瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置分析

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0引言

焦作矿区主采的二1煤层构造煤发育且不具备开采保护层条件，施工穿层钻孔预抽成为区域瓦斯治理的必然选择。然而由于煤层瓦斯压力大、含量高，井下钻孔施工期间，极易出现钻孔内煤屑和瓦斯短时间内连续喷出的现象，一旦控制措施不到位，将会造成施工作业现场瓦斯浓度超限，甚至引发瓦斯事故。特别是单一低透气性煤层水力化增透措施的推广应用，进一步加剧了钻孔的喷孔强度，造成简易防喷装置失效，即使在防喷装置末端采取软密封进行主动防护，仍无法有效阻止剧烈喷孔条件下钻孔瓦斯的喷出。国内一些学者根据防喷的机理及其现场应用，分析了喷孔的原因，根据喷孔原因研制了较多的产品，并在现场得到了应用。针对穿层钻孔施工之后冲煤量的计量问题以及水力冲孔之后煤水混合物的分离等，研制了履带式煤水（气）分离及计量输送装置、煤矿水力冲（钻）孔煤水分离及水循环利用成套装备。有些些煤矿开展了瓦斯电闭锁及实用电路的研究，在煤矿井下出现因局部通风等原因造成瓦斯积聚现象时，能正确使用瓦斯电闭锁及时切断电源，是预防瓦斯事故的有效措施。本文针对防喷装置存在的问题，结合钻孔瓦斯喷孔突发性以及喷孔强度的随机性影响，人工停钻、二次防护往往具有明显的滞后效应，研发了瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置，实现井下作业环境瓦斯浓度实时监测及施工钻机电源闭锁、气动密封自动控制，对有效杜绝钻孔施工期间瓦斯涌出引发超限，大幅提高现场作业人员安全具有重要意义。

1瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置设计

当孔口回风侧甲烷传感器检测到甲烷超过设定值（根据现场情况确定）时，甲烷传感器向PLC控制箱发出信号，PLC控制箱控制钻机开关停电，钻机停止运转；同时控制气动箱动作，依靠环形气缸推动环形实体胶圈在锥形腔体内向前位移，环形实体胶圈通过挤压变形抱死钻杆，排渣管口的气动蝶阀与环形气缸并联，环形气缸动作的同时，气动蝶阀同步关闭，钻孔瓦斯通过防喷装置抽气口和钻杆未抽装置进入抽采管道，达到主动、快捷和准确密封，有效避免瓦斯喷孔时造成瓦斯超限的事故。当钻瓦斯浓度下降达到安全范围后，PLC控制气动箱动作，环形气缸拉动锥形胶圈向后位移归位，排渣口气动蝶阀同步打开，PLC控制恢复钻机供电，重新启动钻机可开始正常钻进。

2整体设计方案

瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置的工作流程如图1所示，主要包括PLC控制系统、激光甲烷传感器（0~100%）、本安型电磁阀、气动控制系统、环形气缸、气动蝶阀。

2.1PLC控制系统设计

PLC控制系统在激光甲烷传感器的配合下，实现PLC控制系统对电磁阀和钻机开关控制。当瓦斯浓度达到上限设定值时，PLC控制系统发出指令，电磁阀开启一路气源，完成环形气缸推进及气动蝶阀的密封动作，钻机开关同时形成瓦斯闭锁的状态。当瓦斯浓度下限设定值时，PLC控制系统再次发出指令，电磁阀开启另一路气源，使环形气缸和气动蝶阀恢复至打钻状态，为避免自动送电造成的安全隐患，即使瓦斯浓度低于设定值下限，必须人工确认安全后，方可送电作业。

2.2气动抱紧密封装置设计

在防喷装置腔体内加装气缸及锥形腔体，在腔体内放置高分子弹性胶圈，为防止喷孔时有过多的煤渣进入锥形腔体，在腔体前设置1道毛刷作为屏障。气动抱紧密封防喷装置图如图2所示。根据钻杆直径及钻头直径，可选橡胶内径φ100~φ120mm装配，通过在锥形腔体内挤压后最小内径为φ62~φ79mm，小于常规钻杆最小直径φ63.5～φ89mm，从而可以达到密封钻杆空隙的目的。按照设计方案进行加工后，在地面进行模拟试验，将钻杆放入密封放喷装置内，开启气源，环形气缸推动锥形高分子弹性胶圈，高分子弹性胶圈在锥形套内滑动。在变径约束下，高分子弹性橡胶圈可以有效抱紧（密封）钻杆，将钻杆提起时，腔体紧紧包裹住钻杆被同时提起；在腔体上部加水，可实现密封不漏水、不漏气，说明胶圈经挤压后起到了较好地密封作用。

