无能耗自动放水器设计与分析

张松涛

（平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南 平顶山467091）

0 引言

平顶山天安煤业股份有限公司六矿（以下简为六矿）2005年6月19日被中国煤科院抚顺分院鉴定为煤与瓦斯突出矿井，煤层瓦斯压力最大为2.1MPa，瓦斯含量最大为7.93m3／t。

煤炭在形成过程中伴随着瓦斯产生，煤层中瓦斯气体主要以吸附状态存在。瓦斯的性质：（1）瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体。在标准状态下，瓦斯比空气轻，相对密度为0.554；矿井瓦斯的扩散性好，比空气大1.6倍。（2）瓦斯本身无毒，但是矿井空气中的瓦斯浓度较高时，便相对降低了空气中氧的含量，易因缺氧而引起人员窒息。当瓦斯浓度达到43%时，氧的浓度降低至12%，人感到呼吸困难；当瓦斯浓度达到57%时，氧气含量会下降到9%，人若误入其中，短时间就会窒息死亡。（3）瓦斯难溶于水。（4）瓦斯不助燃，但与空气混合达到一定浓度，遇到高温火焰能够燃烧和爆炸。

煤与瓦斯突出是在一瞬间突然向采掘工作面空间喷出巨量的煤与瓦斯流，它对煤矿井下危害巨大，严重威胁着煤矿的安全生产。煤与瓦斯突出不仅会严重摧毁巷道设施，毁坏通风系统，而且会导致附近区域的井内全部充满瓦斯与煤粉，造成人员窒息或煤流埋人，甚至会造成煤尘和瓦斯爆炸等恶性后果。

煤与瓦斯突出没有明显征兆，具备突然性。防范措施就是先把瓦斯抽出来释放掉，防止其突然喷出伤人；然后再开采煤炭。

六矿的防突（防止瓦斯突出）理念：瓦斯不治，矿无宁日；防突不防，矿毁人亡。防突成为六矿工作的重中之重。瓦斯抽放工艺：向煤层内钻深达80m的孔，然后在孔内安装管子，管子连接真空泵（瓦斯抽放泵，型号为2BEC－42，吸气量为150m3／min），开启泵使管内形成一定真空度，把煤层内的瓦斯抽出来，经过管道排放到地面。

1 抽出瓦斯时发现问题

使用管路抽出瓦斯时，煤层内的碎煤屑和水分随之抽出，矿井的巷道是上下起伏的，巷道内敷设的管路也随之起伏，碎煤屑和水易聚积在管路低凹处堵塞管路断面，使瓦斯无法抽出。

2 煤矿瓦斯抽采达标暂行规定

第十四条：煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井必须建立地面固定抽采瓦斯系统，其他应抽采瓦斯的矿井可以建立井下临时抽采瓦斯系统。

第十五条：预抽瓦斯钻孔的孔口负压不得低于13kPa，卸压瓦斯抽采钻孔的孔口负压不得低于5kPa。

第十七条：瓦斯抽采管网中应当安装足够数量的放水器，确保能及时排除管路中的积水，必要时应设除渣装置，防止煤泥堵塞管路断面。

3 理想状态

制作一个封闭容器，抽出的瓦斯与水以及煤屑从容器上端进入容器内；瓦斯不溶于水，与煤、水自动分离，煤屑和水在重力作用下沉淀储存在下部，水储蓄适量会自动放出，放水完毕又自动抽出瓦斯并蓄水；容器内沉淀的煤屑还容易清除。

4 放水器结构

放水器结构如图1所示。

图1 放水器结构

5 工作原理

利用水的浮力、浮漂重力和磁铁吸力三者的巧妙作用，实现无能耗自动蓄放水，并顺利抽出瓦斯。该放水器无需电能、风能，属于无能耗、低物耗、无排放、无污染的低碳产品。

放水器内部气体为负压时蓄水、正压时放水。负压状态浮漂随水位升高至极点，托板被浮力推高到极点，托板的磁铁与法兰盖下面的磁铁吸合，托板的橡胶垫压住负压吸气孔、放水器内不再流过负压气体，同时托板的顶针顶开闭合的止回阀，空气经阀门进入放水器内，筒内存水在正压 空气作用下从筒外下端的止回阀放出。放水时浮漂受到水的浮力和2个磁铁吸力，暂时不动；当水位降到最低点，浮漂重量大于磁铁吸力与水的浮力之和，浮漂在重力作用下落到放水器下部，带动托板下落，随之，上盖顶部的止回阀关闭，放水器内部与外部大气隔绝，负压吸气孔打开，放水器内部流过瓦斯和负压气体；筒外下端的止回阀在空气压力作用下关闭，筒内开始蓄水存煤屑。如此循环返复。

