瓦斯抽放自动放水器设计

1课题来源和意义

矿井瓦斯是地下成煤过程中的一种伴生物,其主要成分是甲烷.甲烷是一种无色无味无臭的气体,比空气轻,相对密度为0.554.

瓦斯事故是我国煤矿生产中最严重的灾害之一,不仅严重危及矿工的生命安全,而且也给死难矿工家属造成极大的痛苦和难以挽回的损失,造成不良的社会影响,并且对作业的安全性和经济效益带来巨大的负面影响.因此,防治瓦斯灾害,保证煤矿安全生产和矿工的生命安全是煤矿安全工作中迫切需要解决的问题.所以，瓦斯的及时抽放就变成采掘作业中极为重要的前提和安全工作的重要手段。 因此，诞生了瓦斯抽放理论与技术。

自从在煤层抽放瓦斯以后，瓦斯事故得到极大的减少，对矿工的安全和矿主的经济效益都带来极大好处，所以瓦斯抽放技术得到飞速发展，瓦斯抽放设备得到长足进步。

但是，随着社会的发展，技术的进步，矿井开采深度不断增加，生产规模迅速扩大，这就导致一系列技术和安全问题，例如高瓦斯含量矿井的日益增多，矿难事故频繁发生，所以如何高效、快速的抽放瓦斯变得空前重要。

现在瓦斯抽放效率难以提高，主要有三方面的原因：

（1）并网问题。瓦斯抽放瓦斯效果的好坏，主要取决于钻孔布置及管路设计的合理性，而钻孔布置是否合理则和钻孔抽放瓦斯的有效影响半径、钻孔的布置方式、孔径的大小等因素有关，而管路的设计则和管网的铺设和管径的合理配置有关，所以所牵涉的问题应根据矿井的具体条件分析、计算加以确定。

（2）封孔问题。抽放钻孔的封孔是将特定尺寸和材料的套管严密牢固地安置在钻孔内，同时起到与抽放管网连接和防止孔口段岩体漏气的作用。 封孔一般应满足密封性好，操作方便，速度快、材料或设施便宜等要求。封孔长度，岩石孔一般不少于

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2m一5m；煤孔一般不少于4m一10 m；并且封孔段应处于应力集中区为好。 目前，可采用的封孔方式有：机械式封孔器封孔、充填材料封孔(其中包括水泥砂浆、黄泥，以及聚氯酯封孔)。从目前应用效果来看，以聚氨酯封孔为好。但其成本较高，而且原材料有效期短。在选择封孔方式时．应根据封孔地点的钻孔周围裂隙发育程度来确定。一般认为：对于岩石致密、服务期不长的钻孔可采用机械式封孔器，其特点为施工方便，且封孔器可重复使用；对于煤岩强度不高，且封孔深度较长的钻孔，宜采用充填材料封孔；而对于邻近层卸压油放钻孔，则除应适当增加封孔段长度外，还应改进套管材质与封孔材质．以保证在抽放过程中不发生漏气现象。

（3）水堵问题。所谓水堵问题就是抽放管路中的液态水不能及时排出管路而造成压力损失。抽放过程中，煤岩层中的液态水不可避免靠自重及负压流入抽放管路。由于温差效应,管路中的汽态水也会凝结成液态水,这些水量增多,会造成局部管路有效截面明显变小,甚至堵塞抽放管路,严重影响抽放效果，所以现场抽放过程中水堵问题极为突出。而解决水堵问题的关键设备就是放水器。因此，我们提出此项课题——自动放水器的改进。

放水器在工作现场极为重要，安装放水器前后效果如下表1-1，1-2

表1-1 处理管路水堵前后抽放负压统计

孔 号 6 7 8

处理前负压（Kpa） 测试次数 9 11 11 最大 14 14 13 最小 3 4 2 平均 6.2 6.3 6.4 处理后负压(Kpa) 测试次数 5 7 7 最大 16 20 17 最小 9 10 10 平均 11.8 13.7 12.4 2

表1-2 处理管路水堵前后抽瓦斯浓度统计 孔 号 6 7 8 处理前负压（Kpa） 测试次数 9 11 11 最大 20 20 23.4 最小 6.2 1.6 4.8 平均 11.6 7..5 11.7 处理后负压(Kpa) 测试次数 5 7 7 最大 15.2 13.2 30 最小 0.4 2.2 18.6 平均 5 11.3 23 2矿井瓦斯抽放技术与进展

2.1 瓦斯抽放

2.1.1瓦斯抽放的作用

简单来说,瓦斯抽放的作用就是为了减少和消除瓦斯威胁,保障煤矿生产安全,主要表现为以下几个方面:

(1) 瓦斯抽放可以减少开采时的瓦斯涌出量,从而可减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故,是保证

安全生产的一项预防性措施.

(2) 瓦斯抽放可以减少通风负担,降低通风费用,还能够解决通风难以解决的难题.

(3) 煤层中的瓦斯同煤炭一样是一种地下资源,将瓦斯抽出来送到地面作为原料和燃料加以

利用,”变害为利”|、“变废为宝”，可以收到可观的经济效益。

(4) 将瓦斯抽出并加以利用，可减少由于排放瓦斯到大气中而形成的温室效应，起到保护

环境的作用。

2.1.2国内外矿井瓦斯抽放现状

煤矿井下瓦斯抽采是一个综合性的系统工程，在瓦斯涌入巷道之前对其进行拦截和采集，使其沿着与巷道隔离的瓦斯管路将其送到地面。

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瓦斯抽放工作历史悠久．据资料记载。早在1730年．英国whiMhdMn煤矿Saltom竖井掘至76．8m深，遇到一层厚0．61m的煤(其下部有0.15m的黑色页岩)时．有瓦斯涌出。当时人们用管密闭后，将瓦斯引至井外，以供当地一批学者的实验室用。原苏联在帝俄时期，大约于1907年在尤索夫克的中央矿井内把莫梁宁诺夫层的邻近层大量喷出的瓦斯进行引排．10年内依靠自然的压力，每日涌出的瓦斯量达4000 m’；马克耶夫救护站的工作人员也曾于1912年在伊万矿井中设法引排大量喷出的瓦斯。l923年日本在夕张煤矿把最上部坑道密闭后，接管将自然涌出的瓦斯排至地面；1934年新幌内煤矿开始第一次抽放密闭瓦斯，用粘土封闭该矿的四导煤层的采空区．抽出瓦斯浓度为60％一70％。

