深部礦井供水減壓穩(wěn)壓控制技術(shù)

張勇

(陜西神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719319)

深部礦井供水減壓穩(wěn)壓控制技術(shù)

張勇

(陜西神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719319)

通過設(shè)計多水平供水模式方案，給出煤礦多水平供水復(fù)雜管路、低水平供水壓力高的綜合解決方案。運(yùn)用計算流體力學(xué)軟件對管路系統(tǒng)的壓力波動情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過對比來分析流體在管內(nèi)的流場壓力變化情況，以確保系統(tǒng)對工作面正常供水流量的干擾量小于20%。數(shù)值模擬結(jié)果可為電動閥門壓力及關(guān)閥時間的選取提供理論依據(jù)，避免管路中水流的波動，確保深部采掘工作面供水管路接頭不再漏水。

礦井；供水；減壓；恒壓；數(shù)值模擬

0 引言

目前，礦井井下供水系統(tǒng)在出水局部加裝自力平衡閥以控制出水壓力，該閥利用介質(zhì)本身的壓力變化來進(jìn)行自我調(diào)控，從而保持流經(jīng)該控制系統(tǒng)的流量不變[1]。但當(dāng)井下工作面用水減少時，該閥的壓力控制功能明顯減弱，無法達(dá)到理想的壓力控制效果，導(dǎo)致供水管路因壓力過大而發(fā)生漏水[2]。在南屯煤礦，只通過自力平衡閥根本達(dá)不到理想的減壓效果，礦井井下供水系統(tǒng)漏水嚴(yán)重，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。這種情況造成了大量的水資源和電能浪費(fèi)，不符合煤礦生產(chǎn)的節(jié)能減排宗旨；但更為嚴(yán)重的是，大量漏水對煤礦生產(chǎn)環(huán)境造成極大的影響，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)[3]。

1 系統(tǒng)方案

本文通過設(shè)計多水平供水模式方案，給出煤礦多水平供水復(fù)雜管路、低水平供水壓力高的綜合解決方案。通過總體設(shè)計實(shí)現(xiàn)多水平分級供水，減少供水壓力并保證供水系統(tǒng)可靠性及井下供水壓力需求。為實(shí)現(xiàn)井下各個水平供水壓力的恒定，通過電接點(diǎn)壓力表控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防爆電動閥門的快速開啟及精確復(fù)位，并實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程在線及就地監(jiān)控[4]。

根據(jù)井下各個工作面供水壓力及目前管路滲漏情況，建立一套能夠有效降低井底壓力和維持供水壓力恒定的系統(tǒng)，保證供水末端的管路不發(fā)生滲漏。課題的技術(shù)路線是以目前礦井兩路供水模式及井下各工作面供水末端壓力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合深井減壓及各類恒壓供水設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，獲得全面進(jìn)行礦井供水優(yōu)化的方案，保證井下供水的安全穩(wěn)定性。具體的實(shí)施方案可分為以下幾個步驟。

(1)多水平供水模式設(shè)計及比較。研究多水平供水壓力調(diào)節(jié)的各種方法并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，給出現(xiàn)場適用、操作簡便的水壓調(diào)節(jié)方法。

(2)煤礦井下供水壓力及流量統(tǒng)計。利用超聲波流量計和壓力表等工具全面掌握各個工作面目前的工作壓力及管路接頭漏水情況，確定最為合理的控制壓力。

(3)低水平支路工作面高壓力的局部平衡。此部分為研究的重點(diǎn)內(nèi)容，通過自力平衡閥組、電接點(diǎn)壓力表、電動閥門等設(shè)備實(shí)現(xiàn)局部工作面的較低工作壓力。

在進(jìn)行管路優(yōu)化和供水系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行三級減壓和恒壓控制系統(tǒng)的實(shí)施。在主排水管路上加裝普通機(jī)械減壓閥，對壓力進(jìn)行初次控制(具體壓力值根據(jù)現(xiàn)場情況確定)，減壓后壓力會隨流量的變化而有一定的波動；在分支管路上加裝自力減壓閥對壓力進(jìn)行第2次控制，并能保證壓力的恒定(分支管路上壓力保證在3.0～3.5 MPa)；在末端管路上加裝電動球閥，采用電接觸點(diǎn)壓力表控制電動球閥，這樣可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的壓力控制；最后在井下恒壓設(shè)備安裝管路上同步安裝超聲波流量計、壓力傳感器、串口轉(zhuǎn)換器、防爆電源等數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)備，將壓力和流量數(shù)據(jù)上傳至井上。需要說明的是，在工作面有用水的情況下末端支路的閥門是沒有動作的，當(dāng)工作面用水設(shè)備停止的情況下末端支路壓力會急劇升高，當(dāng)升高到4 MPa(可根據(jù)井下實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié))時閥門關(guān)閉(此后末端管路的壓力就不會繼續(xù)升高)，此時移動管路不會導(dǎo)致管路泄漏。

