煤矿千米立井排水系统水锤问题研究.docx

煤 矿 千 米 立 井 排 水 系 统 水 锤 问 题 研 究王 丽 郭 楚 文 冒 刘 花中 国 矿 业 大 学 机 电 工 程 学 院 江 苏 徐 州 221008唐 口 矿 井 是 一 个 设 计 年 产 300 万 t 的 大 型 矿 井 ，实 际 排 水 高 度 1 035 m 其 地 形 起 伏 高 差 大 、 d v  v  v vd t t x输 水 管 线 长 ， 主 排 水 系 统 采 用 一 次 排 全 高 方 式 排 水 ，这 在 国 内 煤 矿 的 排 水 系 统 中 尚 无 先 例 ， 排 水 系 统 的 性 能 直 接 关 系 到 煤 矿 的 安 全 生 产 1 p v 2v v v  g    0则 有 (1)t x p x 2 Dp ,t —— 压 力 和 时 间g —— 重 力 加 速 度D —— 管 径v —— 管 内 流 速式 中1 研究千米立井排水系统水锤问题的意义一 般 来 说 ， 矿 井 井 下 排 水 系 统 在 正 常 运 转 情 况 下 ， 排 水 装 置 是 稳 定 的 ， 排 水 管 中 水 的 流 速 几 乎 不 变 。

一 旦 管 中 流 速 发 生 剧 变 将 导 致 管 道 中 水 压 突 然 变 化 而 产 生 水 锤 ， 特 别 是 在 唐 口 煤 矿 矿 水 流 量 大 、 扬 程 高 的 场 合 下 ， 排 水 系 统 所 产 生 的 水 力 冲 击 对 井 下 排 水 设 备 、 排 水 管 路 及 其 管 件 破 坏 危 害 更 大 在 管 道 中 因 为 某 种 原 因 ( 如 停 泵 等 ) 使 流 速 急 剧 变 化 时 ， 管 内 有 瞬 时 的 压 力 交 替 升 降 ， 并 以 波 的 形 式 在 管 中 往 返 传 播 的 水 力 冲 击 现 象 叫 水 锤 ， 又 叫 水 击 液 体 流 经 管 路 时 具 有 动 能 ， 突 然 停 止 时 ， 它 的 运 动 量 必 须 被 消 除 ， 能 量 变 成 由 停 止 点 开 始 的 高 压 波 ， 它 以 接 近 于 声 速 的 速 度 沿 着 管 路 系 统 来 回 传 递 液 体 相 对 而 言 是 不 可 压 缩 的 ， 排 水 管 内 液 体 像 一 根 实 心 固 体 圆 柱 ， 膨 胀 并 撞 击 管 路 ， 有 时 震 裂 管 路 。

在 很 短 的 时 间 内 ， 流 体 原 来 的 能 量 消 耗 在 摩 擦 和 涡 流 上 ， 管 路 系 统 在 这 一 时 间 经 常 受 到 破 坏 因 此 ， 对 千 米 以 上 深 井 排 水 系 统 的 水 锤 问 题 值 得 探 讨 为 了 保 证 粘 性 阻 力 的 方 向 始 终 同 速 度 的 方 向 相反 ， 将 上 式 改 写 为v  v v  g  1 p   0 (2)t x p x 2 D用 x 处 的 水 头 H 代 替 压 力 p， 则v  v v  g H   0 (3)t x x 2 D这 就 是 垂 直 主 排 水 管 道 中 流 体 不 定 常 流 动 的 运 动方 程 上 式 也 是 发 生 水 锤 时 ， 流 体 在 主 排 水 管 道 中 的 运 动 方 程 下 面 再 推 导 主 排 水 管 道 中 流 体 流 动 的 连 续 方 程 对 于 图 1 中 长 度 为 x 的 微 元 流 体 段 ， 根 据 质 量 守 衡 原 理 有d ( p A x )  0d t1 d p 1 d A 1 d(x)  0展 开 得 (4)p d t A d t  x d t引 入 体 积 弹 性 模 数 K ， 则 有1 d p  1 d p2 立 井 排 水 系 统 水 锤 过 程 分 析 (5)p d t K d t微 元 流 体 段 长 度 的 相 对 变 化 率 可 写 成产 生 水 锤 的 原 因 有 ： (1) 调 整 闸 阀 ； (2) 启 、 停 水泵 ； (3) 操 作 失 误 或 电 网 跳 闸 产 生 的 事 故 停 泵 。

前 二1 d ( x ) v x d t x (6)者 是 因 为 操 作 迅 速 ， 水 流 速 度 发 生 急剧 变 化 而 发 生 水 力 冲 击 ， 后 者 是 由 于 运 行 中 水 泵 动 力 突 然 中 断 时 停 泵 而 发 生 在 这 三 种 情 况 中 ， 以 事 故 停 泵 水 锤 造 成 的 危 害 为 最 大 ， 这 里 对 事 故 停 泵 水 锤 加 以 详 细 分 析 为 了 推 导 立 井 排 水 系 统 中 ， 流 体 在 主 排 水 管 道 中 作 不 定 常 流 动 时 的 运 动 方 程 ， 取 一 长 为 x 的 微 元 管 段 如 图 1 所 示 ， 其 横 截 面 积 等 于 管 道 的 横 截 面 积 Ax流 体 微 元 段 的 横 截 面 就 是 管 道 的 流 通 截 面 积 ， 它的 相 对 变 化 率 和 管 壁 的 弹 性 以 及 管 道 的 支 撑 情 况 有 关 考 虑 了 固 壁 的 弹 性 和 流 体 的 压 缩 性 ， 得 到1 d A d p D (1 2 )A d t d t E  (7)式 中 ， E —— 分 别 为 材 料 的 泊 松 比 和 弹 性 模 量—— 管 壁 的 厚 度将 式 (5) ~ (7) 代 入 式 (4) 得 到1 dp  a 2 v  0图 1 微 元 管 段 (8)作 用 在 微 元 流 体 段 上 的 力 由 三 部 分 组 成 ， 即 压 差力 、 重 力 以 及 摩 擦 力 或 粘 性 阻 力 。

