緩閉閥門(mén)在斜井應(yīng)急排水防水錘中的應(yīng)用

葛 亮 ，井婷婷

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

2000年至2012年期間，全國(guó)煤礦共發(fā)生透水事故1 113起、死亡4 451人，其中發(fā)生重大及以上透水事故92起、死亡1 706人，平均每年發(fā)生7起重大透水事故。2012年重大透水事故起數(shù)和死亡人數(shù)占全國(guó)煤礦重大事故的33.3%和25.3%[1]。雖然近幾年煤礦突水災(zāi)害發(fā)生頻率和致死人數(shù)總體呈下降和減弱趨勢(shì)，但其防治形勢(shì)依然不容樂(lè)觀[2]，以斜井為主的礦山水災(zāi)事故正處于易發(fā)期，隨著采深加大，透水事故呈現(xiàn)加重的趨勢(shì)，已成為僅次于瓦斯爆炸的第二大災(zāi)害[3-4]，而且會(huì)造成一系列的環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題等隱性災(zāi)害[5]。水災(zāi)事故發(fā)生后，礦井應(yīng)急工作的關(guān)鍵階段為搶險(xiǎn)救災(zāi)和治水保礦[6]。斜井水災(zāi)事故的搶險(xiǎn)通常采用礦用應(yīng)急排水水泵配接硬質(zhì)的無(wú)縫鋼管或SEP復(fù)合管的排水作業(yè)模式，相比新型的可扁平盤(pán)卷熱塑性聚氨酯（TPU）軟管，鋼管密度為7.85 g/cm3，SEP 管密度為 1.8～1.9 g/cm3，而 TPU 管密度不超過(guò)1.4 g/cm3，在同口徑、同用途時(shí)，TPU管質(zhì)量小，且彎曲性能強(qiáng)，便于災(zāi)后井下安裝。在實(shí)際應(yīng)用中，逆止閥作為水泵的配套件，快速阻止泵與管內(nèi)水體的直接接觸，可在水泵停機(jī)時(shí)保護(hù)其免受水錘破壞，廣泛用于豎井硬直金屬管路。但對(duì)于TPU管，則需要具有緩閉功能的截止閥以解決水錘瞬間高壓所產(chǎn)生的軟體管道破裂問(wèn)題[7-8]。基于此，提出了適用于功率500 kW以下、揚(yáng)程400 m以下中小型礦用應(yīng)急排水水泵在斜井水災(zāi)處置時(shí)防止非金屬軟管水錘破壞的技術(shù)措施，并開(kāi)展了新型閥門(mén)在不同安裝條件下整個(gè)緩閉過(guò)程中的模擬性能試驗(yàn)和流量變化特性的對(duì)比分析。

1 排水作業(yè)模式

具有抗靜電和阻燃性能的TPU軟管通過(guò)各段自帶的快速連接裝置組合形成，其入口與水泵出口之間安裝具備緩閉功能的截止閥，并對(duì)此處壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可在不破壞水泵的同時(shí)有效保護(hù)管網(wǎng)系統(tǒng)安全。整個(gè)管路的前段為跟隨水泵下放的可托動(dòng)部分，長(zhǎng)度較短，而可直接鋪設(shè)至井上的后段則通過(guò)防滑、防墜技術(shù)措施固定于井下圍巖或巷道內(nèi)設(shè)施上，避免通水承壓狀態(tài)下竄動(dòng)。2段之間安裝有放水閥過(guò)渡短節(jié)、壓力表和閘閥。采用TPU管替代以往采用的硬質(zhì)金屬管路或復(fù)合管，在水倉(cāng)倒水作業(yè)時(shí)實(shí)用性強(qiáng)，在斜井單泵排水、大流量接力泵吸水后并聯(lián)排水等工藝模式條件下技術(shù)優(yōu)勢(shì)也尤為突出，特別是無(wú)需硬質(zhì)管路井下輸送用下管車(chē)，管路的安裝更為靈活，在無(wú)軌斜井的應(yīng)急排水作業(yè)中可發(fā)揮重要作用[9]，因此，排水軟管的研究和應(yīng)用是礦山應(yīng)急排水領(lǐng)域當(dāng)前裝備配備的首選，也是未來(lái)相關(guān)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

2 緩閉閥門(mén)的選型

為了使斜井排水軟管在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效地防水錘破壞，需要采用可使管道內(nèi)水體短時(shí)變流量排放的技術(shù)措施，具體通過(guò)在水泵出口處配接以下2種泄壓時(shí)間可調(diào)的專(zhuān)用閥門(mén)實(shí)現(xiàn)。

2.1 多功能水泵控制閥

多功能水泵控制閥具有水力自動(dòng)控制、啟泵時(shí)緩開(kāi)，停泵時(shí)先快閉、后緩閉的特點(diǎn)，兼具止回、消除水錘等功能[10]，分為主閥和外控組件2部分。主閥由閥體、大小閥板、閥桿、閥蓋及活塞、活塞缸等構(gòu)成，外控組件則包括微止回閥、調(diào)節(jié)閥、過(guò)濾器及相應(yīng)管路。

