CN107060877B - 富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统 - Google Patents
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Abstract
富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统，包括煤水煤泥排放干管、煤水分离支管、煤渣沉积管和柔性放水管，煤水煤泥排放干管的进水口通过三通管接头分别与瓦斯抽采管路和瓦斯抽采联管连接，煤水煤泥排放干管的出水口与柔性放水管的进水口连接，煤水煤泥排放干管的出水口的高度低于煤水煤泥排放干管的进水口的高度，煤水煤泥排放干管和柔性放水管分别通过若干组安装卡环和防锈防松螺杆紧固连接结构固定设置在巷道侧壁上，柔性放水管的出水端呈U型结构折弯设置，柔性放水管的进水口的高度高于柔性放水管的出水口的高度。本发明操作使用简单，依靠自身重力放水自动化，可有效解决富水煤层瓦斯抽采系统中的排水难题。
Description
技术领域
本发明属于瓦斯抽采及防治煤与瓦斯突出方面的煤矿安全技术领域，尤其涉及富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统。
背景技术
煤层瓦斯预抽是瓦斯治理领域的一项普遍应用且很有效的技术手段，煤层瓦斯预抽的效果受很多因素的影响，主要可以概括为：煤体自身特性因素、地质因素、抽采工艺，诸如煤体的透气性、含水率大小、煤层原始瓦斯压力、地应力、局部地质构造、抽采钻孔孔径大小、抽采负压、抽采时间等。其中抽采负压大小是抽采工艺中一项重要参数，研究表明，在煤体实施泄压增透后的较短一段时间内，煤体透气性最大，是瓦斯抽采的最佳时期，因此，瓦斯抽采负压大小在前期抽采过程中起着关键作用。富水煤层瓦斯抽放过程中，由于煤层含水率较高，加上钻孔施工过程中产生的煤粉，以及孔壁垮塌产生的煤粉煤屑，很容易在瓦斯抽放管路中形成积水或堵塞现象，阻碍了瓦斯在管路中的流动过程；另一方面，若克服抽采管道内的水以及煤岩杂质的运移抽采负压损失较大，促进瓦斯流动方面所做的功很小，煤层的瓦斯抽采效果差。因此，富水煤层瓦斯抽放过程中的排水技术对于提高瓦斯抽采率意义重大。
针对矿井瓦斯抽采系统中的排水技术的研究，最早的排水装置是基于重力作用将水排至储水容器内，定期进行人工放水，这种装置的最大缺陷在于无法实现自动放水，其排水能力很有限，排水口容易被杂质堵塞，不容易清理。随着排水技术的不断改进，出现了一些可以实现自动放水的技术与装置，但这些装置仍旧未能克服排水量小，且在水与煤粉的共同作用下很容易堵塞的缺陷。有文献报道，近些年采用压风式排水装置，但这一装置主要应用于下向钻孔内的排水，且对钻孔的成孔率，封孔效果要求高，钻孔内部需下设套管，同时需要增设一套鼓风系统，整套装置成本投入高，维修复杂，适用面较小，使用寿命短。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种排水能力大、煤和水可分离、排水自动化、杂质清理过程简便快捷且可重复使用的富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统，该系统在富水煤层以及具有一定坡度的煤/岩巷应用效果最佳。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统，包括煤水煤泥排放干管、煤水分离支管、煤渣沉积管和柔性放水管，煤水煤泥排放干管的进水口通过三通管接头分别与瓦斯抽采管路和瓦斯抽采联管连接，煤水煤泥排放干管的出水口与柔性放水管的进水口连接，煤水煤泥排放干管的出水口的高度低于煤水煤泥排放干管的进水口的高度，煤水分离支管设有两根，两根煤水分离支管的上端分别连接在煤水煤泥排放干管的底部，煤渣沉积管平行于煤水煤泥排放干管设置并位于煤水煤泥排放干管下方，两根煤水分离支管的下端分别连接在煤渣沉积管的顶部，煤水煤泥排放干管和柔性放水管分别通过若干组安装卡环和防锈防松螺杆紧固连接结构固定设置在巷道侧壁上，煤渣沉积管的两端分别设置有一个蝶形阀；煤水煤泥排放干管内设置有第一过滤网和第二过滤网，第一过滤网位于两根煤水分离支管之间的位置，第二过滤网位于位置较低的煤水分离支管与煤水煤泥排放干管的出水口之间的位置；第一过滤网的孔径为2mm，第二过滤网的孔径为0.5mm；柔性放水管的出水端呈U型结构折弯设置，柔性放水管的进水口的高度高于柔性放水管的出水口的高度。
