自动放水器在瓦斯抽放系统中的应用与改造

孙光亚

（哈尔滨电子技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150030）

在矿井作业中，瓦斯抽放系统具有极为重要的地位。瓦斯抽放，可以减少开采过程中瓦斯涌出量，减少或消除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，减少瓦斯事故发生，维护作业安全性。瓦斯抽放系统包括地面泵站、抽放钻场与井下管路三部分。在进行上行抽放作业时，钻场钻孔保持一定仰角进入到煤岩层，在自重及负压作用下，煤岩层中液态水容易进入到抽放管路之中，如水量较大，容易缩小抽放管路有效截面面积，从而发生抽放管路堵塞问题，对瓦斯抽放效果造成不利影响。为保证瓦斯抽放效果，就需要对抽放管路中的积水进行排放。如果采取人工方式进行抽放管路排水，容易造成严重的人力资源浪费，且不容易进行瓦斯管理，抽放效果不佳。经过多次试验研究，制造出适用于瓦斯抽放系统的自动放水器，并在瓦斯抽放系统中推广应用，获得了良好效果。

一、自动放水器主要结构及工作原理

（一）自动放水器主要结构

自动放水器主要结构包括：（1）进水管；（2）上行闸门；（3）蓄水器；（4）滤水器；（5）启闭器；（6）圆形橡胶片；（7）放水管；（8）放渣管；（9）下行闸门。（见图1）

（二）自动放水器工作原理

为保证自动放水器工作效果，一般选择在地面泵站到井下钻场的上山管路起坡附近安置自动放水器。在正常抽放作业时，需要关闭下行闸门，开启上行闸门，在大气压力等作用下，启闭器中圆形橡胶片关闭放水管口，当系统内气压与蓄水箱内进出口的水压差之和大于外界大气压时，在水压力作用下，积水顶开启闭器中圆形橡胶片，放水管打开，积水自动流出蓄水箱外；当系统内气压与蓄水箱内进出口水压差之和小于外界大气压时，圆形橡胶片在自重、弹力及大气压力作用下，自动返回原本位置，关闭放水管，通过这种方式，实现抽放管路中积水自动排放。自动放水器中的过滤器主要是由滤网与带孔钢板所组成，对积水进行过滤。在自动放水器使用一段时间后，抽放管路中锈蚀废渣及积水中煤岩层残渣会在蓄水箱一侧堆积，为保证自动放水器排水效果，需要及时进行清理工作；在进行排渣操作时，需要关闭上行闸门，开启下行闸门，通过放渣管将残余物排出蓄水箱。为防止外界空气进入到瓦斯抽放系统之中，需要在初次使用自动放水器或清理残渣后，在蓄水箱中预存约半箱水量。

图1 自动放水器结构示意图

图2 自动放水器受力情况分析示意图

当前，自动放水器获得了较大发展，出现了利用浮力结合磁力改变放水器内部空间压力状态来实现自动排水的自动放水器，还有在启闭器处采用橡胶球封闭放水管口的方法，在实际应用中也取得了较好的效果。

二、自动放水器应用效果分析

使用自动放水器，获得了较好的效果，主要表现在以下三个方面：

（一）保证了瓦斯抽放系统的抽放效果：使用人工放水，如选择每小时一次，则会因放水时间间隔较长，抽放管路中存在较多积水，缩小有效抽放管路有效截面，导致抽放阻力加大，抽放负压在中途环节被大量消耗，最终影响抽放效果。而在瓦斯抽放系统中应用自动放水器，由自动放水器不定期进行自动排水，可以确保抽放管路通畅，降低抽放阻力，从而增加钻场有效负压，让煤层中游离状态的瓦斯不断进入到钻孔中，随着抽放管路，将大量瓦斯抽到地面，保证了瓦斯抽放效果。

（二）将自动放水器应用于瓦斯抽放系统中，有利于加强瓦斯管理，确保生产安全，进一步提高作业效率。传统抽放系统，不能很好保证瓦斯抽放效果，难以充分发挥效益，在投产后，由于煤层中瓦斯释放程度较低，瓦斯含量超标，加上通风系统无法大量增加，不能确保瓦斯含量在安全氛围内，企业被迫停止开采活动，造成严重经济损失。瓦斯超限，严重威胁着矿井安全生产。将自动放水器应用于瓦斯抽放系统中，确保了瓦斯抽放效果，降低了瓦斯含量及瓦斯超限事故发生率，从而提高了生产效率及质量。