閥門(mén)的啟閉是依靠所輸送介質(zhì)壓力及其在活塞缸內(nèi)的壓力差來(lái)進(jìn)行的，動(dòng)作時(shí)間受外控組件中調(diào)節(jié)閥控制。閥的啟閉由大小閥板完成，大閥板發(fā)揮快開(kāi)、快關(guān)作用，小閥板實(shí)現(xiàn)緩開(kāi)、緩閉功能。啟泵后介質(zhì)通過(guò)外控部件進(jìn)入活塞缸下腔，活塞上移帶動(dòng)小閥板上升，解除對(duì)大閥板的軸向約束，大閥板在進(jìn)口介質(zhì)壓力作用下打開(kāi)。當(dāng)進(jìn)口壓力消失時(shí)，大閥板在閥出口端介質(zhì)壓力以及自重作用下迅速下降實(shí)現(xiàn)快關(guān)，截住大部分流體，同時(shí)活塞缸上腔壓力推動(dòng)活塞下降，使小閥板緩閉。在外控回路中分別設(shè)置調(diào)節(jié)閥，可調(diào)節(jié)活塞缸內(nèi)活塞的上下運(yùn)動(dòng)速度，從而完成對(duì)閥板緩開(kāi)和緩閉過(guò)程的調(diào)節(jié)[11]。

2.2 管力閥

管力閥是新型蝶式多功能水泵控制閥，主要由閥體、閥軸、大小閥板、控制缸、控制頂桿、旁通組件（可調(diào)式單向閥及相應(yīng)管路）和其他裝置（油杯、標(biāo)示桿）等組成。閥門(mén)采用流體設(shè)計(jì)，兼具電動(dòng)閘閥、電動(dòng)蝶閥以及止回閥的功能。

啟泵時(shí)介質(zhì)壓力推動(dòng)偏心斜置的大閥板，產(chǎn)生開(kāi)啟動(dòng)力，由此大閥板推動(dòng)小閥板帶動(dòng)控制桿回入油缸，在油缸上腔控制閥的作用下，閥門(mén)緩慢開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)開(kāi)閥。停泵時(shí)閥門(mén)進(jìn)口端的壓力低于某一預(yù)定值時(shí)，大閥板在重力的作用下快速關(guān)閉，截?cái)啻蟛糠炙?。小閥板自動(dòng)開(kāi)啟，泄除出口端部分回流水，削減水錘峰值?？刂朴透變?nèi)的彈簧推動(dòng)活塞下行，在下腔控制閥的作用下，使小閥板緩慢關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)關(guān)閥。

2.3 2類(lèi)閥門(mén)的性能對(duì)比

多功能水泵控制閥與管力閥均通過(guò)介質(zhì)壓力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)啟閉與水泵的自動(dòng)聯(lián)鎖，并采用雙閥板泄流和頂置結(jié)構(gòu)，安全可靠且便于維護(hù)與安裝。管力閥在多功能水泵控制閥、液力閥的基礎(chǔ)上，繼承了上述兩者的優(yōu)良性能，同時(shí)參照美國(guó)止回閥技術(shù)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了重大改進(jìn)。2類(lèi)緩閉閥門(mén)的性能對(duì)比見(jiàn)表1，相對(duì)于多功能水泵控制閥，管力閥作為新一代產(chǎn)品，其性能具有以下優(yōu)點(diǎn)：①采用偏心蝶閥技術(shù)原理，其體積和質(zhì)量只有同規(guī)格多功能水泵控制閥的1/3～1/2，與同規(guī)格液力閥相當(dāng)；②蝶式結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)小，有利于管網(wǎng)運(yùn)行的節(jié)能降耗，且動(dòng)作更加靈敏；③管力閥的閥板慣性矩減小，閥板動(dòng)作更靈活，同時(shí)采用斜置閥座，閥門(mén)啟閉更平穩(wěn)[12]。

表1 管力閥與多功能水泵控制閥的性能對(duì)比

2.4 軟管與閥門(mén)的匹配方案

功率500 kW以下、揚(yáng)程400 m以下中小型礦用應(yīng)急排水水泵出口通徑主要為DN200、DN150、DN100 3種規(guī)格，排水軟管對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度要求分別為：①DN200軟管的工作壓力≥2.5 MPa、爆破壓力≥5.0 MPa；②DN150軟管的工作壓力≥4.2 MPa、爆破壓力≥8.4 MPa；③DN100軟管的工作壓力≥5.0 MPa、爆破壓力≥10.0 MPa。

