煤礦排水管道產(chǎn)生氣阻的原因及解決辦法

羅月鵬

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

管道排水廣泛應(yīng)用于礦井生產(chǎn)，采掘所至必有排水管道。管道輸送的都是流體，必須了解它們的流動(dòng)特性才能服務(wù)生產(chǎn)，否則會(huì)適得其反。礦井排水中常見(jiàn)的問(wèn)題就是密封損壞，更換即可，不會(huì)產(chǎn)生大的危害。但是，氣阻看不見(jiàn)摸不到，難查找，必須引起重視，否則將影響排水效率。

1 基本情況

煤礦井下采區(qū)排水時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，在開(kāi)啟水泵初期，下水速度正常，但是過(guò)一段時(shí)間后，下水速度變得緩慢。工作人員會(huì)誤認(rèn)為是水泵吸水口堵塞，對(duì)水泵進(jìn)行反沖洗；打開(kāi)排水管道疏通淤泥阻塞；甚至更換水泵，但效果都不明顯。實(shí)在找不出原因，只好在排水管路中間斷開(kāi)，增加中繼泵站進(jìn)行排水。

2 原因分析

排水管道的水流中存在空氣，管道中的含氣水流有層狀流、環(huán)狀流、波狀流、團(tuán)狀流、氣塞流、泡狀流、霧狀流，其流態(tài)受管線(xiàn)形狀、管道內(nèi)壁粗糙度、含氣量、流速等因素的影響，復(fù)雜多變。由于管道中的含氣水流流態(tài)的變化，空氣的密度又比水的密度小，在管道的波峰位置，發(fā)生空氣集中現(xiàn)象，這些集中的空氣形成了氣阻。氣阻會(huì)增大沿程水頭損失，降低排水效率。當(dāng)水泵的排水壓力無(wú)法克服這些額外的阻力時(shí)，排水管道中的水就會(huì)發(fā)生斷流，致使無(wú)法排水。

2.1 管道中有空氣

采區(qū)的廢水通過(guò)水泵排入井下水倉(cāng)，排水管道在水倉(cāng)的出水口是開(kāi)口端，水泵停止抽水后，管道中的水受重力的作用向低處流動(dòng)，空氣在排水口吸入管道。在管道中部的波峰位置，管道中壓力降低，緣于管道使用溝槽鏈接，此時(shí)密封不再承壓，喪失了密封性能，外界空氣被吸入管道。再次排水時(shí)，管道中的空氣容易形成氣阻。

2.2 管道起伏多變

煤礦的排水管道沿巷道安裝，隨巷道起伏發(fā)生高低變化。再者管道經(jīng)過(guò)巷道的交叉口，還要人為制作地溝，使管道發(fā)生了突變。排水管道的高低起伏變化和截面突變，是形成氣阻的一個(gè)重要原因。

2.3 離心水泵

離心式水泵，是利用葉輪的旋轉(zhuǎn)使水產(chǎn)生離心力，在葉輪中間產(chǎn)生負(fù)壓吸水來(lái)工作的。在啟動(dòng)水泵前，必須在泵的殼體和吸水管中充滿(mǎn)水，然后啟動(dòng)電機(jī)，否則抽水很慢或者根本無(wú)法抽水。

由于泵體中沒(méi)有完全充滿(mǎn)水或者泵體密封不嚴(yán)等原因，水泵排出的水中含有大量氣泡。在輸水管道中，含氣水流的流態(tài)受流速、含氣量、管路形狀等因素的影響而變化，使含氣水流中的空氣逐漸析出，積聚在排水管路的波峰段，封閉在管道的高位。不斷積聚的空氣在一定的管道壓力下成為壓縮空氣，最終在管道中形成氣阻。

2.4 氣阻模擬實(shí)驗(yàn)

為了直觀反映排水管道內(nèi)形成氣阻的狀態(tài)，用透明的軟管進(jìn)行了水力實(shí)驗(yàn)。方法如下：

用一根長(zhǎng)5 m、直徑20 mm的透明塑料軟管，模仿井下排水管道的高低起伏，安裝在標(biāo)有高程刻度的墻上(圖1)。透明軟管的一端與大氣連通，另一端與水箱連通。打開(kāi)閥門(mén)“b”和閥門(mén)“o”，用足夠小的水流速度，使水流到達(dá)透明軟管的末端時(shí)，將形成如圖1所示的狀態(tài):在c,d,e-f段會(huì)存留一些氣體。

圖1 透明軟管水力實(shí)驗(yàn)示意

假設(shè)透明軟管進(jìn)水端的壓力為Pa，出水端的壓力為Po，在系統(tǒng)靜態(tài)平衡時(shí)，根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程：

(1)

得：

Po+γW×ho=Pe-f+γW×hf

(2)

Pe-f+γW×he=Pa+γW×ha

(3)

由(2)式和(3)式得：

(4)

從(4)式可以看出，在重力平衡下的流體，其進(jìn)水端的壓力水頭與位置水頭之和與出水端的壓力水頭與位置水頭之和相等。

要想使透明軟管中的水流動(dòng)的基本條件是： 進(jìn)水端的壓力水頭與位置水頭之和大于出水端的壓力水頭與位置水頭之和，即：

無(wú)論是先打開(kāi)管路進(jìn)口端閥門(mén)還是管路出口端的閥門(mén)，向充滿(mǎn)空氣的管路中注水，由于水和空氣的密度差很大，管道系統(tǒng)內(nèi)或多或少的總會(huì)殘存一些空氣，在積存空氣的量足夠大的情況下，管路中的空氣被波峰左側(cè)的水面封住，從而形成了氣阻。氣阻的大小與管道系統(tǒng)的特性(管道的直徑，波峰的高度、數(shù)量，管道內(nèi)壁的粗糙度)有關(guān)。形成氣阻后，管道系統(tǒng)末端出水需要的壓力最大，當(dāng)系統(tǒng)前端無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)生斷流。

然而在突然打開(kāi)閥門(mén)或者提高水箱位置的模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，并沒(méi)有發(fā)生氣阻現(xiàn)象。說(shuō)明通過(guò)提高水泵排水的壓力和流速可以消除氣阻。

3 解決辦法

由于煤層賦存條件的變化以及生產(chǎn)需要，排水管道不可能水平或者以一定的坡度安裝，它總是蜿蜒起伏。

鑒于溝槽連接的快捷性，也不會(huì)改變現(xiàn)有的鏈接密封形式。

理論上，可以在吸水端同時(shí)開(kāi)啟多臺(tái)水泵，使排水管道中的流速達(dá)到紊流狀態(tài)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的排水，促使管道高位的空氣被水流攜帶出來(lái)。但是由于井下排水的時(shí)效性，以及有悖于排水的經(jīng)濟(jì)流速等問(wèn)題，不可能采用此方法排出空氣。

可以通過(guò)在排水管道的波峰位置和管道發(fā)生突變的位置安裝排氣閥門(mén)，當(dāng)發(fā)生氣阻時(shí)，工作人員開(kāi)啟一下閥門(mén)，排空管道波峰位置的空氣即可。為了方便操作，可在發(fā)生氣阻的位置安裝自動(dòng)排氣閥，當(dāng)有氣阻發(fā)生時(shí)自動(dòng)排氣，可免去職工頻繁操作。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)簡(jiǎn)單的水力實(shí)驗(yàn)，模擬了排水管道發(fā)生氣阻的現(xiàn)象，解釋了氣阻產(chǎn)生的原因。并通過(guò)簡(jiǎn)單的方法排除氣阻，減少了一些無(wú)用的排查工作，保證了采區(qū)的正常排水。