無浮標式自動排渣放水器的設計*

□ 黃小明1 □ 孟 婧1 □ 王振鋒 □ 孫玉寧

1.洛陽智能農業裝備研究院有限公司 河南洛陽 471000 2.河南理工大學 能源科學與工程學院 河南焦作 454000

1 設計背景

在煤礦井下瓦斯抽采過程中,煤層鉆孔中的水、渣會不可避免地由于自重及負壓而流入抽采管道，抽采鉆孔內的水、渣在負壓作用下也會進入抽采管道。由于溫差效應,抽采管道中的氣態水會凝結成液態水,使抽采管道內的水、渣等增多,并在抽采管道的低洼處集聚,造成局部管道有效截面明顯變小,甚至堵塞抽采管道,嚴重影響抽采效果。可見，煤礦井下瓦斯抽采管道中積水、積渣是一個必須解決的問題[1-2]。抽采系統自動排渣放水是當前瓦斯抽采的一個技術難題,針對這一難題，筆者設計了一種新型無浮標式自動排渣放水器。

2 設計要求

一般而言，煤礦井下瓦斯抽采過程中,抽采負壓最低不低于13 kPa[3-4]。整個抽采系統管道都處于負壓狀態,水、渣在負壓氣流和重力的作用下通過抽采管道進入自動排渣放水器。自動排渣放水器是整個瓦斯抽采系統的組成部分,其內部也處于負壓狀態。自動排渣放水器內的水、渣需要排出時,排渣放水器內部要變為正壓狀態,以便于水、渣的順利排出。

無浮標式自動排渣放水器的設計必須滿足以下幾點技術要求:① 在儲水積渣過程中,排渣放水器要密封可靠,不能出現漏氣現象;② 排渣放水過程中,瓦斯抽采系統要繼續抽采,不能因排渣放水而停止抽采;③ 排渣放水過程中,排渣放水器內部與外界大氣連通,同時抽采管道必須與大氣隔絕;④ 不需要人力即可自動排渣放水,必須安全可靠。

3 設計方案

無浮標式自動排渣放水器由護筒、移動容器、法蘭、輕質球、沉降腔、壓縮彈簧等組成，整體結構如圖1所示。移動容器外徑略小于護筒內徑,使移動容器與護筒之間能夠相對滑動。移動容器上端固定有鋼環,在鋼環上固定三四根長螺栓,每根長螺栓上穿壓縮彈簧,壓縮彈簧用防護罩保護。壓縮彈簧在重力、彈簧力和磁力三種力的共同作用下，實現無浮標式自動排渣放水器的排渣放水。護筒的上部、下部各有一個法蘭,上下兩個法蘭由四根對稱分布的拉桿拉緊固定。上法蘭上布置有若干導氣孔,并在向下一面安裝若干布置均勻的磁鐵和橡膠密封圈。由于磁鐵與鋼環零距離接觸時吸力較大,因此在蓄水蓄渣狀態時,要避免磁鐵與移動筒體上的鋼環接觸,以保持1.5 mm的距離為宜[5-6]。在進水進渣接口和下法蘭中心固定一根中心桿,進水進渣口內放置一個輕質球,進水進渣口的錐面上刻有微小通氣槽[7]。中心桿的靠下處安裝一個錐形塞,其外徑略小于移動容器下端的排渣放水口。當無浮標式自動排渣放水器處于不放水狀態時,錐形塞下端面與移動容器下端面平齊。移動容器下端面安裝一個圓環密封墊,密封墊內徑小于錐形塞外徑。無浮標式自動排渣放水器上端的進水進渣口通過沉降腔與抽采管道連接[8]。無浮標式自動排渣放水器整體高度為420 mm,沉降腔高度為155 mm。

▲圖1 無浮標式自動排渣放水器整體結構

4 工作原理

在煤礦井下瓦斯抽采負壓的作用下,無浮標式自動排渣放水器移動容器底部的圓環密封墊由于存在壓差，會緊貼在錐形塞的下端面,密封排渣放水口。煤層鉆孔或瓦斯抽采管道中的水、渣在重力作用下，從進水進渣口進入無浮標式自動排渣放水器的移動容器中。當移動容器、水、渣的總重力等于磁鐵的吸力時,自動排渣放水器內部處于暫時平衡狀態。再有一些水、渣進入移動容器,移動容器與磁鐵吸力的平衡就會被打破,移動容器下落。同時，排渣放水口的密封被打開,移動容器內部通過導氣孔與外界連通,水、渣從排渣放水口排出。在移動容器下落的同時,壓縮彈簧受力。水、渣排出后,在壓縮彈簧彈力的作用下,移動容器上升。彈簧的彈力略大于移動容器的重力，移動容器上升至一定高度時彈力釋放完畢。此時移動容器處于上法蘭磁鐵磁力的作用范圍內,磁力能夠將移動容器吸上去。在排渣放水的過程中,無浮標式自動排渣放水器內部與外界通過導氣孔連通。在正壓氣體的作用下，輕質球會封堵進水進渣口,使整個煤礦井下瓦斯抽采管道基本不漏氣。部分進入移動容器的正壓氣體,則使排渣放水比較流暢。排渣放水結束后,移動容器上升,橡膠密封圈將無浮標式自動排渣放水器內部與外界隔斷,排渣放水口也由底部的密封環密封。此時，移動容器中的正壓氣體通過進水進渣口錐面上的通氣槽被抽走,無浮標式自動排渣放水器內部又恢復負壓狀態，一次完整的排渣放水周期結束。無浮標式自動排渣放水器的工作狀態如圖2所示。

▲圖2 無浮標式自動排渣放水器工作狀態

蓄水蓄渣狀態滿足關系式:

G1+GX

(1)

