瓦斯抽放自动放水器设计

1课题来源和意义

矿井瓦斯是地下成煤过程中的一种伴生物,其主要成分是甲烷.甲烷是一种无色无味无臭的气体,比空气轻,相对密度为0.554.

瓦斯事故是我国煤矿生产中最严重的灾害之一,不仅严重危及矿工的生命安全,而且也给死难矿工家属造成极大的痛苦和难以挽回的损失,造成不良的社会影响,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.所以，瓦斯的及时抽放就变成采掘作业中极为重要的前提和安全工作的重要手段。 因此，诞生了瓦斯抽放理论与技术。

自从在煤层抽放瓦斯以后，瓦斯事故得到极大的减少，对矿工的安全和矿主的经济效益都带来极大好处，所以瓦斯抽放技术得到飞速发展，瓦斯抽放设备得到长足进步。

但是，随着社会的发展，技术的进步，矿井开采深度不断增加，生产规模迅速扩大，这就导致一系列技术和安全问题，例如高瓦斯含量矿井的日益增多，矿难事故频繁发生，所以如何高效、快速的抽放瓦斯变得空前重要。

现在瓦斯抽放效率难以提高，主要有三方面的原因：

（1）并网问题。瓦斯抽放瓦斯效果的好坏，主要取决于钻孔布置及管路设计的合理性，而钻孔布置是否合理则和钻孔抽放瓦斯的有效影响半径、钻孔的布置方式、孔径的大小等因素有关，而管路的设计则和管网的铺设和管径的合理配置有关，所以所牵涉的问题应根据矿井的具体条件分析、计算加以确定。

（2）封孔问题。抽放钻孔的封孔是将特定尺寸和材料的套管严密牢固地安置在钻孔内，同时起到与抽放管网连接和防止孔口段岩体漏气的作用。 封孔一般应满足密封性好，操作方便，速度快、材料或设施便宜等要求。封孔长度，岩石孔一般不少于

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2m一5m；煤孔一般不少于4m一10 m；并且封孔段应处于应力集中区为好。 目前，可采用的封孔方式有：机械式封孔器封孔、充填材料封孔(其中包括水泥砂浆、黄泥，以及聚氯酯封孔)。从目前应用效果来看，以聚氨酯封孔为好。但其成本较高，而且原材料有效期短。在选择封孔方式时．应根据封孔地点的钻孔周围裂隙发育程度来确定。一般认为：对于岩石致密、服务期不长的钻孔可采用机械式封孔器，其特点为施工方便，且封孔器可重复使用；对于煤岩强度不高，且封孔深度较长的钻孔，宜采用充填材料封孔；而对于邻近层卸压油放钻孔，则除应适当增加封孔段长度外，还应改进套管材质与封孔材质．以保证在抽放过程中不发生漏气现象。

（3）水堵问题。所谓水堵问题就是抽放管路中的液态水不能及时排出管路而造成压力损失。抽放过程中，煤岩层中的液态水不可避免靠自重及负压流入抽放管路。由于温差效应,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，所以现场抽放过程中水堵问题极为突出。而解决水堵问题的关键设备就是放水器。因此，我们提出此项课题——自动放水器的改进。

放水器在工作现场极为重要，安装放水器前后效果如下表1-1，1-2

表1-1 处理管路水堵前后抽放负压统计

孔 号 6 7 8

处理前负压（Kpa） 测试次数 9 11 11 最大 14 14 13 最小 3 4 2 平均 6.2 6.3 6.4 处理后负压(Kpa) 测试次数 5 7 7 最大 16 20 17 最小 9 10 10 平均 11.8 13.7 12.4 2

表1-2 处理管路水堵前后抽瓦斯浓度统计 孔 号 6 7 8 处理前负压（Kpa） 测试次数 9 11 11 最大 20 20 23.4 最小 6.2 1.6 4.8 平均 11.6 7..5 11.7 处理后负压(Kpa) 测试次数 5 7 7 最大 15.2 13.2 30 最小 0.4 2.2 18.6 平均 5 11.3 23 2矿井瓦斯抽放技术与进展

2.1 瓦斯抽放

2.1.1瓦斯抽放的作用

简单来说,瓦斯抽放的作用就是为了减少和消除瓦斯威胁,保障煤矿生产安全,主要表现为以下几个方面:

(1) 瓦斯抽放可以减少开采时的瓦斯涌出量,从而可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.

(2) 瓦斯抽放可以减少通风负担,降低通风费用,还能够解决通风难以解决的难题.