目前多功能水泵控制閥規(guī)格系列更全，均有對(duì)應(yīng)型號(hào)與3類(lèi)軟管匹配，而管力閥最小規(guī)格為DN150，如果將其通徑縮小至DN100，閥板及其控制頂桿等零部件就占據(jù)了很大的流道面積，流量性能方面將喪失優(yōu)勢(shì)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通徑為DN200、DN150的排水軟管應(yīng)優(yōu)先選配對(duì)應(yīng)規(guī)格的管力閥，而通徑更小的管力閥受結(jié)構(gòu)和原理所限規(guī)格缺失，則DN100的排水軟管只能與同通徑的多功能水泵控制閥組合使用。以上分析所涉及的3種規(guī)格閥門(mén)，其公稱(chēng)壓力指標(biāo)范圍均可分別覆蓋對(duì)應(yīng)的排水軟管的強(qiáng)度要求，此規(guī)格匹配方案技術(shù)可行。

3 管力閥在不同安裝條件下的性能試驗(yàn)分析

選取湖南泵閥制造有限公司研制的DN150、DN200、DN300 3種規(guī)格管力閥作為被測(cè)試對(duì)象，安裝型式設(shè)定為垂直、傾斜30°、水平3種工況，其開(kāi)度初始工況設(shè)定為完全打開(kāi)（開(kāi)度100%），并以10%為固定變量逐漸遞減至全開(kāi)程度的10%，等間隔的開(kāi)度變化模擬了閥門(mén)緩閉的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)記錄流量計(jì)在不同工況下的對(duì)應(yīng)讀數(shù)，從而確定每種安裝型式下流量隨開(kāi)度減小的變化趨勢(shì)，不同規(guī)格的管力閥隨開(kāi)度減小的流量變化如圖1～圖3。

圖1 DN150管力閥隨開(kāi)度減小的流量變化

圖2 DN200管力閥隨開(kāi)度減小的流量變化

圖3 DN300管力閥隨開(kāi)度減小的流量變化

DN200、DN300的管力閥在不同安裝條件下，流量隨開(kāi)度的減小均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。同一開(kāi)度時(shí)，閥門(mén)水平安裝型式流量最大，傾斜狀態(tài)次之，垂直安裝時(shí)數(shù)值最小，與理論預(yù)期分析正好相反，說(shuō)明水平和傾斜安裝時(shí)控制頂桿將閥板向可使開(kāi)度增大的方向偏移。最小通徑DN150的管力閥在同一安裝條件下，流量除開(kāi)度20%的數(shù)值低于開(kāi)度10%的數(shù)值外，其他不同安裝型式下，流量隨開(kāi)度減小的變化趨勢(shì)也均呈現(xiàn)出同上特性。為更有效地說(shuō)明閥門(mén)傾斜角度對(duì)流量的影響，以垂直安裝時(shí)的流量為基準(zhǔn)，計(jì)算分析與其他極端安裝條件下不同開(kāi)度所對(duì)應(yīng)流量的偏差（極端安裝條件和豎直安裝條件所對(duì)應(yīng)的流量值之差）。以DN200管力閥為例，其垂直和水平（極端安裝條件）安裝型式所對(duì)應(yīng)的流量偏差見(jiàn)表2。

表2 DN200管力閥的流量偏差

DN200管力閥在開(kāi)度10%狀態(tài)下，水平安裝所產(chǎn)生的流量偏差為0.000 5 m3/s，偏差率（偏差占基準(zhǔn)的百分率）為3.29%。隨著閥門(mén)開(kāi)度的減小，流量偏差也逐漸降低，90%開(kāi)度工況下的流量偏差為0.002 5 m3/s，是不同開(kāi)度過(guò)程中的最大值，而偏差率在開(kāi)度變化的過(guò)程中未出現(xiàn)特征明顯的規(guī)律，偏差率處于2.95%～4.22%范圍內(nèi)，最大值和最小值分別出現(xiàn)在90%和20%開(kāi)度工況?；谝陨戏治隹芍惭b型式對(duì)閥門(mén)緩閉過(guò)程中的流量性能的影響較小，管力閥能夠適用于垂直以外的安裝條件。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)管力閥與多功能水泵控制閥的性能對(duì)比分析，首次為功率500 kW以下、揚(yáng)程400 m以下中小型礦用應(yīng)急排水水泵提供了適用于傾斜、水平安裝模式的軟管防水錘破壞的緩閉閥門(mén)差異化匹配方案，可切實(shí)解決斜井現(xiàn)場(chǎng)排水作業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題。

2）目前管力閥最小規(guī)格為DN150，針對(duì)功率100 kW以下、揚(yáng)程150 m以下的小型礦用應(yīng)急排水水泵還需要繼續(xù)開(kāi)展管力閥的系列化研究，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足性能要求的DN100型精密結(jié)構(gòu)。

3）在垂直、傾斜30°、水平3種安裝條件下的DN150管力閥流量性能試驗(yàn)證明，小規(guī)格系列在流量隨開(kāi)度減小而遞減的變化過(guò)程中，低開(kāi)度工況的數(shù)值會(huì)突現(xiàn)局部上升趨勢(shì)，此技術(shù)問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究解決。