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家重點實驗室，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]，受施鉆過程固液殘渣、煤層富水性、管線長、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)排水除渣裝置對提升礦井瓦斯抽采效率和質(zhì)量有著重要意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于抽采管路巡檢放水器的主要可分為手動放水器和自動化放水器二大類[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，減少自動放水器的損壞率及材料消耗[4]。自動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。美國研發(fā)的自動放水器可實現(xiàn)放水及監(jiān)測功能，且包含多種電氣原件[5]。在國內(nèi)，余長林等研制了抽采管路U型自動放水器[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)了浮子式自動放水裝置，并根據(jù)水箱中浮子位置實現(xiàn)不定期自動放水[8，9]，楊華東等繼而開發(fā)了間歇式高負(fù)壓自動放水器，在自動放水過程實現(xiàn)正負(fù)壓切換，排水的同時還可進(jìn)行管路積存的煤渣[10]。據(jù)統(tǒng)計，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型自動放水器推廣度較高[11]，俞瀧興等對KDP21G進(jìn)行了改進(jìn)，采用三通二位換向閥來實現(xiàn)管路的開閉以提高放水效率[12]，李向南等對CF-Ⅱ型自動放水器進(jìn)行改良設(shè)計，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型智能可控自動放水器[16]，祝釗等提出了基于PLC控制電磁閥來實現(xiàn)水箱自動放水[17]，后來，于海洋等設(shè)計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放水器的種類與功能，并推動其作業(yè)方式從手動向智能化發(fā)展。但目前自動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)者主要基于自動和智能放水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和元件選材做出優(yōu)化改進(jìn)，提高放水控制器使用壽命和放水效率，但相對人工放水器仍存在整體價格高或低價產(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，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

簡易式連續(xù)抽采排渣放水器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括瓦斯流動部分、放水部分、排渣部分，其中瓦斯流動部分采用雙通道設(shè)計，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，可用于兩個鉆孔或鉆場同時放水連抽，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)箱體長期累積會發(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。簡易式連續(xù)抽采放水器作業(yè)如圖2所示。

圖2 簡易式連續(xù)抽采放水器作業(yè)原理

2 簡易式非間歇抽采放水器推廣優(yōu)勢

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

表1 四種放水器放水-排渣效果對比

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個放水口)，所設(shè)計的濾渣擋板和凝結(jié)水網(wǎng)可進(jìn)行固液分離和氣液分離，上部有2個接入端，可實現(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，針對管路積水量大地點的放水能力略顯不足。對比分析可知，本裝置單次放水效率(速度)相比傳統(tǒng)手動、CF-Ⅱ、KKZ-1型分別提升0.5倍、1.6倍和0.8倍。

2.2 實操性能

放水器實操性能指標(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型自動放水器和KKZ-1智能放水器可實現(xiàn)全自動放水，但必須水平放置、不能傾斜，且對水質(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放水，但操作方便、可傾斜放置、使用壽命長，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)而及時放水或排渣。

表2 四種放水器實操性能對比

2.3 經(jīng)濟(jì)成本對比

傳統(tǒng)手動放水器→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)成本及總價較高，基本為手動放水器價格的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)成本對比見表3。

表3 四種放水器經(jīng)濟(jì)成本對比

2.4 綜合評價

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

表4 四種放水器綜合對比分析

3 現(xiàn)場應(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縣境內(nèi)，煤炭年產(chǎn)能90萬t，為立-斜井混合開拓，開采9+10號煤層，整體受控于離石-中陽向斜構(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約4萬個，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2BEC-80型號的水環(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)手動放水器(鉆場和各支管)和CF-Ⅱ型自動放水器(主、干管)相結(jié)合，存在放水不及時、易損壞等問題，因此，選用本次設(shè)計生產(chǎn)的放水器在礦井10102工作面進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

3.2 應(yīng)用效果考察

10102試驗工作面單U通風(fēng)方式，運輸巷、回風(fēng)巷分別為900m，切眼長度180m。在10102運輸巷和回風(fēng)巷施工沿走向順層鉆孔(圖3)，本煤層采用雙排孔布置，在運輸巷下排孔沿煤層角度施工，重點抽下部煤層瓦斯，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 鉆場放水器連接示意圖

3.2.1 間歇抽采次數(shù)對瓦斯抽采量的影響

由于本次研發(fā)放水器與傳統(tǒng)手動放水器最大區(qū)別為可實現(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)抽采的時間間隔和相鄰兩段中前一段連續(xù)穩(wěn)定抽采的時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。鉆孔停抽時間長短影響的非連續(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)抽采時間，min；tci為第i次連續(xù)抽采時間，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，試驗不同的停抽時間和停抽次數(shù)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，獲取每個鉆孔每一段穩(wěn)定抽采瓦斯的時間、相鄰兩段連續(xù)排采間的間隔時間、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%?？紤]一定的煤層瓦斯衰減系數(shù)，非連續(xù)抽采對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、濃度變化趨勢圖

圖6 非連續(xù)抽采次數(shù)與瓦斯流量、濃度變化趨勢圖

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厔輬D(圖7、圖8)。隨著抽采時間的推移，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，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)建了多因素評價方法，并對上述4種放水器進(jìn)行綜合評價分析，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)場應(yīng)用，提出非連續(xù)抽采影響因子并作為連續(xù)抽采評判指標(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H為傳統(tǒng)手動放水器的61%，衰減慢、抽采效果好。