雙通道連續(xù)抽采放水排渣裝置設(shè)計(jì)及其效果評(píng)價(jià)

趙 晶

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

抽采管路的巡檢、放水是高突礦井瓦斯抽采系統(tǒng)日常管理的重要內(nèi)容[1]，受施鉆過程固液殘?jiān)⒚簩痈凰?、管線長(zhǎng)、抽采負(fù)壓等因素的影響，管路易出現(xiàn)積水與煤渣堵塞問題，導(dǎo)致抽采管網(wǎng)阻力增大，嚴(yán)重制約了抽采泵的有效使用率及全礦井瓦斯抽采效果[2]。因此，研發(fā)出一種抽采管網(wǎng)排水除渣裝置對(duì)提升礦井瓦斯抽采效率和質(zhì)量有著重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于抽采管路巡檢放水器的主要可分為手動(dòng)放水器和自動(dòng)化放水器二大類[3]。前者主要采用鐵皮焊接的水箱、進(jìn)出氣閥門、放水閥門等部件構(gòu)成，田燕明等研制的人工放水器，借助風(fēng)壓排水，減少自動(dòng)放水器的損壞率及材料消耗[4]。自動(dòng)放水器目前在大型礦井應(yīng)用較為普遍，又可分為負(fù)壓放水器、智能控制放水器。美國(guó)研發(fā)的自動(dòng)放水器可實(shí)現(xiàn)放水及監(jiān)測(cè)功能，且包含多種電氣原件[5]。在國(guó)內(nèi)，余長(zhǎng)林等研制了抽采管路U型自動(dòng)放水器[6]，郝志勇等研發(fā)了適用抽采管路的CMG-ZY正壓放水器，主要由進(jìn)水管、壓力平衡管、導(dǎo)向管、浮漂等組成[7]。袁鯤鵬、朱瑩瑩等先后研發(fā)了浮子式自動(dòng)放水裝置，并根據(jù)水箱中浮子位置實(shí)現(xiàn)不定期自動(dòng)放水[8，9]，楊華東等繼而開發(fā)了間歇式高負(fù)壓自動(dòng)放水器，在自動(dòng)放水過程實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓切換，排水的同時(shí)還可進(jìn)行管路積存的煤渣[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，河南三正集團(tuán)研制的可調(diào)式機(jī)械式KDP21G型和重慶煤科院研制的CF-Ⅱ型自動(dòng)放水器推廣度較高[11]，俞瀧興等對(duì)KDP21G進(jìn)行了改進(jìn)，采用三通二位換向閥來實(shí)現(xiàn)管路的開閉以提高放水效率[12]，李向南等對(duì)CF-Ⅱ型自動(dòng)放水器進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，摒棄了彈簧元件以提高浮子使用壽命[13]。近年來，可視化及智能控制型自動(dòng)放水器相繼出現(xiàn)，盧衛(wèi)永、王偉等采用透明材質(zhì)制成放水器的水箱箱體[14，15]，王俊濤等研制了KKZ-1型智能可控自動(dòng)放水器[16]，祝釗等提出了基于PLC控制電磁閥來實(shí)現(xiàn)水箱自動(dòng)放水[17]，后來，于海洋等設(shè)計(jì)出一套瓦斯抽采管路智能排水排渣系統(tǒng)通過液位感應(yīng)器檢查水箱內(nèi)水的高度，利用PLC集成板控制電磁閥進(jìn)而控制放水器的放水排渣[18]。上述研究豐富了我國(guó)放水器的種類與功能，并推動(dòng)其作業(yè)方式從手動(dòng)向智能化發(fā)展。但目前自動(dòng)化放水器存在成本高、閥門控制部件精密度高有效使用壽命不高、抽采負(fù)壓適用范圍有限等方面問題。

前人學(xué)者主要基于自動(dòng)和智能放水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和元件選材做出優(yōu)化改進(jìn)，提高放水控制器使用壽命和放水效率，但相對(duì)人工放水器仍存在整體價(jià)格高或低價(jià)產(chǎn)品壽命低的情況[19，20]，因此，筆者基于煤礦常用的球閥、抽采管、鐵皮、透明塑板等基礎(chǔ)耗材，采用抽采-排水聯(lián)通式雙管路設(shè)計(jì)，克服抽采負(fù)壓影響人工放水器需停抽排水的問題，提升了放水效率，并在山西離柳焦煤集團(tuán)朱家店煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

