礦山充填電動液固三通導(dǎo)水閥研制及生產(chǎn)應(yīng)用

郭彩守，張澤德，張國信，陳國軍

(金川集團(tuán)有限公司二礦區(qū)， 甘肅 金昌市 737100)

0 引言

金川礦區(qū)龍首礦、二礦區(qū)及三礦區(qū)主要采用下向膠結(jié)充填采礦法開采，井下采空區(qū)充填一般分為打底充填、二次充填、接頂充填3個(gè)過程，每一過程開始前需要用水對充填管路進(jìn)行4～5 min引流、潤滑，充填結(jié)束后需要根據(jù)井下充填管路長短對其進(jìn)行7～10 min的清洗，導(dǎo)致大量的潤管、洗管水進(jìn)入采場，造成充填料漿離析、充填體強(qiáng)度降低。另外，采空區(qū)接頂充填一直是一個(gè)難題，主要是采空區(qū)接頂后，大量清洗管路的清水也會將本已充填接頂?shù)倪M(jìn)路料漿帶走，再次造成接頂不完全，對進(jìn)路回采安全造成嚴(yán)重影響，同時(shí)溢流出來的充填料漿混入礦石中也會造成礦石貧化，影響現(xiàn)場文明生產(chǎn)，需要投入大量的人力、物力清理。含充填料漿的礦石進(jìn)入出礦溜井還會造成溜井堵塞、損壞出礦系統(tǒng)。因此，針對以上問題，研制了一種電動液固三通導(dǎo)水閥應(yīng)用于生產(chǎn)，從而大大提高了充填一次接頂率，避免了充填開車前和停車后大量洗管水進(jìn)入采空區(qū)，造成充填溢流物多、充填料漿離析、采空區(qū)充填不接頂?shù)纫幌盗斜撞?，為井下?shí)現(xiàn)安全、高效回采提供了可靠保證，也為生產(chǎn)工區(qū)的安全標(biāo)準(zhǔn)化盤區(qū)建設(shè)創(chuàng)造了條件。

1 導(dǎo)水閥特性研究

閥門是隨著流體管路的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，是流體系統(tǒng)中用來控制流體的方向、壓力、流量的裝置。閥門是使管路和設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)（液體、氣體、粉末）流動或停止并能控制其流量的裝置。其具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能。用于流體控制系統(tǒng)的閥門，從最簡單的截止閥到極為復(fù)雜的自控系統(tǒng)中所用的各種閥門，其品種和規(guī)格相當(dāng)繁多。

導(dǎo)水閥由電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和換向閥體兩部分組成。換向閥具有換向功能，具備流量大、壓降低和泄漏少的特點(diǎn)。閥門流通能力Cv是換向閥的主要參數(shù)之一，其定義為：當(dāng)換向閥一側(cè)全開，閥兩端壓差為0.1 MPa，流體密度為1 g/cm3時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)換向閥的流量數(shù)，也稱流量系數(shù)，單位為t/h。根據(jù)流通能力Cv值大小查表就可以確定換向閥的公稱通徑。換向閥的流量特性，是在閥兩端壓差保持恒定的條件下，介質(zhì)流經(jīng)換向閥的相對流量與其開度之間的關(guān)系。換向閥流量特性有線性特性、等百分比特性及拋物線特性3種。

（1）等百分比特性。等百分比特性的相對行程和相對流量不成直線關(guān)系，在行程的每一點(diǎn)上單位行程變化所引起的流量變化與此點(diǎn)的流量成正比，流量變化的百分比是相等的。流量小時(shí)流量變化小，流量大時(shí)則流量變化大，也就是在不同開度上具有相同的調(diào)節(jié)精度。

（2）線性特性。線性特性的相對行程和相對流量呈直線關(guān)系。單位行程的變化所引起的流量變化是不變的。流量大時(shí)，流量相對值變化小，流量小時(shí)，則流量相對值變化大。

（3）拋物線特性。流量按行程的平方成比例變化，大體具有線性和等百分比特性的中間特性。

從上述3種特性的分析可以看出，就其換向性能而言，以等百分比特性為最優(yōu)，其換向穩(wěn)定，換向性能好。而拋物線特性比線性特性的換向性能好，可根據(jù)使用場合的要求，挑選其中任何一種流量特性。