世界各国正规的抽放瓦斯工作是从40年代末至50年代切开始的；随后．抽放方法不断增加．瓦斯抽放技术也逐渐提高，抽放规模日益扩大。据有关资料统计表明：在195l—1987年间．世界煤矿瓦斯抽放量基本上是呈线性增加，自1951年的134×10m增至1987年的5430×10‘10m，增加了39倍。这种瓦斯油放量的迅速增加，一方面是由于瓦斯抽采技术及设备性能的提高．使单个抽放矿井平均年抽放量增大；另一方面则是由于随着煤炭产量增大和矿井向深部的延伸，高瓦斯矿井增多，导致了抽放瓦斯矿井数增加。据有关资料统计表明：到目前为止．世界上已有17个采煤国家进行了瓦斯抽放，世界上各主要采煤国家几乎都开展了瓦斯抽放工作，其中，年抽放量超过100×10m的国家有10个、即原苏联、美国、中国、英国、德国、日本、波兰、原捷克斯洛伐克、法国、澳大利亚。

我国最早记载煤矿排放瓦斯是在宋应星所著《天工开物》(1637年)中。当时．记载了利用竹管引排煤矿瓦斯的方法。1938年抚顺龙风矿进行了具有工业规模的机械抽放瓦斯试验。1940年，该矿在地面建立了一座100m的储瓦斯池，用瓦斯泵将采空区的瓦斯经管路抽到池内，供给当地层民使用。当时，抽出的混合气体流量约10m／min、甲烷浓度为30％一40％。1951一l954年，该矿又先后试验成功了利用煤层巷道和钻孔预抽煤层瓦斯的方法，尤其是钻孔预抽煤层瓦斯的方法，为大规模预抽煤层瓦斯开创了新的技术途径。随后，1957年，阳泉矿务局四矿又试验成功了采用穿层钻孔抽放上邻近层卸压瓦斯。自此．我国煤矿瓦斯抽放工作有了迅速的发展，其发展速度和规模可从抽放矿井数及年抽放量中得到反映：50年代，我国主要有抚顺、阳泉、天府、北票等矿区的6对矿井抽放瓦斯．年抽放

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量仅有60×10m；60年代，中梁山、焦作、淮南、南桐、松藻、包头等矿区也进行了瓦斯抽放，抽放矿井数增至20对．年抽故量约160×10m3；70年代，抽故矿井数则增至83对矿井．年抽放量达248×10m；80年代，抽放矿井数达111对矿井．年抽放量达380×10m；到90年代，年抽放量达500×10m。从中可以看出．我国瓦斯抽放工作经过40多年的发展，有了长足的进步。

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2.1.3我国煤矿瓦斯抽采存在的问题及发展方向

目前我国采用的矿井瓦斯抽放技术主要是井下瓦斯抽放，现有井下抽放技术包括：本煤层钻孔抽放、邻近层钻孔卸压抽放、采空区钻孔抽放、穿层钻孔抽放和开掘专用瓦斯巷道密闭抽放等技术方法。

现有抽放技术存在的问题有： (1)抽放时间短

瓦斯抽放率随抽放时间延长而增大。对透气性系数低于10mD的低透气性煤层，要达到较高的抽放率，预抽时间不能短于6—8个月。由于我国的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井都程度不同地存在采掘失调，采煤工作面预抽瓦斯的时间普遍不足，据焦作、鹤壁、平顶山、淮南、淮北、抚顺、铁法等矿区的统计，突出煤层采煤工作面预抽瓦斯时间最长为8个月，最短仅为1个月，平均预袖时间只有3.3个月。

(2)钻孔工程量不足

抽放钻孔具有输送瓦斯和提高煤层透气性的双重作用。钻孔工程量不足是导致瓦斯抽放率偏低的主要原因之一。我国约有80％以上的高瓦斯和突出危险工作面采用本煤层预抽，单个工作面抽放钻孔长度一般为15000一35000 m，钻孔总长度数值很大，但吨煤钻孔长度数值却极小。据焦作、鹤壁、平顶山、晋城、潞安、淮南、淮北、铁法等矿区的不完全统计，采煤工作面吨煤预抽钻孔长度最多为0.04m，最少只有0.0065m，平均仅为0.018m。实施邻近层瓦斯抽放的矿区也存在同样的问题，部分矿区的邻近层抽放钻孔瓦斯流速高达30一50 m／s，远远超过瓦斯抽放的经济流速，抽放钻孔数量严重不足。

(3)封孔质量差

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孔底抽放负压具有引流瓦斯和强制瓦斯解析的功效，封孔质量的高低直接关系到瓦斯抽放效果的好坏。目前，我国约有2／3的瓦斯抽放矿井仍然采用黄泥或水泥砂浆封孔，甚至少数开采近水平或缓倾斜煤层的矿井也采用水泥砂桨封孔，封孔长度短而且密封质量很差。我国约有65％的采煤工作面预抽瓦斯浓度低于30％，充分反映了抽放钻孔封孔质量差的现状。

(4)抽放系统不匹配

近年来，我国政府利用国债资金对部分煤矿的抽放系统进行了更新改造，抽放系统不匹配的状况有了一定的改观，但这种现象仍然非常普遍：部分矿井抽放泵能力不足，极限抽放流量小，真空度低，不足以克服抽放管道的沿程阻力，部分矿井抽放泵能力虽然较大，但选用的抽放支管甚至主干管管径太小，抽放泵产生的负压绝大部分消耗在抽放管道的沿程阻力损失上；其结果是，这些矿井的本煤层预抽钻孔孔口负压不到490 Pa，有的甚至靠正压自排。

(5)管理不到位

管理不到位是造成我国煤矿瓦斯抽放效果差的重要原因。管理不到位具体表现为：部分矿井没有专门的瓦斯抽放队伍；钻孔施工质量缺乏监管，不按设计施工抽放钻孔，虚报钻孔长度；抽故系统不按规定安设计量装备、监测设施和放水器，不进行抽放系统的定期维护和检漏等等。