取 管 轴 心 为 x 轴 ， 忽 略 高 阶 小 量 之 后 ， 这 三 部 分 力 在 x 方 向 的 投 影 可 依 次 表 示 为p d t x这 就 是 主 排 水 管 道 中 流 体 流 动 的 连 续 性 方 程 ， 其 中a 2  K 1 (9)p 1  KD (1  2 )E 用 x 处 的 水 头 H 代 替 压 力 p ， 则 式 (9) 写 为 p xA  p gA x   x 1 p v 2 Ax D 2， 根 据 牛 顿 第 二 定 律微 元 流 体 段 的 质 量 为并 考 虑 到 关 系 式2 (10)H  v H  v  a v  088Mining & Processing Equipment采掘v v v v 煤 矿 千 米 立 井 排 水 系 统 水 锤 问 题 研 究 第 33 卷 2005 年第 12 期 v  g   0 H a2 v (11)H 式 中 H —— 水 泵 额 定 扬 程H max —— 排 水 系 统 最 大 水 力 冲 击 压 力 t x g x假 定 不 考 虑 管 路 阻 力 ， 而 管 内 流 速 v 与 水 锤 波 传解 得 到 水 锤 分 析 计 算 的 最 重 要 的 基 本 方 程 H  H  f  t  a   F  t  a  = 1357.2 m / s， v = 2.23 m / s， H ≈ 3.09 MPa。

如 果    发 生 弥 合 水 锤 ， Hm ax ≈ 15.45 MPa， H max ≈ 25 MPax x a 0  这 是 个 很 大 的 压 力 ， 将 可 能 导 致 水 泵 、 阀 门 、 管 道 等式 中 x  —— 直 接 波 ， 向 下 游 传 播  行 ， 管 路 积 垢 使 管 径 有 效 缩 小 ， 水 流 速 度 逐 渐 增 大 ， x  —— 反 射 波 ， 向 上 游 传 播 击 的 破 坏 作 用 那 么 ， 如 何 防 护 千 米 立 井 排 水 系 统 中 压 头 变 化 曲 线 为 图 1 能 降 低 水 力 冲 击 压 力 ； 其 二 是 采 取 防 护 水 力 冲 击 压 力泵 产 生 的 水 力 冲 击 在 开 、 关 阀 门 的 时 间 ， 使 之 大 于 2 s， 避 免 直 接 水 锤 ；g 在 止 回 阀 处 设 旁 通 阀 ； (4) 在 关 闭 水 泵 出 口 出 水 闸 阀中 止 回 阀 的 关 闭 需 要 一 的 有 效 办 法 是 在 管 路 中 安 装 两 个 两 阶 段 关 闭 的 止 回程 序 进 行 的 ， 随 着 止 回 安 装 一 组 止 回 阀 ， 这 样 可 以 有 效 的 阻 止 水 锤 的 发 生 。

3.2 在 防 护 水 锤 问 题 上 的 新 举 措f t  a/ x  ， 这 个 正 压地 向 管 路 中 发 出 一 个 个 水 锤 波泵 站 ， 问 题 更 加 复 杂 ， 所 以 除 了 采 用 传 统 的 防 护 水 锤这 以 后 在 管 路 中 将 会 同 时 存 在 两 种 类 型 的 波 如 果 在器 内 的 一 个 控 制 程 序 ， 对 电 动 机 的 转 矩 进 行 控 制 ， 以达 到 减 小 水 力 冲 击 的 目 的 锤 称 为 直 接 水 锤 ； 反 之 ， 当 反 射 的 负 压 波 到 达 时 ， 闸一 旦 排 水 设 备 确 定 ， E、 、 D、 管 路 和 H R 均 确 定 ，接 水 锤 来 说 ， 管 路 中 最 大 压 头 总 是 小 于 直 接 水 锤 产 生1 1 1 1 H max  av0 / g (13)v0 99Mining & Processing Equipment采掘描 写 水 锤 波 运 动 的 两 个 基 本 方 程 联 立 弥 合 水 锤 压 力 升 高 最 大 值 v v H fv 2  H  ax  (3~ 5)H max t x x 2D H max  H m ax  H R  (3~ 5)H max  H R  v  v   0 R式 中 a —— 水 锤 波 传 播 速 度f —— 管 路 摩 阻 系 数 3 千米立井排水系统防护水锤的播 速 度 a 相 比 较 非 常 小 ， 可 以 忽 略 不 计 。

通 过 简 化 求 措 施将 各 参 数 的 值 代 入 以 上 各 式 ， 算 得 C = 1.034， a 0  x   x  0 max v  v  g  f  t  a   F  t  a  (12) 以 上 计 算 可 得 ， 最 大 水 力 冲 击 压 力 为 14.37MPa，f  t  a  遭 受 严 重 的 水 力 冲 击 破 坏 同 时 由 于 排 水 管 路 长 期 运F  t  a  一 旦 发 生 水 力 冲 击 事 故 ， 增 大 的 流 速 也 加 大 了 水 力 冲 设 L 为 排 水 管 路 长 度 ， 现 假 定 不 考 虑 管 路 阻 力 ， 的 水 锤 问 题 呢 ？在 某 时 刻 排 水 泵 突 然 失 去 动 力 ， 管 路 起 始 端 止 回 阀 立 3.1 采 用 的 传 统 。