1 雙通道連續(xù)抽采放水排渣器技術(shù)原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易式連續(xù)抽采排渣放水器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括瓦斯流動(dòng)部分、放水部分、排渣部分，其中瓦斯流動(dòng)部分采用雙通道設(shè)計(jì)，均由進(jìn)氣管1、旁通管2和出氣管12，管材為礦用的?50mmPVC封孔管，耐壓1.0MPa，進(jìn)、出氣管下部安裝橡膠球閥3，并與水箱體4上端相連，其中出氣管下端安裝有凝結(jié)水結(jié)網(wǎng)11，對(duì)進(jìn)入箱體的瓦斯流中的水汽起到凝結(jié)水珠作用，由普通鋼絲網(wǎng)制成(密度為10目)；放水部分由水箱體4、通氣閥7、排水閥8和底座分腿10組成，水箱體由厚度約0.5-1cm的廢棄鐵皮焊接而成，通氣閥和排水閥為礦用?50mm銅制球閥。底座分腿10由鐵板邊角料制成；排渣部分由水箱體4、外視窗5、濾渣擋板6和排渣口9組成，濾渣擋板為厚度為1cm鐵板，高度低于通氣閥位置，利于進(jìn)氣管路中固液廢渣的過濾分離，外視窗為透明塑料板，上面標(biāo)有刻度，容量根據(jù)箱體體積而定，可隨時(shí)觀察箱體左側(cè)淤渣積累高度與水箱體右側(cè)水位高度，排渣口9為?100mm鐵制閥門，便于排渣。

1—進(jìn)氣管；2—旁通管；3—橡膠球閥；4—鐵皮箱體；5—外視窗；6—濾渣擋板；7—通氣閥；8—放水閥；9—排渣口；10—底座支腿；11—凝結(jié)水結(jié)網(wǎng)；12—出氣管圖1 簡(jiǎn)易式連續(xù)抽采排渣放水器結(jié)構(gòu)

該放水器具有2套進(jìn)氣管-旁通管-出氣管，可用于兩個(gè)鉆孔或鉆場(chǎng)同時(shí)放水連抽，且能夠?qū)崿F(xiàn)放水、排渣過程鉆孔瓦斯抽采不間斷。此外，箱體內(nèi)部和出氣管下端口分別設(shè)計(jì)有固液分離裝置和氣液分離篩網(wǎng)，有效分離并清除進(jìn)氣口帶入的固液混合物，防治抽采管路的積水和堵塞，提高系統(tǒng)抽采效率。

1.2 作業(yè)流程

該放水器的作業(yè)流程主要包括正常抽采、放水、排渣3個(gè)方面。①正常抽采：由鉆孔孔口出來多相混合物(上向鉆孔捎帶有鉆屑等固體廢渣)從進(jìn)氣管1進(jìn)入放水箱，受重力作用，固液混合物直接墜入箱體左側(cè)由壁面和擋板6構(gòu)成的水槽中，瓦斯等氣流從箱體上部(擋板與箱體上端的空間)通過凝結(jié)水網(wǎng)11進(jìn)入出氣管路，凝結(jié)水網(wǎng)進(jìn)一步對(duì)進(jìn)入箱體的氣水混合物進(jìn)行二次分離，有效減少水汽進(jìn)入抽采主管路。②放水連抽：首先通過外視窗5觀察箱體內(nèi)水位，接著關(guān)閉進(jìn)氣管和出氣管上的橡膠球閥3 ，改變從進(jìn)氣口進(jìn)入箱體的氣水混合物運(yùn)移路徑，不經(jīng)過箱體直接從旁通管到達(dá)放水器出氣口；進(jìn)入箱體左側(cè)的固液混合物通過擋板的濾渣作用，實(shí)現(xiàn)固液分離，爾后進(jìn)入打開通氣閥7，消除箱體內(nèi)外壓差，再打開排水閥8，箱體內(nèi)積水順利排放。③排渣清淤：考慮固體鉆屑在左側(cè)箱體長(zhǎng)期累積會(huì)發(fā)生淤積，通過外視窗5觀察箱體左側(cè)廢渣淤積情況，隨后關(guān)閉進(jìn)氣管和出氣管上的橡膠球閥3，進(jìn)而打開通氣閥7，最后打開排渣閥9，清理放水器的淤泥，保持箱體空間及排水順暢。簡(jiǎn)易式連續(xù)抽采放水器作業(yè)如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)易式連續(xù)抽采放水器作業(yè)原理