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)分析

恒壓供水壓力的穩(wěn)定性對工作面用水以及設(shè)備的正常運(yùn)行非常重要，管路系統(tǒng)壓力的響應(yīng)時間以小于10 s(檢測到超壓信號后的調(diào)節(jié)時間)為宜。這個時間主要取決于2個時間：一是控制水流閥門的開閉時間，這個可以通過實(shí)際測試來確定(后文有具體測試過程)；二是管路壓力波動的周期，由于該設(shè)備用于井下，通過實(shí)測的方式很難確定，該項(xiàng)目運(yùn)用計算流體力學(xué)(CFD)軟件ANSYS CFX對管路系統(tǒng)的壓力波動情況進(jìn)行建模及分析，以此來確定管路系統(tǒng)的壓力波動周期，保持供水量穩(wěn)定，確保深部采掘工作面供水管路接頭不再漏水。

該套恒壓供水設(shè)備會對原有供水系統(tǒng)的流量有一定的干擾，波動量很難進(jìn)行實(shí)測，同樣對閥門動態(tài)變化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過對比來分析流體在管內(nèi)的流場壓力變化情況，以確保系統(tǒng)對工作面正常供水流量的干擾量小于20%。該數(shù)值模擬的目的是為選取電動閥門的壓力以及為避免水錘效應(yīng)所需要的合理關(guān)閥時間提供理論依據(jù)，避免管路中水流的波動，對安裝實(shí)施具有一定指導(dǎo)意義。

2.1 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時進(jìn)行了簡化處理，主要研究電動球閥所在的水平管路中水流流場的變化情況。設(shè)定系統(tǒng)中入口為經(jīng)自力平衡閥減壓后的水流，經(jīng)過幾十米到幾百米不同長度的鋼管后到電動球閥，所研究的就是流體經(jīng)自力平衡閥減壓后到電動球閥這一段管路中流場的變化情況。試驗(yàn)管路特征參數(shù)為：管道長度，10～100 m，為了節(jié)約計算時間，本文選擇管道長度為10 m；管道材質(zhì)，無縫鋼管；管道直徑，25～100 mm；入口壓力，3.0～3.5 MPa；出口壓力，3.0～3.5 MPa；入口速度，2 m/s；出口速度，2 m/s；流體溫度，25 ℃；流體性質(zhì)，水。首先利用Pro/E建立管路的三維幾何模型(如圖1所示)，完成實(shí)體建模和網(wǎng)格生成，對管道內(nèi)連續(xù)液體的計算區(qū)域進(jìn)行劃分，選取壓力監(jiān)測點(diǎn)。

圖1 三維管道立體結(jié)構(gòu)

該數(shù)值模擬的目的是研究流體在管內(nèi)的流場壓力變化，因此做出了以下省略：自力平衡閥簡化為壓力入口，球形閥簡化為速度出口，壓力傳感器設(shè)置為壓力監(jiān)測點(diǎn)，時間變化由速度出口來控制。

該設(shè)計采用六面體單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，軸向單元尺寸為0.1 m，共有1 376個節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬的設(shè)定中首先設(shè)定工作壓力為0.1 MPa，即所有設(shè)定壓力值都是表壓力，入口條件選取自力平衡閥出口壓力3.0 MPa，出口條件為速度出口，為了模擬閥門關(guān)閉狀態(tài)，在出口設(shè)立一個速度隨時間變化的函數(shù)，這個函數(shù)暫定為線性函數(shù)。假設(shè)出口速度為2 m/s，這個設(shè)定值會在之后的參考變量中改變，用于對比試驗(yàn)，從而得出試驗(yàn)結(jié)論。

不考慮水在管路中的熱交換現(xiàn)象，數(shù)值模擬過程中選擇了質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，對于湍流的模擬過程采用Reynolds平均法模型，并且選用κ-ε模型將能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程封閉，壁面條件設(shè)定為無滑移邊界，流體在壁面速度為0。由于水錘的波速很大，此處流體為可壓縮流體。

為了提高計算精度,采用高階差分格式對流場進(jìn)行求解,其中最大迭代步設(shè)為5。設(shè)置收斂殘差為10-4，當(dāng)計算所得的均方根殘差值小于10-4時，可得到收斂的殘差曲線。

2.2 管路壓力波動分析

閥門關(guān)閉時產(chǎn)生的水錘波以壓力波的形式傳遞至減壓閥門，波速為聲音在水中的傳播速度。當(dāng)水錘波向閥門傳遞遇到自力平衡閥門時，壓力由自力平衡閥釋放出去，這時管內(nèi)壓力肯定大于自力平衡閥處的壓力，同時自力平衡閥又有液體流入管內(nèi)，液體達(dá)到管內(nèi)時閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，產(chǎn)生一個負(fù)壓，水流又沿著管道傳遞到自力平衡閥，周而復(fù)始。這個壓力波會因?yàn)楣艿赖哪Σ磷枇χ饾u消失變成熱量。

周期T=4L/v=0.027 s，從圖3可得周期為50÷3×10-3=0.026 (s)，誤差為0.037，幾乎與計算值一樣，這就證明了通過CFX可以模擬出水錘效應(yīng)在管路中的傳遞情況和周期。

