無浮標(biāo)式自動排渣放水器的設(shè)計*

□ 黃小明1 □ 孟 婧1 □ 王振鋒 □ 孫玉寧

1.洛陽智能農(nóng)業(yè)裝備研究院有限公司 河南洛陽 471000 2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院 河南焦作 454000

1 設(shè)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(fù)壓而流入抽采管道，抽采鉆孔內(nèi)的水、渣在負(fù)壓作用下也會進(jìn)入抽采管道。由于溫差效應(yīng),抽采管道中的氣態(tài)水會凝結(jié)成液態(tài)水,使抽采管道內(nèi)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(yán)重影響抽采效果?？梢?，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(tǒng)自動排渣放水是當(dāng)前瓦斯抽采的一個技術(shù)難題,針對這一難題，筆者設(shè)計了一種新型無浮標(biāo)式自動排渣放水器。

2 設(shè)計要求

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

無浮標(biāo)式自動排渣放水器的設(shè)計必須滿足以下幾點技術(shù)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(xiàn)漏氣現(xiàn)象;② 排渣放水過程中,瓦斯抽采系統(tǒng)要繼續(xù)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(nèi)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(shè)計方案

無浮標(biāo)式自動排渣放水器由護(hù)筒、移動容器、法蘭、輕質(zhì)球、沉降腔、壓縮彈簧等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。移動容器外徑略小于護(hù)筒內(nèi)徑,使移動容器與護(hù)筒之間能夠相對滑動。移動容器上端固定有鋼環(huán),在鋼環(huán)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(hù)罩保護(hù)。壓縮彈簧在重力、彈簧力和磁力三種力的共同作用下，實現(xiàn)無浮標(biāo)式自動排渣放水器的排渣放水。護(hù)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(dǎo)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(huán)零距離接觸時吸力較大,因此在蓄水蓄渣狀態(tài)時,要避免磁鐵與移動筒體上的鋼環(huán)接觸,以保持1.5 mm的距離為宜[5-6]。在進(jìn)水進(jìn)渣接口和下法蘭中心固定一根中心桿,進(jìn)水進(jìn)渣口內(nèi)放置一個輕質(zhì)球,進(jìn)水進(jìn)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(dāng)無浮標(biāo)式自動排渣放水器處于不放水狀態(tài)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(huán)密封墊,密封墊內(nèi)徑小于錐形塞外徑。無浮標(biāo)式自動排渣放水器上端的進(jìn)水進(jìn)渣口通過沉降腔與抽采管道連接[8]。無浮標(biāo)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(biāo)式自動排渣放水器整體結(jié)構(gòu)

4 工作原理

在煤礦井下瓦斯抽采負(fù)壓的作用下,無浮標(biāo)式自動排渣放水器移動容器底部的圓環(huán)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(jìn)水進(jìn)渣口進(jìn)入無浮標(biāo)式自動排渣放水器的移動容器中。當(dāng)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(nèi)部處于暫時平衡狀態(tài)。再有一些水、渣進(jìn)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(nèi)部通過導(dǎo)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(nèi),磁力能夠?qū)⒁苿尤萜魑先?。在排渣放水的過程中,無浮標(biāo)式自動排渣放水器內(nèi)部與外界通過導(dǎo)氣孔連通。在正壓氣體的作用下，輕質(zhì)球會封堵進(jìn)水進(jìn)渣口,使整個煤礦井下瓦斯抽采管道基本不漏氣。部分進(jìn)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(jié)束后,移動容器上升,橡膠密封圈將無浮標(biāo)式自動排渣放水器內(nèi)部與外界隔斷,排渣放水口也由底部的密封環(huán)密封。此時，移動容器中的正壓氣體通過進(jìn)水進(jìn)渣口錐面上的通氣槽被抽走,無浮標(biāo)式自動排渣放水器內(nèi)部又恢復(fù)負(fù)壓狀態(tài)，一次完整的排渣放水周期結(jié)束。無浮標(biāo)式自動排渣放水器的工作狀態(tài)如圖2所示。

▲圖2 無浮標(biāo)式自動排渣放水器工作狀態(tài)

蓄水蓄渣狀態(tài)滿足關(guān)系式:

G1+GX

(1)

式中：G1為移動容器的重力;GX為蓄水狀態(tài)時水、渣的重力;F1max為磁鐵與移動容器上部鋼環(huán)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(guān)系式:

G1+G2>F1max+F2min

(2)

式中:G2為排渣放水器內(nèi)儲存水、渣的最大重力。

排渣放水結(jié)束后，放空提升狀態(tài)滿足關(guān)系式:

F1min+F2max>G1

(3)

式中：F1min為磁鐵與移動容器上部鋼環(huán)距離最遠(yuǎn)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(jìn)水進(jìn)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(biāo)式自動排渣放水器的進(jìn)水進(jìn)渣口進(jìn)入移動容器，并經(jīng)由排渣放水口排出，進(jìn)水進(jìn)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(dǎo)致排渣放水不及時。面積太大,會導(dǎo)致水排出而渣滯留在移動容器下部。經(jīng)研究確認(rèn)，當(dāng)進(jìn)水進(jìn)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(biāo)式自動排渣放水器內(nèi)部處于負(fù)壓狀態(tài),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(jìn)水進(jìn)渣口所受的氣體壓力作用在無浮標(biāo)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(dāng)進(jìn)水進(jìn)渣口直徑D與排渣放水口直徑d都為50 mm時,假設(shè)抽采負(fù)壓為20 kPa,即大氣壓力P1減去移動容器內(nèi)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(jìn)水進(jìn)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(fù)壓大小與排渣放水量無關(guān)。

6 移動容器受力分析

無浮標(biāo)式自動排渣放水器工作過程中,有無水渣狀態(tài)、蓄水蓄渣狀態(tài)、排渣放水狀態(tài)、放空提升狀態(tài)，這四種狀態(tài)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(tài)時，移動容器內(nèi)尚無水、渣進(jìn)入,此時無浮標(biāo)式自動排渣放水器處于初始平衡狀態(tài),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(tài)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(biāo)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(tài)為在排渣放水開始前,移動容器所處于的一種平衡狀態(tài)，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(tài)壓力。

當(dāng)FY減小為零時,移動容器內(nèi)進(jìn)入的水、渣重力達(dá)到最大。此時，移動容器處于一種即將下落的瞬時狀態(tài),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(zhì)量稍大于1.5 kg。

排渣放水結(jié)束，移動容器處于放空提升狀態(tài)。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(jìn)入下一個循環(huán)。

放空提升狀態(tài)時,移動容器內(nèi)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(dá)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(zhì)量;a為移動容器放空提升的初始加速度。

在負(fù)壓足夠使排渣放水口密封的前提下,無浮標(biāo)式自動排渣放水器的排渣放水量與抽采負(fù)壓大小無關(guān),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(biāo)式自動排渣放水器試驗用樣機(jī),設(shè)置不同抽采負(fù)壓,進(jìn)行排渣放水試驗。試驗數(shù)據(jù)見表1。由表1可以看出,無浮標(biāo)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(jié)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(jìn)而密封排渣放水口。

由表1數(shù)據(jù)可知，排渣放水時間與抽采負(fù)壓無關(guān)，水、渣的殘留與水渣比有關(guān)。排渣放水間隔與抽采負(fù)壓無關(guān),與水、渣流量有關(guān)。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(biāo)式自動排渣放水器排渣放水試驗數(shù)據(jù)

8 結(jié)束語

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