每组防锈防松螺杆紧固连接结构均包括螺杆、防护帽、垫圈和圆环形的弹性嵌件，螺杆设有两根，两根螺杆分别位于煤水煤泥排放干管和柔性放水管的上方及下方，两根螺杆均沿水平方向预埋在巷道侧壁内，安装卡环上端套在螺杆上并卡住煤水煤泥排放干管和柔性放水管，螺杆的外端部螺纹连接有将安装卡环紧固的两个螺母，所述的垫圈套设在螺杆上，螺母内侧表面通过垫圈与弹性嵌件压接配合；
垫圈在圆周表面上开设有第一圆环槽，防护帽为内端开口的圆筒状结构，防护帽的内壁敞口处沿圆周方向设置有第一定位环和第二定位环，防护帽内壁在第一定位环和第二定位环之间形成第二圆环槽，第二定位环内端面与防护帽内端面齐平，第一圆环槽与第二圆环槽对应连通形成圆环形的安装腔，所述的弹性嵌件装配在安装腔内。
弹性嵌件包括四个半径均相同、圆心角均为90°的圆弧形结构的限位条，每个限位条的外圆周表面均沿圆周方向开设有两道安装槽，每个限位条的一端沿垂直方向开设有一个安装孔，第二定位环自内而外通过四个定位螺钉对应穿过一个安装孔与第一定位环螺纹连接，每个限位条的中部外侧开设有与两道安装槽均连通的且横截面呈L型的卡槽，卡槽内设有U型弹簧，U型弹簧的两根簧臂对应装配在两道安装槽内并与防护帽内壁顶压配合，U型弹簧的两根簧臂均指向相邻一个限位条穿设有定位螺钉的一端。
垫圈外圆周在第一圆环槽外侧的部分呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条沿径向方向的厚度均外厚内薄。
柔性放水管的进水口高于柔性放水管的出水口的高度h1≥1.3m，柔性放水管的U型结构底部与柔性放水管出水口的高差h2≧0.65m。
煤水煤泥排放干管上设置有邻近三通管接头的控制阀。
采用上述技术方案，在具有一定坡度的巷道内部，安装好本发明，确保在不需要施加外部作用力的情况下，仅利用重力作用通第一过滤网和第二过滤网的过滤即可将煤、水分离。根据抽采负压大小计算确定柔性放水管的出水口与进水口的水平高差，保证h1≧hH2O（hH2O为瓦斯抽采负压下对应的水柱高度，hH2O≥1.3m）即gh1≧p（p为抽采负压，p≥13KPa），此处高差用于避免在抽采负压影响下，本发明中的水被倒抽回瓦斯抽放管路中，从而使整个系统失效；柔性放水管的U型结构底部与其出水口的高差h2也应该大于1/2hH2O即：h2≧0.65m，避免在本发明装置维修或检查后，启泵的短时间内，柔性放水管的U型结构内存储的水被倒抽回抽放管路中，以此便保证了整套系统安全可靠的自动放水的功能。
本系统与瓦斯抽采管路和瓦斯抽采联管的三通管接头连接，也可在抽采管路易出现积水的地方安装。瓦斯抽放过程中，打开控制阀，瓦斯抽采管路和瓦斯抽采联管中的水、煤泥等混合物质在重力作用下经三通管接头进入煤水煤泥排放干管内，经过第一过滤网（孔径为2mm）过滤筛分，颗粒小的煤泥、水继续沿煤水煤泥排放干管继续向下流动，颗粒较大的煤粉、煤泥沿煤水分离支管进入煤渣沉积管逐渐沉淀累积，为防止煤水分离不够充分，煤水煤泥排放干管中的流体会经过第二过滤网（孔径为0.5mm）再次过滤，含有极少杂质的水最终经进入柔性放水管后排出。