表1 原始數(shù)據(jù)分析

當(dāng)閥門突然關(guān)閉時，閥門處的流體速度突然降為0，水的慣性將全部轉(zhuǎn)化為勢能施加在閥門處，使閥門處的流體變得可以壓縮，閥門處產(chǎn)生的壓力波向自力平衡閥釋放。試驗(yàn)證明，水錘產(chǎn)生的壓力波是由于流體具有慣性，因此，對不同流速下的水錘現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步的模擬。

當(dāng)出水速度增大時，根據(jù)動量守恒定律可知，閥門處壓力也會隨之增大，現(xiàn)設(shè)定出水速度為4 m/s，閥門關(guān)閉時間為0.01 s。由計算可得水錘壓力為6 MPa，由圖4所示的模擬結(jié)果可知，管內(nèi)最大壓力為8 MPa，水錘壓力為5 MPa，計算誤差為0.167。水錘周期未變。

圖4 出水速度為4 m/s時水錘的壓力

研究發(fā)現(xiàn)，水錘壓力與管內(nèi)流體的流速有著密不可分的關(guān)系，為了能減小這一壓力，可以采取一些措施來預(yù)防水錘的發(fā)生。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般采取延長閥門的關(guān)閉時間或在管路中設(shè)立減壓閥等措施。

同時，水錘壓力與水流速度也有著密不可分的關(guān)系，將閥門關(guān)閉時間設(shè)為參變量，針對閥門關(guān)閉時間對輸水管路進(jìn)行研究。

設(shè)定閥門關(guān)閉時間為0.05 s，大于設(shè)定時間0.01 s，流速設(shè)定為2 m/s，入口壓力為3 MPa，模擬計算結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，管內(nèi)水錘壓力減小，水錘對管路造成的影響減小。

圖5 閥門關(guān)閉時間為0.05 s時管內(nèi)壓力變化曲線

將閥門關(guān)閉時間設(shè)定為0.10 s，遠(yuǎn)大于0.01 s，流速設(shè)定為2 m/s，入口壓力為3 MPa，模擬計算結(jié)果如圖6所示。通過觀察可以看出，水錘效應(yīng)完全消失。

圖6 閥門關(guān)閉時間為0.10 s時管內(nèi)壓力變化曲線

礦井用水量是變化的，不同時間有著不同的用水需求，礦井流量的變化影響用水的靜壓力，因此，入口靜壓對于水平支路也是非常重要的一個變量。通過改變不同的入口壓力，將模擬出的結(jié)論與原始數(shù)據(jù)作對比，觀察入口壓力對管路的影響。

保持出口速度2 m/s和閥門關(guān)閉時間0.01 s不變，只改變?nèi)肟陟o壓，現(xiàn)將靜壓設(shè)置為2 MPa，模擬計算結(jié)果如圖7所示。

通過上圖分析可得，最大水錘壓力為4.5 MPa，水錘周期為0.026 s。入口靜壓變化數(shù)據(jù)分析見表2。

表2 改變?nèi)肟陟o壓后的數(shù)據(jù)分析

經(jīng)以上數(shù)值模擬，可以得出以下結(jié)論。

(1)在自力平衡閥和電動閥門距離較近(10 m)的情況下，閥門關(guān)閉時間在0.05 s時水錘效應(yīng)明顯減弱，0.10 s時水錘效應(yīng)完全消失。

(2)水錘壓力最大約為8 MPa。

為此，為保證壓力，選取了電動球閥。為兼顧避免水錘效應(yīng)，同時保證電動球閥的反應(yīng)速度，減少對下游流動的影響，電動球閥的關(guān)閉時間設(shè)定為2 s，保證整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于10 s。

3 應(yīng)用效果

恒壓供水設(shè)備及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)運(yùn)行以來(其中一套待安裝)，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，井下供水壓力大多數(shù)情況維持在3.0～3.5 MPa，少數(shù)情況升高至3.5 MPa以上，水壓相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及時、準(zhǔn)確，反饋了井下管路壓力和流量數(shù)據(jù)，該恒壓供水系統(tǒng)對壓力控制起到有效效果。

該系統(tǒng)主要通過在管路用水終端加裝局部控壓裝置進(jìn)行水壓控制。隨著井下工作面的不斷推進(jìn)，需要及時調(diào)整控制裝置的壓力限值，或?qū)⒕植靠貕貉b置的安裝位置與供水管路同步推進(jìn)，可有效控制用水終端的水壓。

[1]王增才，王樹云.礦井減壓供水系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)械，1998，19(9):25-26.

[2]程高新，魏禮信.井下供水自動減壓系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2011,32(10):167-168.

[3]薛輝.煤礦千米深井自動減壓供水系統(tǒng)研制[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.

[4]張興營.深部礦井防塵供水減壓技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國科技博覽，2012(19):634.

(本文責(zé)編：劉芳)

張勇(1971—)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，工程師，從事煤礦管理方面的工作(E-mail:13847754024@126.com)。

TD 218

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1674-1951(2017)11-0016-04

2017-09-20；

2017-10-30