(3) 煤层中的瓦斯同煤炭一样是一种地下资源,将瓦斯抽出来送到地面作为原料和燃料加以

利用,”变害为利”|、“变废为宝”，可以收到可观的经济效益。

(4) 将瓦斯抽出并加以利用，可减少由于排放瓦斯到大气中而形成的温室效应，起到保护

环境的作用。

2.1.2国内外矿井瓦斯抽放现状

煤矿井下瓦斯抽采是一个综合性的系统工程，在瓦斯涌入巷道之前对其进行拦截和采集，使其沿着与巷道隔离的瓦斯管路将其送到地面。

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瓦斯抽放工作历史悠久．据资料记载。早在1730年．英国whiMhdMn煤矿Saltom竖井掘至76．8m深，遇到一层厚0．61m的煤(其下部有0.15m的黑色页岩)时．有瓦斯涌出。当时人们用管密闭后，将瓦斯引至井外，以供当地一批学者的实验室用。原苏联在帝俄时期，大约于1907年在尤索夫克的中央矿井内把莫梁宁诺夫层的邻近层大量喷出的瓦斯进行引排．10年内依靠自然的压力，每日涌出的瓦斯量达4000 m’；马克耶夫救护站的工作人员也曾于1912年在伊万矿井中设法引排大量喷出的瓦斯。l923年日本在夕张煤矿把最上部坑道密闭后，接管将自然涌出的瓦斯排至地面；1934年新幌内煤矿开始第一次抽放密闭瓦斯，用粘土封闭该矿的四导煤层的采空区．抽出瓦斯浓度为60％一70％。

世界各国正规的抽放瓦斯工作是从40年代末至50年代切开始的；随后．抽放方法不断增加．瓦斯抽放技术也逐渐提高，抽放规模日益扩大。据有关资料统计表明：在195l—1987年间．世界煤矿瓦斯抽放量基本上是呈线性增加，自1951年的134×10m增至1987年的5430×10‘10m，增加了39倍。这种瓦斯油放量的迅速增加，一方面是由于瓦斯抽采技术及设备性能的提高．使单个抽放矿井平均年抽放量增大；另一方面则是由于随着煤炭产量增大和矿井向深部的延伸，高瓦斯矿井增多，导致了抽放瓦斯矿井数增加。据有关资料统计表明：到目前为止．世界上已有17个采煤国家进行了瓦斯抽放，世界上各主要采煤国家几乎都开展了瓦斯抽放工作，其中，年抽放量超过100×10m的国家有10个、即原苏联、美国、中国、英国、德国、日本、波兰、原捷克斯洛伐克、法国、澳大利亚。

我国最早记载煤矿排放瓦斯是在宋应星所著《天工开物》(1637年)中。当时．记载了利用竹管引排煤矿瓦斯的方法。1938年抚顺龙风矿进行了具有工业规模的机械抽放瓦斯试验。1940年，该矿在地面建立了一座100m的储瓦斯池，用瓦斯泵将采空区的瓦斯经管路抽到池内，供给当地层民使用。当时，抽出的混合气体流量约10m／min、甲烷浓度为30％一40％。1951一l954年，该矿又先后试验成功了利用煤层巷道和钻孔预抽煤层瓦斯的方法，尤其是钻孔预抽煤层瓦斯的方法，为大规模预抽煤层瓦斯开创了新的技术途径。随后，1957年，阳泉矿务局四矿又试验成功了采用穿层钻孔抽放上邻近层卸压瓦斯。自此．我国煤矿瓦斯抽放工作有了迅速的发展，其发展速度和规模可从抽放矿井数及年抽放量中得到反映：50年代，我国主要有抚顺、阳泉、天府、北票等矿区的6对矿井抽放瓦斯．年抽放

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量仅有60×10m；60年代，中梁山、焦作、淮南、南桐、松藻、包头等矿区也进行了瓦斯抽放，抽放矿井数增至20对．年抽故量约160×10m3；70年代，抽故矿井数则增至83对矿井．年抽放量达248×10m；80年代，抽放矿井数达111对矿井．年抽放量达380×10m；到90年代，年抽放量达500×10m。从中可以看出．我国瓦斯抽放工作经过40多年的发展，有了长足的进步。

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2.1.3我国煤矿瓦斯抽采存在的问题及发展方向

目前我国采用的矿井瓦斯抽放技术主要是井下瓦斯抽放，现有井下抽放技术包括：本煤层钻孔抽放、邻近层钻孔卸压抽放、采空区钻孔抽放、穿层钻孔抽放和开掘专用瓦斯巷道密闭抽放等技术方法。