6 创新点

（1）放水器外形呈圆柱形，由盖和筒组成，两者用螺栓连接，拆开可修理筒内部件并清除筒底积存的煤屑。

（2）放水器内部分固定和移动2部分。盖与筒是固定部分，浮漂、滑杆及托板是移动部分。

（3）筒由钢管［1］底部焊钢板、顶部焊管法兰制成，公称口径219mm、高400mm、筒壁厚度4mm，管法兰与管法兰盖公称压力0.6MPa［2］。此耐压程度符合“预抽瓦斯钻孔的孔口负压不得低于13kPa”规定，选型合格。

（4）筒底中心垂直焊1根钢管，长120mm，作用是确定滑杆的中心，不得偏斜，钢管内穿滑杆可上下移动，滑杆为薄壁铝管，长320mm，滑杆顶端装配托板，托板顶部中央装1个环形磁铁，该磁铁与法兰盖下面装的磁铁吸合时对齐对正，滑杆外安装1个浮漂（浮漂底部有配重），滑杆下部合适处焊1个限位平垫，浮漂沿滑杆在平垫与托板之间上下移动。浮漂能浮起，托板和滑杆沿着筒底中心滑道向上移动，直至2块磁铁吸合。

（5）环形磁铁型号：60mm×30mm×10mm（外径×内径×厚度）。2块磁铁吸力合计2.1kg，浮漂含配重合计2.6kg。

（6）筒侧面上下各焊1个支管，上支管连接煤层孔的瓦斯抽放管；下支管安装1″内螺纹止回阀，材质为铜合金，预防生锈，作用是当筒内气体负压时蓄水、正压时放水。

（7）管法兰盖外部垂直焊2个支管，1个安装1″内螺纹止回阀、水阀，当筒内为负压气体时隔绝空气，2块磁铁吸合后，此阀打开，外面的空气进入筒内，排出积水；1个是负压气体吸孔，连接真空泵，抽出瓦斯。

（8）放水器必须垂直放置，不得歪斜。应爱惜放水器，运输过程中避免撞、砸、摔等现象。

（9）每台重量18kg。

（10）使用薄壁精铝管制作浮漂比重小，对浮力敏感，且不生锈，经久耐用。浮漂内底部焊接配重。

7 经验

（1）筒外下部止回阀必须竖直安装，若水平安装，实用中会出现滴水漏气现象，伴随“呲呲”响声，影响蓄水。（2）避免AB胶粘贴方式固定磁铁，因AB胶被水浸泡会脱落，必须采用机械方法固定磁铁。（3）2块磁铁相距3mm才能吸合到一起，所以顶针与止回阀的拍门接触后应有1～2mm超行程，同时托板的橡胶垫压住负压吸气孔后也应有1～2mm超行程。（4）浮漂用精铝管焊成封闭圆柱形，直径170mm、高150mm，浮漂内底部焊配重，轴心焊铝管。采用氩弧焊。（5）滑杆为铝管，直径19mm。浮漂轴心的铝管直径21mm，浮漂装在滑杆外，沿滑杆上下移动。（6）止回阀的拍门带有橡胶垫，保证拍门闭合严密。（7）托板由胶木板和薄钢板制成，重量轻，刚性好。（8）一件精心制作的产品，涂上油漆，不仅赏心悦目，还可保护放水器免遭锈蚀。规定：煤矿瓦斯抽放管路外表涂红漆。放水器与瓦斯抽放管路装配成一体使用。考虑井下潮湿，放水器表面涂红色防锈漆，易于识别。

8 结语

2012年防突自动放水器应用成功，六矿已经使用42台，仅戊8－22310机风巷就安装11台。煤层内含水量较大时，约8min自动蓄放水1次，每次释放水量约1700mL。该放水器根除了瓦斯抽出管路的瓶颈问题。以往老式放水器必须人工放水，即拔掉放水器上的负压管路，使空气进入才能排出水，待水排完需再安装负压管，重新抽瓦斯。该放水器可连续抽出瓦斯、自动蓄放水，使用一年多来，既提高了瓦斯抽出效率，又减轻了劳动强度，深得职工青睐。

［1］GB／T3091—2001 低压流体输送用焊接钢管［S］

［2］祝燮权.实用五金手册［M］.上海科学技术出版社，2006