要解决以上问题需从下面六个方面做起： (1)改善采掘平衡，确保抽放时间 （2)改革打钻工艺，增加吨煤孔长 （3）强化综合抽放瓦斯

（4）推广聚氨酯封孔工艺，提高封孔质量 （5）优化抽放系统，提高抽放能力 （6）加强管理，健全制度

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2.2瓦斯抽放系统

能够造成一定负压将瓦斯从煤层中抽出并安全运送到地面上来的机械设备，称为瓦斯抽放设备。有瓦斯抽放设备和管路构成的系统称为瓦斯抽放系统，它主要由瓦斯泵、管路系统、安全装置放空管、避雷器等几部分组成。 （1） 瓦斯泵

国内常用的瓦斯泵主要有离心式鼓风机、回旋式鼓风机和水环式真空泵三种。其工作原理如下表2-1

离心式鼓风机适用于瓦斯流量大（30—1200 m3/min），负压要求不高（3.9—49kpa）的抽放瓦斯矿井；回旋式鼓风机适用于瓦斯流量较大（1--600 m3/min），负压较高（19.61—88.2kpa）的抽放瓦斯矿井中。离心式和回旋式鼓风机都可以兼作正压鼓风机和负压抽放用，就是说既可以抽出井下瓦斯，又可以同时往用户输送。水环式真空泵，适用于瓦斯抽出量小，煤城透气性低，管路系统阻力大，需要负压抽放瓦斯的矿井。同时，适用于抽出瓦斯浓度较低或经常变化的矿井，特别适用于浓度变化大的邻近层抽放的矿井。

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表2-1 常用瓦斯泵工作原理

（2） 抽放管路

瓦斯抽放管路系统包括：

1主管。用以抽排和输送整个矿井或几个抽放区的瓦斯。主管管径为250—426mm。 ○

2分○（干）管。用于抽排和输送一个抽放区或一个阶段的瓦斯。分（干）管管径为150--250mm。 3支管。用于抽排和输送一个工作面或一个钻场的瓦斯，支管管径为100—150mm ○

4附属装置。包括用于调节、测定管路中的瓦斯浓度、流量和压力的阀门，测量装置以及○

放水装置。

瓦斯抽放管路系统的铺设应根据矿井的开拓系统、巷道状况、钻场位置、瓦斯流量等

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因素而定。应尽量做到：并下抽放管路出气系统设于凹风巷道内；抽放管路在铺设时必须吊挂平直，离地高度不小于300mm；必须保证抽放系统中所打管路的接头严密、不漏气，正式抽放前，必须对所有抽放管路进行试通、试漏：管路铺设在有提升运输的巷道内时，抽放管路与矿车最外缘的间隙必须大于700mm；严禁瓦斯管路与电缆同侧吊并及与带电物体接触；设有抽放管路的巷道需要进行维修时，必须制定保护抽放管路的措施，防止砸坏瓦斯管路；瓦斯抽放管路要每院一定距离或在高度起伏变化处留有放水三通，以便在管路发生积水及有杂物堵塞时采取措施处理。 （3） 安全装置

1 “三防”装置。所谓三防装置是指安设在地面瓦斯抽放泵吸气管路中具有防回火、○

防回气和防爆炸作用的安全装置。正常情况下，高浓度瓦斯在抽放输送过程中，一般不会发生爆炸事故。在井下抽放系统被损坏、管路积水堵塞或损坏，进气瓦斯浓度降低时，遇有火源就可能导致瓦斯爆炸；也可能由于突然停机，机械故障使抽放失常和地面放空管受雷击起火而发生回气燃爆等事故。因此，《煤矿安全规程》规定，干式瓦斯抽放泵吸气侧管路系统中，必须装设有防回火、防回气和防爆炸作用的安全装置，并定期检查，保持性能良好。目前国内采用的三防装置，其结构大致可分为：水封式、铜网式、板片式、卵石式、多能式等几种类型。

2放水装置。○瓦斯抽放管路上的放水装置有很多种形式，大致可分为人工放水器和自动

放水器两种。 （4）放空管

瓦斯泵进、出口侧应设立放空管，当瓦斯泵因故停抽成瓦斯浓度低于规定时，抽放管路中的瓦斯可经放空管排到大气中去。放空管出口至少高出地面l0 m．而且至少高出20 m范围内建筑物3m以上；放空管必须接地；放空管周围有高压线或其他易燃瓦斯因素时，应编制专门的安全措施。放空管的安设位置如图1-1所示。 （5）避雷器

在瓦斯泵房和瓦斯罐附近的较高大的建筑物周围或中心地带应设置避雷器，安设地点如图2-1所示。其主要作用是防止阴雨天气由于雷电引起的电火花而破坏建筑物或点燃

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放空管瓦斯，防止火灾等事故发生。

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图2-1 矿井瓦斯抽放与利用设施布置示意图

1--井下抽放瓦斯区 2--瓦斯钻孔 3--瓦斯钻场 4一钻场分支管 5一抽放区支管 6--抽放区流量计 7一阀门 8—抽放瓦斯主管 9—放水器 10—抽放主管阀门 11—放水器 12—抽放主干管阀门 13一井下抽放主干管 14一地面防爆阻火器 15一放水器 16--避雷器

17--防爆阻火器 18一放空管 19一阀门 20--瓦斯泵 21一阀门 22—放空管 23--阀门 24--流量计 25--避雷器 26一瓦斯罐 27--防爆阻火器 28一地面瓦斯供应干管 29--放水器 30--地面供应住宅区 31--瓦斯发电厂 32一地面瓦斯利用车间 33--井口 34一瓦斯泵房

2．3瓦斯抽放技术参数

2.3.1矿井瓦斯抽放量

目前，全世界大约有565—580个煤矿采取瓦斯抽放措施。1991年瓦斯抽放总量为5.8×10 m，1950--1991年，全世界煤矿瓦斯采出总量为160×10 m。世界部分国家煤矿瓦斯抽放量见表2-2。随矿井瓦斯抽放理论与技术的快速发展，预测到2010年，全球煤层瓦斯抽放量将达到20×10 m。