2 簡(jiǎn)易式非間歇抽采放水器推廣優(yōu)勢(shì)

基于目前煤礦市場(chǎng)上常用的傳統(tǒng)手動(dòng)型、CF-Ⅱ型、KKZ-1型放水器與本放水器在放水效果、實(shí)操便捷性、經(jīng)濟(jì)成本等三方面綜合分析，得出各類放水器技術(shù)特點(diǎn)及其適用范圍見表1。

表1 四種放水器放水-排渣效果對(duì)比

2.1 放水-排渣效果

一般采用單次放水量、放水速度、是否中斷抽采等指標(biāo)來評(píng)判放水器放水效果，考慮到進(jìn)入放水器的多相流中攜帶有水和鉆屑等固液混合物，尤其在定向長(zhǎng)鉆孔施工聯(lián)抽過程中放水器必須具備氣液/固分離及排水/渣的功能，否則積水和鉆屑淤積直接影響抽采效果。由表1可知，本裝置放水速度達(dá)50～160L/min(排渣口可作為第2個(gè)放水口)，所設(shè)計(jì)的濾渣擋板和凝結(jié)水網(wǎng)可進(jìn)行固液分離和氣液分離，上部有2個(gè)接入端，可實(shí)現(xiàn)多組鉆孔并聯(lián)接入、連續(xù)抽采式放水，提升放水效率。CF-Ⅱ型和KKZ-1型放水器放水口徑小、速度慢，針對(duì)管路積水量大地點(diǎn)的放水能力略顯不足。對(duì)比分析可知，本裝置單次放水效率(速度)相比傳統(tǒng)手動(dòng)、CF-Ⅱ、KKZ-1型分別提升0.5倍、1.6倍和0.8倍。

2.2 實(shí)操性能

放水器實(shí)操性能指標(biāo)包括放水方式、適用環(huán)境、使用壽命、可視化等因素，見表2。CF-Ⅱ型自動(dòng)放水器和KKZ-1智能放水器可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)放水，但必須水平放置、不能傾斜，且對(duì)水質(zhì)、抽采負(fù)壓有較高要求，含固體廢渣、易鈣化水質(zhì)可直接降低閥門控制器的使用壽命，前者適用負(fù)壓為20～70kPa，不宜用于低負(fù)壓抽采管路或鉆孔。本裝置雖然采用手動(dòng)放水，但操作方便、可傾斜放置、使用壽命長(zhǎng)，適用水質(zhì)和負(fù)壓范圍廣，并且通過可視化外窗觀察箱體積水和廢渣淤積情況進(jìn)而及時(shí)放水或排渣。

表2 四種放水器實(shí)操性能對(duì)比

2.3 經(jīng)濟(jì)成本對(duì)比

傳統(tǒng)手動(dòng)放水器→本裝置→CF-Ⅱ型→KKZ-1型，放水器智能化、信息化程度逐步提高，相應(yīng)的放水控制器件越精密、靈敏度越高，一旦損壞，放水器無法工作且不易維修，維護(hù)成本及總價(jià)較高，基本為手動(dòng)放水器價(jià)格的10倍，本裝置采用工礦邊角料(鐵皮、鋼管、抽采管等)和普通閥門焊接而成，日常維護(hù)容易、成本低。四種放水器經(jīng)濟(jì)成本對(duì)比見表3。

表3 四種放水器經(jīng)濟(jì)成本對(duì)比

2.4 綜合評(píng)價(jià)