本发明中防锈防松螺杆紧固连接结构的具体安装方法和使用原理为：先把四个U型弹簧对应安装到四个限位条的卡槽和定位槽内，再把一个限位条放置到第二圆环槽内，使用一个定位螺钉将这个限位条固定，接着依次把另三个限位条使用定位螺钉固定到第二圆环槽内，四个定位螺钉均为沉头结构，由于U型弹簧的作用，四个限位条的活动端均凸出第一定位环内壁和第二定位环内壁；然后把螺母拧到螺杆上，操作者手持防护帽，套到螺母和螺杆外部沿轴向方向朝向第二墙体方向用力按压，由于垫圈外圆周在第一圆环槽外侧的部分呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条沿径向方向的厚度均外厚内薄的结构，即四个限位条的内壁与垫圈外壁之间的圆锥状配合结构很容易将四个限位条按压到垫圈外圆周的第一圆环槽内，在U型弹簧的作用下，四个限位条内壁紧紧地顶压在第一圆环槽的圆周壁上，防护帽被牢牢地与螺栓一体固定，起到良好的防松和防潮作用。由于巷道内湿热，在螺杆上设置独特结构的防锈防松螺杆紧固连接结构，即使用防护帽将螺母和螺杆端头罩住，防护帽与垫圈通过活动嵌件锁死不会脱出，从而将起到对螺杆和螺母密封，起到良好的防潮、防锈蚀的作用，并可保证螺母不会脱离螺杆。
本发明在整个放水过程中，煤渣沉积管中会逐渐累积有大量的煤粉煤渣，一般保证每周进行一次清理疏通工作，该操作可通过关闭控制阀（平时处于常开状态，）后，打开煤渣沉积管两端设置的蝶形阀（平时处于关闭状态），使用直径略小于煤渣沉积管的工具进行疏通，该过程操作简单，清理效果显著。煤泥煤粉沉积管内无沉积死角，克服了现有装置易堵塞、难清理的弊端。
本发明装置的排水管径可根据排水量的大小，煤粉、煤泥量等杂质量大小，确定装置中主要管路的合适管径尺寸大小。整套系统无易损元件，主要管路煤水煤泥排放干管、煤水分离支管、煤渣沉积管的材质均选用镀锌钢管，提高了装置的耐久性；煤渣煤泥等杂质的清理过程简单容易，管路无沉积死角，清理效果明显，因此可以重复使用。本发明操作使用简单，依靠自身重力放水自动化，可有效解决富水煤层瓦斯抽采系统中的排水难题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A处的放大图；
图3是图2中防锈防松螺杆紧固连接结构的结构示意图；
图4是图3中垫圈的结构示意图；
图5是图3中活动嵌件的俯视图；
图6是图5中U型弹簧的侧视图。
具体实施方式
如图1-图6所示，本发明的富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统，包括煤水煤泥排放干管1、煤水分离支管2、煤渣沉积管3和柔性放水管4，煤水煤泥排放干管1的进水口通过三通管接头5分别与瓦斯抽采管路6和瓦斯抽采联管7连接，煤水煤泥排放干管1的出水口与柔性放水管4的进水口连接，煤水煤泥排放干管1的出水口的高度低于煤水煤泥排放干管1的进水口的高度，煤水分离支管2设有两根，两根煤水分离支管2的上端分别连接在煤水煤泥排放干管1的底部，煤渣沉积管3平行于煤水煤泥排放干管1设置并位于煤水煤泥排放干管1下方，两根煤水分离支管2的下端分别连接在煤渣沉积管3的顶部，煤水煤泥排放干管1和柔性放水管4分别通过若干组安装卡环8和防锈防松螺杆紧固连接结构9固定设置在巷道侧壁10上，煤渣沉积管3的两端分别设置有一个蝶形阀11；煤水煤泥排放干管1内设置有第一过滤网12和第二过滤网，第一过滤网12位于两根煤水分离支管2之间的位置，第二过滤网13位于位置较低的煤水分离支管2与煤水煤泥排放干管1的出水口之间的位置；第一过滤网12的孔径为2mm，第二过滤网13的孔径为0.5mm；柔性放水管4的出水端呈U型结构14折弯设置，柔性放水管4的进水口的高度高于柔性放水管4的出水口的高度。
每组防锈防松螺杆紧固连接结构9均包括螺杆15、防护帽16、垫圈17和圆环形的弹性嵌件，螺杆15设有两根，两根螺杆15分别位于煤水煤泥排放干管1和柔性放水管4的上方及下方，两根螺杆15均沿水平方向预埋在巷道侧壁10内，安装卡环8上端套在螺杆15上并卡住煤水煤泥排放干管1和柔性放水管4，螺杆15的外端部螺纹连接有将安装卡环8紧固的两个螺母18，所述的垫圈17套设在螺杆15上，螺母18内侧表面通过垫圈17与弹性嵌件压接配合。
垫圈17在圆周表面上开设有第一圆环槽19，防护帽16为内端开口的圆筒状结构，防护帽16的内壁敞口处沿圆周方向设置有第一定位环20和第二定位环21，防护帽16内壁在第一定位环20和第二定位环21之间形成第二圆环槽，第二定位环21内端面与防护帽16内端面齐平，第一圆环槽19与第二圆环槽对应连通形成圆环形的安装腔，所述的弹性嵌件装配在安装腔内。