表2-2 煤炭工业发达国家矿井瓦斯抽放量变化动态 Mm/a 年份 1950 1960 1970 1980 1990 2000 波兰 27 220 258 272 300 德国 14 342 577 691 530 650 英国 9 190 506 495 390 900 法国 5 89 270 268 170 230 澳洲 3 83 164 300 日本 194 227 200 150 200 美国 55 69 128 1180 8000 捷克 12 197 255 332 450 加拿大 10 12 14 40 80 3

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2010 450 750 1000 350 390 300 16000 550 110 我国自开展井下瓦斯抽放以来，矿井瓦斯抽放量一直呈高速增长趋势，1980年我国井下瓦斯抽放量超过1000万m的矿区达到5个，1990年增加到10个，2000年再增至20个。2003年我国矿井瓦斯抽放总量达15.21亿m，比2000年抽放总量增长10.6%。

2003年瓦斯抽放总量大于1亿m的局（公司）有3个，其中阳泉2.5亿m，淮南1.3亿m，抚顺1.1亿m。主要矿务局瓦斯抽放量呈上升趋势的有：辽宁抚顺、山西阳泉、重庆松藻、天府、南桐、重量山、安徽淮南、贵州水城、盘江河六枝、河南焦作和平顶山、宁夏石炭井、四川芙蓉及吉林辽源，其中晋城、淮南和盘江的瓦斯抽放量增长迅速。这些矿务局仍将是我国今后瓦斯抽放的重点。

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2.3.2我国矿井瓦斯抽放率

抽放率是衡量矿井瓦斯抽放技术水平的一个重要指标。在不断增加矿井瓦斯抽放量的同时，随着矿井瓦斯抽放理论、技术与设备方面的突破，我国矿井瓦斯抽放率也在不断提高。1999年全国矿井瓦斯平均抽放率为24.3%，2000年184个国有重点煤矿瓦斯矿井实际抽放利用情况见表2-3

表2-3 2000年184个国有重点煤矿瓦斯的抽放和利用统计情况 实际抽放量/10 m 43抽放浓度/% 抽放率/% 瓦斯利用量/万m 3瓦斯利用率/% 49.9 采取实际 91793 32.26 5--95 矿井实际 2--81 31839.4 2.3.3瓦斯抽放的必要条件

我国是以矿井瓦斯涌出量的大小作为瓦斯抽放的基本条件的，总的原则是：如果利用通风方法不能够将涌出的瓦斯稀释到《煤矿安全规程》允许的安全浓度，就必须考虑进行瓦斯抽放，否则可以不考虑瓦斯抽放。

《煤矿安全规程》规定有下列情况之一的矿井，必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统。

（1） 一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面瓦斯涌出量大于

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3m3/min，用通风方法解决瓦斯问题是不合理的。

（2） 矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：大于或等于40m3/min；年产量100万—150

万t的矿井，大于30 m3/min；年产量60万—100万t的矿井，大于25 m3/min；年产量40万—60万t的矿井，大于20 m3/min；年产量小雨或等于40万t的矿井，大于15 m3/min。

（3） 开采有煤与瓦斯突出危险煤层的。

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3放水器

3.1放水器在瓦斯抽放系统中的应用

瓦斯抽放系统包括地面泵站、 井下管路及抽放钻场。上行抽放时,钻场的钻孔以一定仰角进入煤岩层,煤岩层中的液态水不可避免靠自重及负压流入抽放管路。由于温差效应,管路中的汽态水也会凝结成液态水,这些水量增多,会造成局部管路有效截面明显变小,甚至堵塞抽放管路,严重影响抽放效果。因此,定期及时排放抽放管路中的积水极为重要。所以需要安装放水装置，即放水器。

3.1.1自动放水器工作原理

放水器分为人工放水器，u型放水器，负压自动放水器等。下面我介绍一下负压自动放水器的工作原理。负压自动放水器结构如图3-1

图3-1

1—进水管 2—进气阀 3—通负压管 4—通大气阀 5—磁铁 6—侧向导杆

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7—托板 8—滑筒 9—中心导杆 10—浮筒 11—放水阀

该放水器适用于管内负压在0—0.9Mpa之间、最大放水量为10L|min的条件下，其工作原理为:

放水器的进水管和负压平衡管均与瓦斯管路连通.起初,浮筒与托盘均处于最低位置,负压平衡管与进水阀开启,在瓦斯管路的负压作用下,大气阀与进水阀均处于关闭状态此时瓦斯管路的水可通过进水管流进放水器。随着桶内积水的增多，待水位上升到足以足以浮起浮漂时，浮漂将随着水位的上升而沿其导杆逐渐上升。当浮漂碰到托盘且浮力大于浮漂与导向杆的总重力时，浮漂将和托盘及导向杆一同随水位上升。当升至一定高度时，托盘的磁铁与放水器盖下面的磁铁突然吸合，此时托盘上的密封胶板将负压平衡管堵死，侧向导向杆把通大气阀顶开。由于桶内与大气相通，进水阀即关闭。由于空气进入放水器使桶内外压力相等，在积水的静水压力作用下，放水阀被打开，开始放水。放水速度取决于桶内液面高度和放水管直径大小。随着水的不断流出，浮漂和导向杆徐徐下降，这时托盘在磁力与负压作用下仍固定在桶盖下面不动。当水位继续下降，浮力减小，待磁力与负压作用之和小于浮漂、托盘和导向杆重力时，托盘与导向杆即被拉下，致使负压平衡管开启，放水器重新与瓦斯管路相通，通大气阀与放水阀在大气作用下关闭，浮漂与托盘的位置又处于初始状态。如此周而复始，即可实现自动放水。

3.1.2 应用效果

(1)系统状况明显好转。人工放水时 ,每小班放1次 ,由于放水间隔时间长 ,管路中难免积存大量的水 ,使管路有效截面缩小 ,沿程阻力增加 ,抽放负压大量消耗在中途环节。使用自动放水器后 ,系统中各放水器不定期自动向外放水 ,管路畅通 ,因而阻力小 ,钻场有效负压增大 ,煤层中的游离瓦斯顺利进入钻孔中 ,由于钻孔附近煤层中瓦斯压力降低 ,吸附瓦斯很快转变为游离瓦斯。同时临近高压区瓦斯向低压区运动 ,钻孔抽放半径自然增大。大量瓦斯抽到地面 ,实现了抽放系统的根本好转。自动放水器使用前后系统状况对比见表3-1 ,表3-2。（该数据得自在潞安集团屯留矿实习期间）