现有抽放技术存在的问题有： (1)抽放时间短

瓦斯抽放率随抽放时间延长而增大。对透气性系数低于10mD的低透气性煤层，要达到较高的抽放率，预抽时间不能短于6—8个月。由于我国的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井都程度不同地存在采掘失调，采煤工作面预抽瓦斯的时间普遍不足，据焦作、鹤壁、平顶山、淮南、淮北、抚顺、铁法等矿区的统计，突出煤层采煤工作面预抽瓦斯时间最长为8个月，最短仅为1个月，平均预袖时间只有3.3个月。

(2)钻孔工程量不足

抽放钻孔具有输送瓦斯和提高煤层透气性的双重作用。钻孔工程量不足是导致瓦斯抽放率偏低的主要原因之一。我国约有80％以上的高瓦斯和突出危险工作面采用本煤层预抽，单个工作面抽放钻孔长度一般为15000一35000 m，钻孔总长度数值很大，但吨煤钻孔长度数值却极小。据焦作、鹤壁、平顶山、晋城、潞安、淮南、淮北、铁法等矿区的不完全统计，采煤工作面吨煤预抽钻孔长度最多为0.04m，最少只有0.0065m，平均仅为0.018m。实施邻近层瓦斯抽放的矿区也存在同样的问题，部分矿区的邻近层抽放钻孔瓦斯流速高达30一50 m／s，远远超过瓦斯抽放的经济流速，抽放钻孔数量严重不足。

(3)封孔质量差

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孔底抽放负压具有引流瓦斯和强制瓦斯解析的功效，封孔质量的高低直接关系到瓦斯抽放效果的好坏。目前，我国约有2／3的瓦斯抽放矿井仍然采用黄泥或水泥砂浆封孔，甚至少数开采近水平或缓倾斜煤层的矿井也采用水泥砂桨封孔，封孔长度短而且密封质量很差。我国约有65％的采煤工作面预抽瓦斯浓度低于30％，充分反映了抽放钻孔封孔质量差的现状。

(4)抽放系统不匹配

近年来，我国政府利用国债资金对部分煤矿的抽放系统进行了更新改造，抽放系统不匹配的状况有了一定的改观，但这种现象仍然非常普遍：部分矿井抽放泵能力不足，极限抽放流量小，真空度低，不足以克服抽放管道的沿程阻力，部分矿井抽放泵能力虽然较大，但选用的抽放支管甚至主干管管径太小，抽放泵产生的负压绝大部分消耗在抽放管道的沿程阻力损失上；其结果是，这些矿井的本煤层预抽钻孔孔口负压不到490 Pa，有的甚至靠正压自排。

(5)管理不到位

管理不到位是造成我国煤矿瓦斯抽放效果差的重要原因。管理不到位具体表现为：部分矿井没有专门的瓦斯抽放队伍；钻孔施工质量缺乏监管，不按设计施工抽放钻孔，虚报钻孔长度；抽故系统不按规定安设计量装备、监测设施和放水器，不进行抽放系统的定期维护和检漏等等。

要解决以上问题需从下面六个方面做起： (1)改善采掘平衡，确保抽放时间 （2)改革打钻工艺，增加吨煤孔长 （3）强化综合抽放瓦斯

（4）推广聚氨酯封孔工艺，提高封孔质量 （5）优化抽放系统，提高抽放能力 （6）加强管理，健全制度

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2.2瓦斯抽放系统

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。 （1） 瓦斯泵

国内常用的瓦斯泵主要有离心式鼓风机、回旋式鼓风机和水环式真空泵三种。其工作原理如下表2-1

离心式鼓风机适用于瓦斯流量大（30—1200 m3/min），负压要求不高（3.9—49kpa）的抽放瓦斯矿井；回旋式鼓风机适用于瓦斯流量较大（1--600 m3/min），负压较高（19.61—88.2kpa）的抽放瓦斯矿井中。离心式和回旋式鼓风机都可以兼作正压鼓风机和负压抽放用，就是说既可以抽出井下瓦斯，又可以同时往用户输送。水环式真空泵，适用于瓦斯抽出量小，煤城透气性低，管路系统阻力大，需要负压抽放瓦斯的矿井。同时，适用于抽出瓦斯浓度较低或经常变化的矿井，特别适用于浓度变化大的邻近层抽放的矿井。

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