2.3气动挤压式固孔密封装置设计

通过现场考察发现，孔口防喷装置在使用过程中孔口固定存在较大问题，挤压式密封方式，虽然安装固定较为方便，但在打钻作业时，往往受钻杆旋转的影响，造成松动。旋转挤压式固孔方式，旋转手柄使用较长时间后由于煤渣的堵塞出现旋转困难，无法达到密封固孔的效果。针对此问题，提出一种气动挤压式固孔密封装置。需要固孔密封时，打开气源控制阀，通过环形气缸推杆挤压高分子膨胀胶圈密封，施工完毕时，开启另一路气源控制阀，将膨胀胶圈拉至复原位置，避免膨胀胶圈不能自主复原的问题。

2.4排渣口密封装置设计

打钻冲孔期间，瓦斯易漏通道主要集中在钻孔孔壁与固孔装置结合处、防喷体与钻杆结合处及排渣口处。前2种易漏通道已经得到有效的控制，为此设计一种排渣口联动密封装置，如图3所示，在条缝式煤水分离池上，设计安装排渣口联动密封装置的固定座，排渣口、进渣口分别通过法兰与气动蝶阀相连，进渣口另一端与防喷装置的排渣口相连。当设定的巷道瓦斯浓度达到设定值时，PLC控制器驱动电磁阀，打开控制气源，气源同时驱动抱紧密封装置与排渣口密封装置，形成联动。也可根据现场使用效果，在排渣口密封装置气源增加延迟器，使抱紧密封装置与排渣口密封装置形成时间差。此时，瓦斯易漏的3个通道均形成密封状态，钻孔瓦斯通过防喷装置上端的抽气口进入抽放系统，有效的避免喷孔时，造成的瓦斯超限事故。PLC激光甲烷传感器电磁阀钻机开关气动系统环形气缸气动蝶阀

3现场应用效果及优化

瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置完成组装后，在九里山矿1607运输底抽巷开展了工业性试验，结合钻机与巷道甲烷传感器的悬挂位置，不断调整PLC控制系统采集巷道瓦斯的位置，确定了钻孔瓦斯与PLC控制系统采集的最佳位置，经过多次现场试验，PLC控制系统可以准确的、及时的发出指令，各气动装置准确完成密封动作，达到了设计的要求。（1）存在的问题①瓦斯电闭锁式气动密封装置对气源压力有一定的限制，当气源压力低于0.4MPa时，环形气缸无法将高分子弹性橡胶圈推到设计位置，造成高分子弹性橡胶圈与钻杆间隙过大，达不到密封的效果。②排渣口密封装置在正常打钻、冲孔时，处于敞开的状态，抽放负压较低时，部分瓦斯通过排渣口排到巷道中，增加了巷道的瓦斯浓度。（2）改进及优化①对气源压力低于0.4MPa时，增加1个气动增加阀，增压范围可达到0.2~2MPa，满足于气缸的工作压力，解决了气源压力不足时，密封效果不好的问题。②对排渣口瓦斯涌出的问题，重新设计一种气动旋转式密封装置，如图4所示。该装置内部由刮板、柔性密封胶皮将旋转腔体等分成3个相对独立的空间，刮板旋转期间，始终保证有至少1块刮板将上部入口与下部出口之间腔体隔开，以保持排渣管路一直处于密闭状态。通过气动马达带动叶片，实现连续密闭式自动排渣，阻断了瓦斯通过排渣口涌出。经过多次试验，该装置的可靠性达到了设计的要求。

4结语

（1）针对钻孔瓦斯喷孔突发性以及喷孔强度的随机性影响，采取人工停钻、二次防护往往具有明显的滞后效应，进一步增大了现场施工人员作业的安全风险。通过瓦斯电闭锁式防喷装置的应用，有效避免了喷孔时的瓦斯超限事故。（2）气动式固孔密封装置，解决因煤渣的堵塞手柄旋转困难及安装时间过长的问题。气动式固孔密封装置可与孔壁紧密结合，有效防止了孔口漏气现象，并在钻孔喷孔的情况下得到了检验。（3）气动旋转式密封装置，实现了连续密闭式自动排渣，阻断了打钻冲孔期间瓦斯涌出的通道，有效降低了打钻地点瓦斯浓度，保障了安全作业。

参考文献：

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作者:魏培瑾 李学臣 郝殿 张清田 薛文涛 毋杨 单位:焦作煤业集团有限责任公司科学技术研究所