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表3-1 处理管路水堵前后抽放负压统计 孔 号 6 7 8

表3-2 处理管路水堵前后抽瓦斯浓度统计 孔 号 6 7 8 处理前负压（Kpa） 测试次数 9 11 11 最大 20 20 23.4 最小 6.2 1.6 4.8 平均 11.6 7..5 11.7 处理后负压(Kpa) 测试次数 5 7 7 最大 15.2 13.2 30 最小 0.4 2.2 18.6 平均 5 11.3 23 处理前负压（Kpa） 测试次数 9 11 11 最大 14 14 13 最小 3 4 2 平均 6.2 6.3 6.4 处理后负压(Kpa) 测试次数 5 7 7 最大 16 20 17 最小 9 10 10 平均 11.8 13.7 12.4 (2)有利于采掘工作面瓦斯管理 ,实现安全生产 ,提高单产单进水平。过去虽有抽放系统 ,但由于抽放效果差 ,不能充分发挥效益 ,多数地区投产之后 ,因煤层瓦斯释放程度低 ,大量向采掘工作面涌出 ,受通风系统制约风量难以大量增加 ,造成采掘工作面经常瓦斯超限 ,被迫停掘停采 ,严重威胁矿井安全 ,生产水平难以提高。例如鹤壁矿务局八矿22021回采巷道单进只有60～70m/月 ,工作面单产只有 7 000～8 000t/月。自动放水器使用后 ,改善了抽放系统状况 ,提高了抽放效果 ,缓解了瓦斯管理的难度 ,降低了瓦斯超限事故率 ,促进了单产单进水平的提高。例如24011采面顺利按计划投入生产 ,基本消除了瓦斯经常超限影响生产的现象 ,炮采工作面单产提高到 116～118 万t/月 ,煤巷单进提高到180m/月。

(3)抽放系统管理方便,节省人力,减小电耗,提高机器使用寿命。使用人工放水器时,每小

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班需安排1～2名放水工放水,每年需用工1 180个左右,且管理不便,放水闸门频繁开关,导致外空气进入管路,降低系统负压,影响抽放效果。使用自动放水器后,每周安排1人检查维修 1 遍即可,每年节约用工 1 000余个。又由于管路中水量减少,泵站负压降低,电机负荷变小,减小了电耗,同时避免大量积水进入真空泵,减轻磨损,有利于提高机器使用寿命。

3.2放水器的类型及其优缺点

3.2.1高负压人工放水器

其结构如图所示。图3-2（a）为在管路不高的地方使用；图3-2（b）为在管线比较高的地方。

人工放水器结构简单，安装方便，并且使用可靠，成本低廉，但是它也有很大的缺点。 人工放水器需要定期安排专人放水，但在现场发现人工放水器已难以顾及：抽采队每天四点班安排两名放水工人，对严重水堵地段进行监控和放水作业，但因人员少及影响地段过多，对严重水堵状况既放不及也查不及。

17

（a）

（b）

图3-2 高负压人工放水器结构

a— 卧式 b—立式

1—瓦斯管路 2—放水器阀门 3—空气入口阀门 4—放水阀门 5—放水器 6—活法兰盘

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3.2.2 U型管自动放水器

U型管自动放水器结构如图3-3。U型管为胶管，管路负压应低于水柱高度h，否则放水器不积聚水并将大气吸入管中而降低瓦斯质量。该放水器适用于钻孔孔口或钻场内负压低且稳定的地方。

U型管放水器只能适用于负压很低的地方，并且其易于堵塞，而无法正常放水。

图3-3 U型管自动放水器结构

1—瓦斯管 2-- U型管 3—放水管接头 4—活法兰盘

3.2.3负压自动放水器

其结构如图3-4所示。该放水器适用于管内负压在0—0.9Mpa之间，最大放水量为10L/min的条件下。

负压自动放水器缺点也很多，据观测，在主管和支管上安装有近20个制动放水器，基本不起作用。其安装时必须摆在平坦的位置，否则导杆无法顶开阀门，无法形成放水条件；自动放水器必须及时定期检修，对矿工水平要求较高；自动放水器易于堵塞，且排除堵塞物不方便。

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图3-4 负压自动放水器结构图

1—进水管 2—进气阀 3—通负压管 4—通大气阀 5—磁铁 6—侧向导杆 7—托板 8—滑筒 9—中心导杆 10—浮筒 11—放水阀

3.2.4 I型负压自动放水器

其结构如图3-5.此种类型的放水器也是矿上常用的类型，但是由于我没有见过现场的实际应用，所以不能准确说出其优缺点。

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图3-5 I型负压自动放水器结构图

1--进水管 2--进水口 3—通大气阀 4--外筒盖 5—侧面导向杆 6--磁铁 7—托盘 8--胶垫堵头 9--中心导向杆 10—浮筒 11--外筒 12—挡环 13--放水阀 14—导向座 3.2.5 CWG-FY型负压自动放水器

其结构如图3-6所示。此种类型的放水器也是矿上常用的类型，但是由于我没有见过现场的实际应用，所以不能准确说出其优缺点。

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图3-6 CWG-FY型负压自动放水器结构图

1—通大气阀 2—负压平衡阀 3—磁铁通负压管 4— 托板

5—浮筒 6—外壳 7—保护罩 8—放水阀滑筒 9—进水阀 11—侧向导杆 12--导向座

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—中心导杆 10

4放水器的改进

如上章节中所说，现有放水器存在很多问题，所以改进或创新现有放水器是很有必要的。现在我提出两种改进方案，用以解决一些问题。

4.1集水箱U型管式低负压自动放水器

此方案是针对U型自动放水器所做的改进。改进方案结构如图4-1

此方案是利用一个集水箱和一个U型自动放水器组成。集水箱的作用有两个。一是集水，二是沉淀水中的杂质，防止其进入U型管，造成堵塞。U型自动放水器中，U型管高度h应大于管内负压H。当U型管内积水高度超过h时，积水靠自重压力从U型管管口排出。该放水器适用于孔口或钻场内负压低且稳定的地方。