弹性嵌件包括四个半径均相同、圆心角均为90°的圆弧形结构的限位条22，每个限位条22的外圆周表面均沿圆周方向开设有两道安装槽23，每个限位条22的一端沿垂直方向开设有一个安装孔24，第二定位环21自内而外通过四个定位螺钉27对应穿过一个安装孔24与第一定位环20螺纹连接，每个限位条22的中部外侧开设有与两道安装槽23均连通的且横截面呈L型的卡槽25，卡槽25内设有U型弹簧26，U型弹簧26的两根簧臂对应装配在两道安装槽23内并与防护帽16内壁顶压配合，U型弹簧26的两根簧臂均指向相邻一个限位条22穿设有定位螺钉27的一端。
垫圈17外圆周在第一圆环槽19外侧的部分28呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条22沿径向方向的厚度均外厚内薄。
柔性放水管4的进水口高于柔性放水管4的出水口的高度h1≥1.3m，柔性放水管4的U型结构14底部与柔性放水管4出水口的高差h2≧0.65m。
煤水煤泥排放干管1上设置有邻近三通管接头5的控制阀29。
在具有一定坡度的巷道内部，安装好本发明，确保在不需要施加外部作用力的情况下，仅利用重力作用通第一过滤网12和第二过滤网13的过滤即可将煤、水分离。根据抽采负压大小计算确定柔性放水管4的出水口与进水口的水平高差，保证h1≧hH2O（hH2O为瓦斯抽采负压下对应的水柱高度，hH2O≥1.3m）即gh1≧p（p为抽采负压，p≥13KPa），此处高差用于避免在抽采负压影响下，本发明中的水被倒抽回瓦斯抽放管路中，从而使整个系统失效；柔性放水管4的U型结构14底部与其出水口的高差h2也应该大于1/2hH2O即：h2≧0.65m，避免在本发明装置维修或检查后，启泵的短时间内，柔性放水管4的U型结构14内存储的水被倒抽回抽放管路中，以此便保证了整套系统安全可靠的自动放水的功能。
本系统与瓦斯抽采管路6和瓦斯抽采联管7的三通管接头5连接，也可在抽采管路易出现积水的地方安装。瓦斯抽放过程中，打开控制阀29，瓦斯抽采管路6和瓦斯抽采联管7中的水、煤泥等混合物质在重力作用下经三通管接头5进入煤水煤泥排放干管1内，经过第一过滤网12（孔径为2mm）过滤筛分，颗粒小的煤泥、水继续沿煤水煤泥排放干管1继续向下流动，颗粒较大的煤粉、煤泥沿煤水分离支管2进入煤渣沉积管3逐渐沉淀累积，为防止煤水分离不够充分，煤水煤泥排放干管1中的流体会经过第二过滤网13（孔径为0.5mm）再次过滤，含有极少杂质的水最终经进入柔性放水管4后排出。
本发明中防锈防松螺杆15紧固连接结构9的具体安装方法和使用原理为：先把四个U型弹簧26对应安装到四个限位条22的卡槽25和定位槽内，再把一个限位条22放置到第二圆环槽内，使用一个定位螺钉27将这个限位条22固定，接着依次把另三个限位条22使用定位螺钉27固定到第二圆环槽内，四个定位螺钉27均为沉头结构，由于U型弹簧26的作用，四个限位条22的活动端均凸出第一定位环20内壁和第二定位环21内壁；然后把螺母18拧到螺杆15上，操作者手持防护帽16，套到螺母18和螺杆15外部沿轴向方向朝向第二墙体方向用力按压，由于垫圈17外圆周在第一圆环槽19外侧的部分28呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条22沿径向方向的厚度均外厚内薄的结构，即四个限位条22的内壁与垫圈17外壁之间的圆锥状配合结构很容易将四个限位条22按压到垫圈17外圆周的第一圆环槽19内，在U型弹簧26的作用下，四个限位条22内壁紧紧地顶压在第一圆环槽19的圆周壁上，防护帽16被牢牢地与螺栓一体固定，起到良好的防松和防潮作用。由于巷道内湿热，在螺杆15上设置独特结构的防锈防松螺杆15紧固连接结构9，即使用防护帽16将螺母18和螺杆15端头罩住，防护帽16与垫圈17通过活动嵌件锁死不会脱出，从而将起到对螺杆15和螺母18密封，起到良好的防潮、防锈蚀的作用，并可保证螺母18不会脱离螺杆15。