對(duì)上述三種放水器從放水-排渣效果、實(shí)操性能和經(jīng)濟(jì)成本三大方面綜合對(duì)比分析，結(jié)果見表4。

表4 四種放水器綜合對(duì)比分析

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.1 宏巖煤礦概況

宏巖煤礦地處山西呂梁市中陽(yáng)縣境內(nèi)，煤炭年產(chǎn)能90萬(wàn)t，為立-斜井混合開拓，開采9+10號(hào)煤層，整體受控于離石-中陽(yáng)向斜構(gòu)造，平均厚度6.3m，傾角為4°～7°，采用綜放采煤法，采放比為1∶1.42。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量44.661m3/min，屬于典型的高瓦斯礦井，瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)見表5，礦井瓦斯抽采方法為定向長(zhǎng)鉆孔區(qū)域預(yù)抽+順層雙排大直徑鉆孔+裂隙帶高抽巷+采空區(qū)埋管抽采+局部淺孔排放，抽采半徑2m，正在連抽的鉆孔共計(jì)約4萬(wàn)個(gè)，鉆孔巡檢、放水工作量較大。

礦井采用高低負(fù)壓分源抽采瓦斯，分別配備2臺(tái)2BEC-80型號(hào)的水環(huán)真空泵，最大抽采量為700m3/min，主管、干管采用?720mm×10mm焊縫鋼管、支管為?529mm×8mm焊縫鋼管，其中，高負(fù)壓抽采系統(tǒng)瓦斯?jié)舛葹?1%～14%，泵站抽采主管負(fù)壓85kPa，孔口負(fù)壓僅有20kPa，經(jīng)專家會(huì)診指出孔口漏氣、管路積水是主因，嚴(yán)重制約抽采效率。礦井原采用傳統(tǒng)手動(dòng)放水器(鉆場(chǎng)和各支管)和CF-Ⅱ型自動(dòng)放水器(主、干管)相結(jié)合，存在放水不及時(shí)、易損壞等問題，因此，選用本次設(shè)計(jì)生產(chǎn)的放水器在礦井10102工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

3.2 應(yīng)用效果考察

10102試驗(yàn)工作面單U通風(fēng)方式，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷分別為900m，切眼長(zhǎng)度180m。在10102運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷施工沿走向順層鉆孔(圖3)，本煤層采用雙排孔布置，在運(yùn)輸巷下排孔沿煤層角度施工，重點(diǎn)抽下部煤層瓦斯，孔徑94mm，鉆孔深度140m，上排孔按傾角直至施工到煤層頂板，重點(diǎn)抽中上部煤層瓦斯，鉆孔水平間距1.5m，上下垂直間距0.4m。鉆場(chǎng)放水器連接示意如圖4所示。

圖3 鉆孔施工平面示意圖

圖4 鉆場(chǎng)放水器連接示意圖

3.2.1 間歇抽采次數(shù)對(duì)瓦斯抽采量的影響

由于本次研發(fā)放水器與傳統(tǒng)手動(dòng)放水器最大區(qū)別為可實(shí)現(xiàn)放水期間連續(xù)抽采，為準(zhǔn)確分析瓦斯抽采過程中非連續(xù)抽采對(duì)瓦斯?jié)舛群统椴闪康挠绊?，提出非連續(xù)抽采影響因子的概念，用相鄰兩段連續(xù)抽采間非連續(xù)抽采的時(shí)間間隔和相鄰兩段中前一段連續(xù)穩(wěn)定抽采的時(shí)間的比值來表示非連續(xù)抽采影響因子，進(jìn)而描述其與瓦斯?jié)舛群土髁拷档桶俜直鹊年P(guān)系。鉆孔停抽時(shí)間長(zhǎng)短影響的非連續(xù)抽采影響因子如下：

式中，i為連續(xù)抽采和非連續(xù)次數(shù)；tdi為第i次非連續(xù)抽采時(shí)間，min；tci為第i次連續(xù)抽采時(shí)間，min。

在該工作面軌道巷選取一組使用傳統(tǒng)放水裝置和該裝置進(jìn)行瓦斯抽采效果考察，試驗(yàn)不同的停抽時(shí)間和停抽次數(shù)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，獲取每個(gè)鉆孔每一段穩(wěn)定抽采瓦斯的時(shí)間、相鄰兩段連續(xù)排采間的間隔時(shí)間、每一段的平均穩(wěn)定抽采流量。得出非連續(xù)瓦斯抽采造成的流量下降百分比與非連續(xù)抽采影響因子和非連續(xù)抽采次數(shù)的變化區(qū)域(圖5、圖6)。非連續(xù)瓦斯抽采造成的流量、濃度下降百分比與非連續(xù)抽采影響因子和非連續(xù)抽采顯著的正相關(guān)性。隨著非連續(xù)抽采時(shí)間增加，非連續(xù)抽采影響因子增大，抽采瓦斯的流量和濃度也隨之下降；隨著非連續(xù)抽采次數(shù)的達(dá)到15次或以上，抽采瓦斯的平均流量平均降低49.51%，抽采瓦斯平均濃度下降41.45%。考慮一定的煤層瓦斯衰減系數(shù)，非連續(xù)抽采對(duì)瓦斯抽采效果的影響依然可達(dá)30%以上。