图4-1改进方案结构图

1—抽放管路 2—放水罐阀门 3—活法兰盘 4—U形管

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5放水罐 6—空气入口阀门 7—排渣口

4.1.1方案的提出背景

U型管放水器安装简便，结构简单，并且放水效果很好，但是，现场使用的U型放水器极易于堵塞，需要频繁维修，排除堵塞物。据此，我根据人工放水器和U型自动放水器的各自优缺点，提出了该方案。

该改进型放水器实际上是有一个人工放水器和一个U型自动放水器组成。但是从结构图中我们可以发现集水箱的底部是倾斜的，为什么？这是因为抽放管路中水的含量很少，并且杂质也很少，管路中的水进入集水箱时，不是流进的，而是滴进的，因此，杂质不会流动，而是积聚在管口下面，时间长了，就会堵塞集水箱与抽放管路的连通。所以，我把集水箱底部改成倾斜形，一是防止上面所说的情况发生，二是易于排渣。当杂质进入到集水箱后，靠自重缓慢滑落到排渣口。排渣时，先关闭放水罐阀门，然后打开空气入口阀门，最后打开排渣口，渣会在自重及水重的作用下排出。

4.1.2方案的可行性分析

该方案简单可靠，能实现自动放水，并且安装简便，排渣简单，所以是可行的。 但是该方案有自己的使用局限性，因为其受到安装高度的限制。U型管高度h必须大于管内负压H，这就要求抽放管路必须安装很高或者要求管内负压很低。例如，屯留矿瓦斯抽放负压为45kpa，据P=?gh可得：

4.5?1000?1000?9.8h h=

4.5?1000??????????????1

1000?9.8 =4.59 即需要瓦斯抽放管路最少安装在4.6米高处。

根据我在现场的观察和询问，发现瓦排巷高度是4.5米，抽放管路安装在离地1米的地方，所以，该方案只能使用在低负压管路上。

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4.2 CGZN型高负压自动放水器

CGZN是“侧杆在内”的缩写，就是侧向导杆在集水状态下已经在连接大气阀和负压平衡阀内部。

该方案是针对负压自动放水器进行的改进。改进方案结构如图4-2.

该放水器适用于管内负压在0—0.9Mpa之间、最大放水量为10L|min的条件下，结构简单，制造方便，工作安全可靠。

图4-2 改进方案结构图

1—进水管 2—进气阀 3—通负压管 4—通大气阀 5—磁铁 6—侧向导杆 7—托板 8—滑筒 9—中心导杆 10—浮筒 11—放水阀 12—过滤器 13—排渣口

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4.2.1方案的提出背景

此方案是针对屯留矿现有自动放水器所做的改进。现有负压自动放水器缺点很多，其安装时必须摆在平坦的位置，否则导杆无法顶开阀门，无法形成放水条件；自动放水器必须及时定期检修，对矿工水平要求较高；自动放水器易于堵塞，且排除堵塞物不方便。针对这些缺点，我作出以下改进：

（1）增加滑筒的长度，使其上面的侧向导杆在初始状态下就已经在阀体内部，避免出现侧向导杆因为筒体倾斜而无法进入阀体，导致无法顶开阀芯而不能形成放水条件的情况发生。 （2）现有负压自动放水器没有排渣装置，这就导致煤屑杂质进入滑筒，增加滑筒与中心导杆的摩擦，甚至会卡死滑筒，影响放水器的可靠性。因此，我在放水器箱内增加了一简易排渣装置，如下图所示。

此装置紧附在放水器箱体内部，围绕放水器半周。当抽放管路中的水和杂质进入放水器后，先流入此装置，待混合物充满此装置时，水会漫出，流入放水器箱内的其他空间。杂质因为密度大，会沉入此装置底部。进水阀在1处上方，所以水和杂质会先接触1处。若1和2在同一水平线，则杂质会囤积在1处，理由在3.1.1中有所叙述（因为抽放管路中水的含量很少，并且杂质也很少，管路中的水进入集水箱时，不是流进的，而是滴进的，因此，杂质不会流动，而是积聚在管口下面，时间长了，就会堵塞集水箱与抽放管路的连通）。

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所以，1处在水平高的位置，2处在水平低的位置。

（3）排渣装置的底部也是倾斜的，从图4-2我们可以看出。这是为了渣能方便的从排渣口排出。当放水器进入到放水状态的同时，也进入到了排渣状态。放水状态时，箱内气压与外界相同，此时水会因重力作用顶开放水阀门，排出箱外。同理，渣也因重力作用，顶开阀门，排出箱外。制成倾斜底部，就是为了更好的利用重力。

4.2.2方案的可行性分析

首先分析流量是否能满足现场需要。

根据我在屯留矿的实习，我了解到该矿实行三班倒工作，每班放一次人工放水器中的积水，并且放水器尺寸为：直径d为350mm，高h为400mm。由此我们可以计算出抽放管路中水的流量Qv.

Qv?V?????????????2 T

2?D? V????h??????????3

?2? =3.14?0.35?0.35?0.4?4 =0.038465 m 故 Qv ?3

0.0384653

=0.0048 m/h=0.00134 L/min 8由此可知Qv远小于10L/min,可行。

其次考虑现场安装情况是否合适。

该放水器总体高度为0.5米，所以完全能满足现场安装环境。

该方案继承了原有负压自动防水器的特点，解决了现场的负压自动放水器的缺点，使其运行的可靠性和安全性得到加强，能更好地为瓦斯抽放系统服务，因此，该方案具有使用和推广价值。

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5集水箱U型管式低负压自动放水器的设计

5.1 结构设计

此方案是利用一个集水箱和一个U型管组成。

5.1.1 集水箱的设计

集水箱的结构如下图5-1所示。

图5-1 集水箱的结构图

1—进水阀门 2—放水口 3—放水罐

4—空气入口阀门 5—排渣口 集水箱的形状是圆筒形的，直径为350mm 箱底与水平线成200 箱体高300mm 材料选用ZG230-450 放水口直径20mm 排渣口直径20mm

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如下图5-2所示

图5-2 放水罐尺寸示意图

安装尺寸见A2图所示

5.1.2 U型管的设计

U型管结构如下图5-3所示

设计U型管时应根据“U型管高度h应大于管内负压H”的原则。 结构图中防尘帽的作用就是防止煤渣落入U型管，造成堵塞。 U型管管壁厚度5mm，采用ZG230-450材料 防尘帽焊接在U型管顶部