（三）将自动放水器应用于瓦斯抽放系统中，节省了人力资源，降低了能耗，获取了良好的经济效益。人工放水时，需要安排工作人员每小时进行放水作业，管理不便，且容易导致外界空气进入抽放管路，降低系统负压，影响抽放效果。而应用自动放水器，只需要每周安排一人检修即可，抽放效果较好。

表1 三种不同型号的浮子参数

三、自动放水器改造及应用效果

在矿井作业活动中，自动放水器在一般情况下可以满足生产作业的要求，但仍存在着放水速度较慢、抽放管路中残存积水的问题，为更好的确保放水效果及抽放效果，我们提出对自动放水器进行改造，并应用于实践之中。

（一）自动放水器改造方法一

根据自动放水器工作原理，安装与抽放管路相平行的积水管，组合安装多个自动放水器，增加自动放水速度及效率，保证抽放效果。如在矿井作业活动中，管路内存水较多，使用人工排水的方式不仅效率低，不能实现连续放水，且需要安排专职人员进行值班，停泵后处理积水，影响抽放效果。即使是使用了自动放水器之后，仍存在着放水速度较慢等问题，为此，进行自动放水器改造，组合安装两套自动放水器，经过这种改造，有效地解决了瓦斯抽放管路中残存积水的问题，且大大提高了排水效率，保证了抽放效果。

（二）自动放水器改造方法二

在一些自动放水器中，存在着利用浮力结合磁力改变放水器内部空间压力状态来实现自动排水的自动放水器，这种自动放水器应用较为广泛，为提高自动放水速度及效率，通过改变浮子形状及体积，增加一次循环放水量，从而实现改造目的，确保抽放效果。

采取不同的浮子形状及体积，进行放水效果实验，最终选择出效果最佳的浮子形状及体积，实现对自动放水器的有效改造。

1选择三种型号浮子进行实验：第一种，高度为100mm，直径为240mm，自重及配重分别为24N、20N；第二种，高度为200mm，直径为205mm，自重及配重分别为28N及16N；第三种，高度为100mm，直径为205mm，自重及配重均为22N。三种不同型号的浮子参数如表1：

2设计方案理论分析：通过改变浮子形状及体系来实现对自动放水器的改造，其设计方案理论在于自动放水器的受力物理性质。图2是自动放水器受力分析图：

其中F浮属于浮子所承受的浮力；G为浮子重量；Z＇为放水闸高度；H为浮子高度；h为浮子在水面下高度等。根据放水器工作原理，可以得出自动放水器在放水时水面的高度Z取决于浮子高度H减去浮子在水面下高度h的值。H-h值越大，Z就越小，相反，H-h值越小，Z值就越大。

通过计算，采取第三种型号的浮子时，水面高度Z的取值最大。影响放水速度的因素还有放水器气压，水面高度越大，气压越高，放水速度就越快。通过实验对比，发现采取第三种型号浮子放水流速较快。

然而，虽然第三种型号浮子应用于自动放水器中，其放水速度最快，放水量最大，但其放水时间却并不是最短的。为将放水量、放水速度及放水时间协调到最佳，通过计算，采取第一种型号浮子，其单个循环放水量较大，放水速度较快，循环放水所用时间最短。综合分析对比，最终选择使用第一种型号浮子应用于自动放水器中，并经过实践，获得良好效果。

通过组合安装积水管或改变不同浮子形状及体积，实现对自动放水器应用改造，缩短了放水时间，提高了放水速度，确保了抽放效果，满足了矿井作业活动的需要。

结语

在矿井作业活动中，为确保生产安全，需要进行瓦斯抽放作业。将自动放水器应用于瓦斯抽放系统中，可以节省大量人力，降低能耗，加强瓦斯管理，确保生产安全。为进一步提高自动放水器的排水速度及效率，可以组合安装积水管及多个自动放水器或对自动放水器结构进行合理改造，进一步缩短放水时间，确保瓦斯抽放效果。

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