本发明在整个放水过程中，煤渣沉积管3中会逐渐累积有大量的煤粉煤渣，一般保证每周进行一次清理疏通工作，该操作可通过关闭控制阀29（平时处于常开状态，）后，打开煤渣沉积管3两端设置的蝶形阀11（平时处于关闭状态），使用直径略小于煤渣沉积管3的工具进行疏通，该过程操作简单，清理效果显著。煤泥煤粉沉积管内无沉积死角，克服了现有装置易堵塞、难清理的弊端。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统，其特征在于：包括煤水煤泥排放干管、煤水分离支管、煤渣沉积管和柔性放水管，煤水煤泥排放干管的进水口通过三通管接头分别与瓦斯抽采管路和瓦斯抽采联管连接，煤水煤泥排放干管的出水口与柔性放水管的进水口连接，煤水煤泥排放干管的出水口的高度低于煤水煤泥排放干管的进水口的高度，煤水分离支管设有两根，两根煤水分离支管的上端分别连接在煤水煤泥排放干管的底部，煤渣沉积管平行于煤水煤泥排放干管设置并位于煤水煤泥排放干管下方，两根煤水分离支管的下端分别连接在煤渣沉积管的顶部，煤水煤泥排放干管和柔性放水管分别通过若干组安装卡环和防锈防松螺杆紧固连接结构固定设置在巷道侧壁上，煤渣沉积管的两端分别设置有一个蝶形阀；煤水煤泥排放干管内设置有第一过滤网和第二过滤网，第一过滤网位于两根煤水分离支管之间的位置，第二过滤网位于位置较低的煤水分离支管与煤水煤泥排放干管的出水口之间的位置；第一过滤网的孔径为2mm，第二过滤网的孔径为0.5mm；柔性放水管的出水端呈U型结构折弯设置，柔性放水管的进水口的高度高于柔性放水管的出水口的高度；
每组防锈防松螺杆紧固连接结构均包括螺杆、防护帽、垫圈和圆环形的弹性嵌件，螺杆设有两根，两根螺杆分别位于煤水煤泥排放干管和柔性放水管的上方及下方，两根螺杆均沿水平方向预埋在巷道侧壁内，安装卡环上端套在螺杆上并卡住煤水煤泥排放干管和柔性放水管，螺杆的外端部螺纹连接有将安装卡环紧固的两个螺母，所述的垫圈套设在螺杆上，螺母内侧表面通过垫圈与弹性嵌件压接配合；
垫圈在圆周表面上开设有第一圆环槽，防护帽为内端开口的圆筒状结构，防护帽的内壁敞口处沿圆周方向设置有第一定位环和第二定位环，防护帽内壁在第一定位环和第二定位环之间形成第二圆环槽，第二定位环内端面与防护帽内端面齐平，第一圆环槽与第二圆环槽对应连通形成圆环形的安装腔，所述的弹性嵌件装配在安装腔内。
2.根据权利要求1所述的富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统，其特征在于：弹性嵌件包括四个半径均相同、圆心角均为90°的圆弧形结构的限位条，每个限位条的外圆周表面均沿圆周方向开设有两道安装槽，每个限位条的一端沿垂直方向开设有一个安装孔，第二定位环自内而外通过四个定位螺钉对应穿过一个安装孔与第一定位环螺纹连接，每个限位条的中部外侧开设有与两道安装槽均连通的且横截面呈L型的卡槽，卡槽内设有U型弹簧，U型弹簧的两根簧臂对应装配在两道安装槽内并与防护帽内壁顶压配合，U型弹簧的两根簧臂均指向相邻一个限位条穿设有定位螺钉的一端。
3.根据权利要求2所述的富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统，其特征在于：垫圈外圆周在第一圆环槽外侧的部分呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条沿径向方向的厚度均外厚内薄。
4.根据权利要求1-3任一项所述的富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统，其特征在于：柔性放水管的进水口高于柔性放水管的出水口的高度h1≥1.3m，柔性放水管的U型结构底部与柔性放水管出水口的高差h2≧0.65m。
5.根据权利要求1-3任一项所述的富水煤层瓦斯抽采钻孔自动放水系统，其特征在于：煤水煤泥排放干管上设置有邻近三通管接头的控制阀。
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