圖5 非連續(xù)抽采影響因子與瓦斯流量、濃度變化趨勢(shì)圖

圖6 非連續(xù)抽采次數(shù)與瓦斯流量、濃度變化趨勢(shì)圖

3.2.2 不同放水方式下瓦斯抽采效果

通過不同天數(shù)瓦斯?jié)舛茸兓闆r來考察分析不連續(xù)抽采和連續(xù)抽采兩種狀態(tài)下的抽采效果，分析統(tǒng)計(jì)了1d、5d、10d和20d不連續(xù)抽采和連續(xù)抽采狀態(tài)下瓦斯?jié)舛惹闆r，得出兩種狀態(tài)下瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)圖(圖7、圖8)。隨著抽采時(shí)間的推移，不連續(xù)抽采狀態(tài)和連續(xù)抽采狀態(tài)下，瓦斯?jié)舛榷汲掷m(xù)不斷下降，尤其是當(dāng)在第5天時(shí)，不連續(xù)抽采狀態(tài)比連續(xù)抽采狀態(tài)下降幅度大，抽采效果驟降，5～20d，連續(xù)抽采狀態(tài)下瓦斯抽采濃度變化幅度較小，抽采效果較好；不連續(xù)抽采狀態(tài)下所考察的6個(gè)鉆孔從第1天到第20天，平均瓦斯抽采濃度在85%下降至5%，衰減較大；而連續(xù)抽采狀態(tài)下所考察的6個(gè)鉆孔從第1天到第20天，平均瓦斯抽采濃度在83%下降至33%，相對(duì)不連續(xù)方式抽采，衰減較慢。

圖7 不連續(xù)抽采狀態(tài)下的瓦斯?jié)舛茸兓P(guān)系

圖8 連續(xù)抽采狀態(tài)下的瓦斯?jié)舛茸兓P(guān)系

不連續(xù)性抽采破壞了該鉆孔抽采的連續(xù)性，打破了抽采平衡狀態(tài)，煤層儲(chǔ)層孔隙度、滲透率等物性參數(shù)的穩(wěn)定受到抑制；如滲透率受到壓敏效應(yīng)的作用造成了不可逆轉(zhuǎn)的變化，煤體微小裂隙通道閉合，以至于鉆孔內(nèi)流量和濃度降低。因此，采取穩(wěn)定、連續(xù)式抽采對(duì)提高瓦斯抽采效果貢獻(xiàn)很大。

4 結(jié) 論

1)本文研發(fā)的雙通道連續(xù)抽采放水排渣裝置內(nèi)部和出氣管下端口分別設(shè)計(jì)有固液分離裝置和氣液分離篩網(wǎng)，有效分離并清除進(jìn)氣口帶入的固液混合物。上端設(shè)計(jì)的雙通道旁通管能夠?qū)崿F(xiàn)放水-排渣過程瓦斯連續(xù)抽采，有效提高系統(tǒng)抽采效率。

2)基于放水-排渣效果、操作性能及經(jīng)濟(jì)成本等指標(biāo)構(gòu)建了多因素評(píng)價(jià)方法，并對(duì)上述4種放水器進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，指出本裝置和KKZ-1型智能放水器綜合性能較優(yōu)，并給出各自適用范圍。

3)在宏巖煤礦10102工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提出非連續(xù)抽采影響因子并作為連續(xù)抽采評(píng)判指標(biāo)，得出抽采瓦斯量、濃度與非連續(xù)抽采影響因子及次數(shù)呈負(fù)相關(guān)性，采用該裝置20d內(nèi)抽采瓦斯?jié)舛认陆盗績(jī)H為傳統(tǒng)手動(dòng)放水器的61%，衰減慢、抽采效果好。