瓦斯抽放系统U型放水器改进及应用

曾 勇

(江苏徐州矿务集团贵州能源公司 兴隆煤矿，贵州 遵义 564600)

1 矿井概况

兴隆煤矿位贵州省遵义市习水县境内，矿井开拓方式采用平硐、斜井综合开拓。设计生产能力0.6Mt/a，于2012年建成投产。主要开采5煤、8煤及12煤，其煤层瓦斯最高压力分别为1.45MPa，1.63MPa，0.88MPa，均有突出危险性。矿井安装有2BEC60高负压瓦斯抽放泵及2BEC72低负压瓦斯抽放泵各2台，电机额定功率分别为355kW和630kW，其抽放能力为分别为500m3/min和300m3/min。矿井采用穿层、顺层钻孔等多种形式进行瓦斯抽采。

2 瓦斯抽放系统放水器的作用

2.1 瓦斯抽放

瓦斯事故是我国煤矿安全生产中最严重的灾害之一，不仅严重危及矿工的生命安全，而且也造成了不良的社会影响，并且对作业的安全性和经济效益带来巨大的负面影响。因此，防治瓦斯灾害，保证煤矿安全生产和矿工的生命安全是煤矿安全工作中迫切需要解决的问题。

为了减少或解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，利用机械设备和专用管道在煤层中形成负压，将煤层中赋存或释放的瓦斯抽放出来，送到地面或其他安全地点的技术，叫瓦斯抽放[1]。瓦斯抽放的重要意义主要有三点：首先，抽放瓦斯可以减少开采时的瓦斯涌出量，从而减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故，是保证安全生产的一项预防性措施。其次，瓦斯抽放可以减少通风负担，能够解除通风不易解决的瓦斯难题，降低通风费用。尤其针对瓦斯涌出量很大的矿井或采区，瓦斯抽放在技术上和经济上都是必须的。第三，煤层中的瓦斯同样是一种地下资源，将瓦斯抽采出来送到地面作为燃料和原料加以利用，可以起到保护环境和提高经济效益的作用[2]。

2.2 瓦斯抽放系统中放水器的作用

能够造成一定负压将瓦斯从煤层中抽出并安全运送到地面上来的机械设备，称为瓦斯抽放设备。有瓦斯抽放设备和管路构成的系统称为瓦斯抽放系统，它主要由瓦斯泵、管路系统、安全装置、放空管、避雷器等几部分组成[3]。瓦斯抽放系统包括地面泵站、井下管路及抽放钻场。

上行抽放时，钻场的钻孔以一定仰角进入煤岩层，煤岩层中的液态水不可避免靠自重及负压流入抽放管路。煤层中赋存的瓦斯在矿山压力作用下处于正压状态，当接入抽放系统后，在钻孔内形成了一个负压区，瓦斯在释放过程中，存在一个高压向低压转换的过程，从而会导致钻孔内温度降低。由于这个温差效应，管路中的汽态水也会凝结成液态水，这些水量增多，会造成局部管路有效截面明显变小，甚至堵塞抽放管路，严重影响抽放效果。因此，定期及时排放抽放管路中的积水极为重要。所以需要安装放水装置，即放水器[4]。

3 U型放水器的原理及存在问题

3.1 放水器的分类及特点

放水器从操作上可分为人工放水器和自动放水器。人工放水器结构简单，制作和安装均比较便利，但常会因为放水管理不善、放水不及时等原因依然会导致水堵抽放管路等后果，影响抽放效果。自动放水器按制作原理就可分为负压放水器和U型放水器。负压放水器制作要求高；安装时必须摆在平坦的位置，否则导杆无法顶开阀门，无法形成放水条件；必须及时定期检修，对矿工水平要求较高；自动放水器易于堵塞，且排除堵塞物不方便。U型放水器与人工放水器具有同样的特点，得了较多的应用。

3.2 U型放水器的原理

如图1所示，U型放水器是使用一根U型管路连接在抽放系统主干管路的低洼处，当水流经连接口，就会流进U型管。因为抽放管路内外的气压差，会在连接主干管路一端的U型管内形成一个水柱，其高度h与管路内的抽放压力P的关系是：

图1 U型放水器示意图

式中：h——水柱高度，m；

P——抽放压力，Pa；

ρ——水的密度，Kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

当抽放管路中的水流入U型管内，在保持h高度的水柱后，多余的水就会自动由出水口自动排出。为了使放水器在突然停泵而后恢复过程中，不致使抽放压力把U型管内的内全部吸入抽放管路，所以在制作时，h＇的高度必在h/2以上。并在安装后打开U型管与抽放管路之间的阀门前必须对其加满水。

3.3 U型放水器存在问题

U型放水器虽然具有结构简单，易于制作的优点，但也存在下面几个缺点：

一是只适用于钻孔孔口或钻场内负压低且稳定，抽放管路吊挂较高的地方；二是易于堵塞，不易清理，造成无法正常放水。三是只能放掉抽放管路中的积水，对于抽放管路中的雾水不能清除。抽放管路中的雾水增加了抽放系统阻力，影响抽放效果，增加抽放系统的运行费用。