式中：G1為移動容器的重力;GX為蓄水狀態時水、渣的重力;F1max為磁鐵與移動容器上部鋼環吸合時的磁力;F2min為移動容器下落前彈簧的回彈力。

排渣放水啟動時滿足關系式:

G1+G2>F1max+F2min

(2)

式中:G2為排渣放水器內儲存水、渣的最大重力。

排渣放水結束后，放空提升狀態滿足關系式:

F1min+F2max>G1

(3)

式中：F1min為磁鐵與移動容器上部鋼環距離最遠時的磁力;F2max為移動容器下落時彈簧最大變形的回彈力。

5 進水進渣口與排渣放水口受力分析

抽采管道中的水、渣通過無浮標式自動排渣放水器的進水進渣口進入移動容器，并經由排渣放水口排出，進水進渣口與排渣放水口的面積大小會影響排渣放水的速度和效果。排渣放水口面積太小,會導致排渣放水不及時。面積太大,會導致水排出而渣滯留在移動容器下部。經研究確認，當進水進渣口與排渣放水口的面積相等時,排渣放水的效果最好。

由于無浮標式自動排渣放水器內部處于負壓狀態,因此其外壁受到各個方向上氣體壓力的作用。移動容器僅為上下運動,且水平方向上所受的力相互抵消，合力為零，由此，只考慮豎直方向上的受力情況[9-10]。

進水進渣口所受的氣體壓力作用在無浮標式自動排渣放水器殼體上,排渣放水口所受氣體壓力作用在錐形塞上。當進水進渣口直徑D與排渣放水口直徑d都為50 mm時,假設抽采負壓為20 kPa,即大氣壓力P1減去移動容器內部氣體壓力P2等于20 kPa，那么氣體對移動容器的壓力之和FP為:

FP=(P1-P2)ST-(P1-P2)SD=0

(4)

式中:ST為移動容器的頂面面積;SD為移動容器下部在水平面上的投影面積。

通過以上理論分析,驗證了進水進渣口與排渣放水口面積相等時,氣體對移動容器的壓力之和為零,由此可得抽采負壓大小與排渣放水量無關。

6 移動容器受力分析

無浮標式自動排渣放水器工作過程中,有無水渣狀態、蓄水蓄渣狀態、排渣放水狀態、放空提升狀態，這四種狀態的受力分析如圖3所示。

▲圖3 移動容器受力分析

無水渣狀態時，移動容器內尚無水、渣進入,此時無浮標式自動排渣放水器處于初始平衡狀態,向上的合力F等于移動容器上法蘭對整個移動容器向下的最大壓力FYmax與G1之和,即：

F=FYmax+G1

(5)

同時有：

F=F1max+F2min

(6)

無水渣狀態時，彈簧彈力很微弱,可以忽略不計,重力加速度g取10 m/s2。此時試驗測得F1max為22 N,F2min為零，G1為7 N,則可得FYmax為15 N。由此可知，無浮標式自動排渣放水器最多可存儲1.5 kg水、渣混合液。

蓄水蓄渣狀態為在排渣放水開始前,移動容器所處于的一種平衡狀態，移動容器所受向上的合力不變,FYmax隨GX的增大而逐漸減小，此時F為:

F=FY+G1+GX

(7)

式中:FY為隨著水、渣的積存，上法蘭對移動容器的向下動態壓力。

當FY減小為零時,移動容器內進入的水、渣重力達到最大。此時，移動容器處于一種即將下落的瞬時狀態,移動容器的重力與水、渣重力之和大于向上的合力。排渣放水口密封打開,移動容器加速下落,開始排渣放水，此時的水、渣質量稍大于1.5 kg。

排渣放水結束，移動容器處于放空提升狀態。此時移動容器所受向上的合力大于G1,移動容器加速上升,最終與上法蘭接觸,進入下一個循環。

放空提升狀態時,移動容器內的水、渣排凈,上升瞬間彈力最大為10 N。磁鐵磁力隨距離的增大而衰減加快,在壓縮彈簧的壓縮量最大達到10 mm時,磁力很微弱,可忽略不計，此時測得F2max為10 N，則有：

F2max-G1=ma

(8)

a=(F2max-G1)/m=4.3 m/s2

式中:m為移動容器的質量;a為移動容器放空提升的初始加速度。

在負壓足夠使排渣放水口密封的前提下,無浮標式自動排渣放水器的排渣放水量與抽采負壓大小無關,磁鐵磁力與彈簧彈力決定排渣放水量。

7 試驗分析

加工制作出無浮標式自動排渣放水器試驗用樣機,設置不同抽采負壓,進行排渣放水試驗。試驗數據見表1。由表1可以看出,無浮標式自動排渣放水器在水渣比大于8的工況下,排渣放水都能完成。但每次排渣放水結束后，移動容器中都會積存少量水,這是由于水、渣排放過程中水、渣的重力減小,而壓縮彈簧處于最大壓縮量,其彈性勢能最大,水、渣還未排放干凈,壓縮彈簧就會彈起,使移動容器上升,進而密封排渣放水口。

由表1數據可知，排渣放水時間與抽采負壓無關，水、渣的殘留與水渣比有關。排渣放水間隔與抽采負壓無關,與水、渣流量有關。流量越大,排渣放水的間隔時間越短,反之則越長。

表1 無浮標式自動排渣放水器排渣放水試驗數據

8 結束語

通過理論分析與實驗室試驗,證明所設計的無浮標式自動排渣放水器可以應用于煤礦井下瓦斯抽采系統的排渣放水,具有推廣價值。通過研究表明，無浮標式自動排渣放水器的進水進渣口與排渣放水口面積相等時,工作不受抽采負壓影響,因此適用于各地礦山不同抽采負壓的井下瓦斯抽采系統。