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图5-3 U型管结构图 1—防尘帽 2—U型管

5.2 U型管高度h的确定

U型管高度h必须大于管内负压H，即

?gh?Ph?其中 P是抽放负压 ?为水的密度 g为重力加速度

P?????????????4?g6 CGZN型高负压自动放水器

煤矿大量使用的是负压自动放水器，所以，针对其进行改进的方案具有很强的现实意义。下面是对此方案的设计过程介绍。

6.1设计原则和理论

机械设计有六条原则

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(1) 以市场需求为导向的原则

机械设计作为一种生产活动,与市场是紧密联系在一起的.从确定设计课题,使用要求,技术指标,设计与制造工期到拿出总体方案,进行可行性论证,综合效用分析(着眼于实际使用效果的综合分析),盈亏分析直至具体设计,试制,鉴定,产品投放市场后的信息反馈等都是紧紧围绕市场需求来运作的.设计人员要时时刻刻想着如何设计才能使产品具有竞争力,能够占领市场,受到用户青睐. (2) 创造性原则

创造是人类的本领.人类如果不发挥自己的创造性,生产就不能发展,科技就不会进步,也就没有人类的今天.设计只有作为一种创造性活动才具有强大的生命力.因循守旧,不敢创新,只能永远落在别人后面.特别是在当今世界科技飞速发展的情况下,在机械设计中惯窃创造性原则尤为重要. (3) 标准化,系列化,通用化原则

标准化,系列化,通用化简称为”三化”.”三化”是我国现行的一项很重要的技术政策,在机械设计中要认真惯窃执行.

标准化是指将产品(特别是零部件)的质量,规格,性能,结构等方面的技术指标加以统一规定并作为标准来执行.我国的标准已经形成一个庞大的体系,主要有国家标准,行业标准等.为了与国际接轨,我国的某些标准正在迅速向国际标准靠拢.常见的标准代号有GB,JB, ISO等等,他们分别代表中华人民共和国国家标准,机械工业标准,国际标准化组织标准.

系列化是指对同一产品,在同一基本结构或基本条件下规定出若干不同的尺寸系列.

通用化是指在不同种类的产品或不同规格的同类产品中尽量采用同一结构和尺寸的零部件.

惯彻”三化”的好处主要是:减轻了设计工作量,有利于提高设计质量并缩短生产周期;减少了刀具和量具的规格,便于设计与制造,从而降低其成本;便于组织标准件的规模化,专门化,易于保证产品质量,节约材料,降低成本;提高互换性,便于维修;

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便于国家的宏观管理与调控以及内,外贸易;便于评价产品质量,解决经济纠纷. (4) 整体优化原则

设计要惯窃”系统化”和优化的思想.性能最好的机器其内部零件不一定是最好的;性能最好的机器也不一定是效益最好的机器;只要是有利于整体优化,机械部件也可以考虑用电子或其他元器件替代.总之,设计人员要将设计方案放在大系统中去考虑,寻求最优,要从经济,技术,社会效益等各方面去分析,计算,权衡利弊,尽量使设计效果达到最佳. (5) 联系实际原则

所有的设计都不要脱离实际.设计人员特别要考虑当前的原材料供应情况,企业的生产条件,用户的使用条件和要求等. (6) 人机工程原则

机器是为人服务的,但也是需要人去操作使用的.如何使机器适应人的操作要求,人机合一后,投入产出比率高,整体效果最好,这是摆在设计人员面前的一个课题.好的设计一定要符合人机工程学原理.

本次设计用的是浮力、压差和重力方面的基本原理。利用这些原理可知设计时必须满足以下要求：

F浮>G托+G导+G磁+G浮

G托+G导+G磁+G浮>F G阀>F负

其中 F浮——浮筒的浮力

F浮——浮筒的重力 G托——托盘的重力

G导——导向杆的重力 G磁——磁铁的重力

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G阀——通负压阀阀芯的重力 F负——负压对负压阀芯的吸力

F——两磁铁接触时的吸力

6.2 结构设计

6.2.1材料选择

有文九巴主编的《机械工程材料》P80页可知，缸体及缸盖材料选取ZG230-450 浮筒材料选用高强度聚苯乙烯塑料PS

导向座、导杆、滑筒及托板，由于它们经常浸入水中，并且它们之间存在相对滑动，所以，材料选用不锈钢SUS304

阀芯采用黄铜 阀门采用ABS塑料

其余零部件都选用普碳钢45号钢 各种材料的密度如下表6-1

表6-1 密度表 材料 ZG230-450 SUS304 密度? g/ cm3 7.8 7.93 PS 1.1 ABS 1.05 7.8 8.9 45号钢 黄铜 6.2.2放水器尺寸说明

经参照现有自动放水器的结构，得出下列数据：

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缸体内径设为300mm，壁厚10mm，缸体高400mm（除去壁厚）

盖厚10mm

浮筒直径为200mm，高150mm，厚度6mm，中间有一导向孔，孔径为12mm 中心导杆长度为150mm，直径5mm

磁体为环状，内径为12mm，外径为20mm，高10mm 滑筒内径为8mm，外径10mm，高315mm 托板长100mm，宽10mm，高5mm 侧向导杆长度为65mm，直径为5mm

过滤器壁厚3mm，高边高280mm，低边高50mm，绕缸体半周多，并且高边和低边的上部在同一水平线上，离缸盖50mm，另外，过滤器底部与缸体成45

通大气阀阀芯直径10mm，高10mm

负压平衡阀阀芯直径20mm，高20mm，其正中间有一直径为4mm、高为2mm的小槽,并且距圆心6mm 处存在两对称的通孔,直径为2 mm 进水口、放水口、排渣口直径都为20mm

缸盖直径为200 mm 详见下图6-1

0

34

图6-1自动放水器尺寸图

其余部件尺寸及各零件安装尺寸见附图

6.2.3环状磁铁间磁力F的确定

F的大小可用实验法根据G托+G导+G磁+G浮>F确定。 首先来算各个G的大小。

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?D?G托?mg??VgV????h??????????5?2? ?7.93?1000?0.1?0.01?0.005?9.8?3.886N2?D?G导?mg??VgV????h??????????6?2??7.93?1000?3.14?0.00252?0.18?9.8?0.275N22