4 U型放水器的改进

为了发挥U型放水器的优点，克服其缺点，对其进行了如图2所示的改进：

图2 改进后的U型放水器1—主干管路 2—接钻孔口 3—除雾器 4—接水槽5—皮球 6—放水口 7—抽放阀门 8—冲洗阀门

改进后的U型放水器还是利用水压大于抽放压力而进行放水的原理。放水器主要由放水装置、除雾器及联结管路所构成。

4.1 放水装置

放水装置由接水槽、放水口、直管和皮球所构成。安装之初，不必往接水槽中加水，打开抽放阀门后，由于抽放负压作用，会把皮球紧吸在直管的口部，从而封闭了管路，开始存水，避免吸入空气而导致抽放效果降低。当直管内水柱压力大于抽放压力时，水的重力会把皮球向下压，直管孔口打开，水在重力作用下，流入接水槽。当接水槽内的水位达放水口后，水就会从放水口流出。达到自动放水的目的。

如果皮球内部是空气，当接水槽内的水位上升后，皮球会受到一定的浮力。因此此时h值会增大。

式中：h——水柱高度，m；

P——抽放压力，Pa；

ρ——水的密度，Kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

F——皮球受到的浮力，N；

V——皮球的体积，m3；

S——直管的断面积，m2。

由上式可以看出，直管内平衡水位值h增加近一个直管直径量，也许还要多。假设直管使用Ф100mm的钢管，皮球直径应在100mm以上，假设选用110mm的皮球。根据上式可得，增加的水柱高度h＇为：

式中：h＇——水柱增加的高度，m；

V——皮球的体积，m3；

S——直管的断面积，m2；

R——皮球的半径，m；

r——直管的半径，m；

π——圆周率。

把数值代入上式可得h＇≈89mm。在井下巷道高度条件有限的情况下，这个水位高度的增加有时会给安装带来难度。因此，为了消除皮球受到浮力的影响，可以用水充填皮球，注水量标准为使皮球能在水中悬浮为最佳。

4.2 除雾器

因为煤层瓦斯的解析等原因，导致温度下降，当温度降到雾点时，抽放管路内就会出现雾气。这部分雾气可以通过除雾器清除掉，可以提高抽放效果，减少抽放系统的能耗。

除雾器是在一节抽放管路中充填一段透气性好的丝网。带雾气的瓦斯在抽放管路中行进时，雾气水滴会撞击并附着在丝网上，而空气会继续前行，从而把瓦斯中的雾气分离出来。在制作过程中，由于丝网不好选购，就采用了一些植物纤维进行了代替，如丝瓜瓤，椰棕等。

4.3 清理堵物

由图2所示可知，除雾器安装在放水器回风侧，并是倾斜安装，所以瓦斯中的尘粒将会和雾气都会被除雾器所清理，并随水流流入放水器。较大颗粒会在流经放水器上方时会直接进入放水器。所有泥渣在皮球打开放水口时均会流入接水槽。但在时间长了以后，除雾器内的丝网会被尘粒所堵塞。此时，可以关闭抽放阀门，在冲洗阀门处接入高压水对除雾器进行清洗。如果巷道空间条件较好，可以把除雾器垂直安装在放水器上方，更加不易被堵塞。

4.4 放水器的适应性

根据U型放水器的原理，其高度是一个关键点，因此这也限制了U型放水器的适应性。改进后的放水器，使用皮球替代了水封，管路由原来的U型改成了直管，减少一定的高度，但还是很有限。如果，抽放管路内没有雾气，在安装时可以不加除雾器，也可减少一定的高度，且除雾器还是有一定的阻力。如果巷道高度足够高，也可以在主干管路上进行安装。放水器的接水槽只是一个集水装置，避免水在巷道内乱淌，影响巷道环境，所以当放水器位于巷道内水沟上方时，可把出水口直接放在水沟内。但值得注意的是，如果水沟内的水面位于皮球上方时，皮球内应注水填充；如果水沟内的水面位于皮球下方，皮球内注入空气填充，减少皮球重量，避免抽放管路吸不住皮球导致进入空气。

5 改进后U型放水器的使用效果

5.1 制作安装

为了提高兴隆煤矿的抽放效果，决定在底抽四巷进行试用。首先，根据现场实际情况，测定抽放压和巷道高度等参数。经测定，抽放负压平均在12.15kPa左右，钻场处最低高度为3.5m。根据以上情况，可得放水器高度平均为1.24m，为了防止安装后抽放压力上升，选定制作高度为1.8m，加上附件总体长度2.2m。制作完成后，在底抽四巷内8个钻场各安装一套，并进行了数据收集。

5.2 使用效果

在放水器安装前后，分别进行了为期一周的抽放指标检测。从数据分析得出，抽放负压平均值由12.15kPa提高到13.75kPa，平均提升1.6kPa；流量由39m3/min提高到44m3/min。在抽放指标得到提高的同时，也节省了人工放水的工作量，放水器的安装得到了良好的成效。

6 结束语

通过改进，U型放水器的优点得到了发挥，能有效减少抽放系统水堵现象，提高抽放效果。

[1] 国家安全生产监督管理局,国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京:煤炭工业出版社,2009.

[2] 中国煤炭工业劳动保护科学技术学会.瓦斯灾害防治技术[M].北京：煤炭工业出版社,2007.

[3] 林柏泉.矿井瓦斯抽放理论与技术[M] .徐州：中国矿业大学出版社,1996.

[4] 国家安全生产监督管理局,国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2011.