治理工作對于高瓦斯礦井來說尤為重要，瓦斯抽采是最關鍵的一步，而瓦斯抽采過程中系統積水問題直接關系到瓦斯抽采效果，此次研制出的間歇式高負壓自動放水器最大程度的解決了管路積水的現象，提高了瓦斯抽采率，大大降低了煤層中瓦斯含量。實踐表明，在降低勞動強度、節約成本的情況下，科學、有效的采取放水措施，對煤層的安全高效開采提供了有利的技術依據，并且能夠獲得較高的經濟效益。

參考文獻

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作者簡介：楊華東（1987-），男，陜西咸陽人，本科學歷，畢業于安徽理工大學，主要從事礦井瓦斯防治、防滅火技術管理工作。單位：陜西彬長胡家河礦業有限公司。