G浮?D??mg??VgV????h??????????7?2?222?3.14?1100??0.01?0.006?0.094?0.012??????0.15?9.8

?6.46NG磁未知，故F<6.46+0.275+3.886+G磁

1 即 F<10.621+G磁 ○

2?D?另外还有限制条件F浮>G托+G导+G磁+G浮V????h??????????8

?2?设计时最大吃水深度定为浮筒高的9/10，即为135mm，故

?D?F浮??gVV????h??????????9?2??9.8?1000?3.14?0.135??0.12?0.0062??41.4N2 即 10.621+G磁<41.4 ○

1○2的限制，做试验。 根据○

2

实验过程：用测力计拉住两吸在一起的磁铁中的一个，此两个磁铁尺寸一样（磁体为环状，内径为12mm，外径为20mm，高10mm），查看拉开时的力的大小F，然后测量此种磁铁的质

1○2，量G磁，如果二者满足○则就采用此型号磁铁，若不满足，继续另外一种磁铁的实验，

直至满足为止。

经过实验，我们选用钕铁硼合金Nd15B8Fe77，F大约为10N.

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6.3强度及尺寸校核

6.3.1缸体强度校核

根据化学工业出版社出版的《过程设备设计》进行校核。 首先要确定该圆筒缸体是长圆筒还是短圆筒。 区分长、短圆筒用特征长度Lcr

L> Lcr —— 长圆筒 L< Lcr —— 短圆筒

其中Lcr?1.17D0D0??????????10 t 其中D0为缸体外半径 t为缸体厚度 此圆筒

Lcr?1.17D0?1.17?155??714?400所以属于短圆筒

然后根据拉姆公式Pcr?2.59D0t155 10Et2LD0D0t??????????11

求pcr

其中 pcr为缸体发生弹性失稳时的临界压力

E为材料的弹性模量 取22?10N/cm

37

62

L为缸体高度 计算得

pcr?2.59Et2LD0D0t?2.59?22?1010?0.012/0.4?0.155?155/10 ?241Mpa远大于45kpa，故缸体强度符合使用要求

??6.3.2 负压平衡阀阀芯尺寸的校核

根据G阀>F可进行校核。 负G阀?mg??Vg??????????12?8.9?1000??0.012?0.02?0.0022?0.002?2?0.0012?0.02??3.14?9.8 ?0.535NF负?P?S??????????13?3?10?3?3=45?10?3.14????2??0.318N2

由此可知道该阀芯满足要求。

6.4放水器各部件的连接说明

缸体和缸盖的连接为螺钉连接

放水管、进水管、排渣管与缸体的连接为焊接 导向座与缸体的连接是焊接 磁铁与缸体和托板的连接是胶水粘接 排渣器与缸体的连接是胶水粘接

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中心导杆与托板的连接为焊接 托板与侧向导杆的连接是螺纹连接

负压平衡阀阀座和通大气阀阀座与缸体的连接为焊接 导向座与中心导杆的连接为螺栓连接

6.5密封

本设计的密封主要考虑的是缸体和缸盖的密封，因为缸体上开孔都是运用焊接方式连接，所以不必考虑密封问题。经查《机械设计手册》可知，密封件我选用橡胶O型圈密封，

理由如下：

其形状十分简单，因而制造容易，成本低廉，不论O型圈的整体尺寸有多大，其截面尺寸都很小(只有几毫米)所以重量轻，消耗材料少，使用方法简单，安装、拆卸方便，更为突出的优点还在于O形圈具有良好的密封能力，使用范围很宽。静密封工作压力可达100MPa以上，动密封也可达30Mpa。适用温度为-60～200℃，可满足多种介质的使用要求。因此在工程设计中得到越来越广泛的应用。

O形密封圈安装在沟槽和被密封面之间，有一定压缩量，由此产生的反弹力给予被密封的光滑面和沟槽底面以初始的压缩应力。从而起到密封作用。当被密封的液体压力增大时，O形圈的变形也随之增大，从而传递给密封面的压力也增大，密封的作用也增大。这就是O形密封圈具有良好密封能力的原因。

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致谢

经过我数个白天、数个通宵的艰苦努力，我的毕业设计终于完工了。在论文完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

首先我要感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一辈子的。

其次感谢我的导师教授。她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。这篇论文的每个细节和每个数据，都离不开你的细心指导。是你安排我去现场实习，让我更多收集一线资料；是你经常于百忙之中抽出时间来督促我赶快进行设计；是你不厌其倦的给我讲解、给我建议、给我修改。。。。。。

最后感谢我的爸爸妈妈。没有你们，就不会有今天的我！我一直感恩，感恩于我可以拥有一个如此温馨的家庭，让我所有的一切都可以在你们这里得到理解与支持，得到谅解和分担。你们永远健康快乐是我最大的心愿。

一个人的成长绝不是一件孤立的事，没有别人的支持与帮助绝不可能办到。我感谢可以有这样一个空间，让我对所有给予我关心、帮助的人说声“谢谢”！今后，我会继续努力，好好工作！好好学习！好好生活！！

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参考文献

[1] 林柏泉编著．矿井瓦斯抽放理论与技术．中国矿业大学出版社，1997 [2] 袁亮编著．松软低透煤层群瓦斯抽放理论与技术．煤炭工业出版社，2000 [3] 王德明编著．矿井通风与安全．中国矿业大学出版社，2007

[4] 胡殿明，林柏泉编．煤层瓦斯赋存规律及防治技术，中国矿业大学出版社，2006 [5] 李耀永主编．瓦斯检查工，中国矿业大学出版社，2001 [6] 矿业安全与环保，2004

[7] 现代机械设备设计手册2，机械工业出版社

[8] 文九巴主编 机械工程材料，机械工业出版社，2002

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参考文献

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[4] 胡殿明，林柏泉编．煤层瓦斯赋存规律及防治技术，中国矿业大学出版社，2006 [5] 李耀永主编．瓦斯检查工，中国矿业大学出版社，2001 [6] 矿业安全与环保，2004

[7] 现代机械设备设计手册2，机械工业出版社

[8] 文九巴主编 机械工程材料，机械工业出版社，2002

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