2 導(dǎo)水閥的設(shè)計(jì)方案

本文研制的電動液固三通導(dǎo)水閥在系統(tǒng)開啟前，將引流水從導(dǎo)水閥的一個(gè)出口導(dǎo)出至集水坑；待引流灰漿濃度提高時(shí)，操作控制箱按鈕，執(zhí)行器關(guān)閉導(dǎo)水閥該出口，然后將閥門出口換向另一管路，此時(shí)高濃度料漿進(jìn)入該管路連接的采空區(qū)進(jìn)行充填作業(yè)。采空區(qū)充填結(jié)束，清洗充填管路時(shí)，執(zhí)行相反操作，將洗管水也排至集水坑，最后通過水泵將集水坑廢水抽至井下中央排水系統(tǒng)。

依據(jù)導(dǎo)水閥需要實(shí)現(xiàn)的功能，在綜合考慮各類閥門性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將導(dǎo)水閥設(shè)計(jì)為圓柱式三通型式，1個(gè)進(jìn)口，2個(gè)出口。工作時(shí)，一路全開，一路全關(guān)，即進(jìn)行充填作業(yè)時(shí)打開其中一個(gè)出口，關(guān)閉另一個(gè)出口，需要進(jìn)行系統(tǒng)切換時(shí)，進(jìn)行反向操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以采用電動（液動、氣動）執(zhí)行器，操作時(shí)啟動控制箱按鈕，即可實(shí)現(xiàn)對閥門的換向功能，設(shè)計(jì)的導(dǎo)水閥必須具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動作靈敏等特性。

2.1 閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)的導(dǎo)水閥為圓柱型導(dǎo)水閥，由閥體、雙出口切換件、法蘭連接件、雙重球形密封組、調(diào)整與鎖定裝置、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、聚四氟乙烯涂層閥座、閥桿組成，閥體采用耐磨高強(qiáng)度球磨鑄鐵制作，結(jié)構(gòu)形式為1個(gè)進(jìn)口、2個(gè)出口，進(jìn)料口與系統(tǒng)主管路聯(lián)接，2個(gè)出料口分別與2個(gè)待切換分支管路聯(lián)接。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)水閥結(jié)構(gòu)原理(單位: mm)

2.2 切換功能

導(dǎo)水閥配 AQ50K30Z-EX電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，180度換向，口徑為150 mm，作業(yè)人員在現(xiàn)場通過操作箱操作，達(dá)到15 s換向，不需要人工拆卸倒換管道，大大降低了工人勞動強(qiáng)度，提升了工作效率。

2.3 導(dǎo)水閥技術(shù)參數(shù)

在研制過程中，結(jié)合井下現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際，制訂了導(dǎo)水閥相關(guān)技術(shù)參數(shù)（見表1），導(dǎo)水閥的設(shè)計(jì)全部依據(jù)該參數(shù)進(jìn)行。

表1 ZAZGM-100-16導(dǎo)水閥技術(shù)參數(shù)

3 導(dǎo)水閥應(yīng)用試驗(yàn)

采用棒磨砂（小于3 mm）、碎石(小于16 mm)、河沙及水泥制作充填料漿，料漿質(zhì)量濃度為77%～79%，溫度為20℃，公稱通徑為100 mm，壓力≤16 MPa，砂漿流速為3.6～4.3 m/s，砂漿流量為100～150 m3/h，進(jìn)行導(dǎo)水閥充填過程中的導(dǎo)水試驗(yàn)。

3.1 導(dǎo)水閥地表空載試驗(yàn)

導(dǎo)水閥研制完成后，為試驗(yàn)其性能，技術(shù)人員首先在地表對導(dǎo)水閥通電進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水閥料漿出口一側(cè)完全關(guān)閉時(shí)，另一側(cè)尚未開啟，管路無法泄壓，存在堵管的風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器內(nèi)限位裝置后，達(dá)到導(dǎo)水閥一側(cè)出口管路關(guān)閉時(shí)，另一側(cè)管路同時(shí)打開的技術(shù)要求，關(guān)閉與打開同步進(jìn)行。限位裝置調(diào)整完成后的空載試驗(yàn)效果相當(dāng)不錯(cuò)，操作靈活，切換時(shí)間短。導(dǎo)水閥在A出料口開始關(guān)閉時(shí)，B出料口同時(shí)打開，減少了料漿在閥體內(nèi)的停留時(shí)間，只有15 s時(shí)間即可完成2個(gè)出口之間的轉(zhuǎn)換，閥體密封嚴(yán)實(shí)，進(jìn)、出料口壓力降小。

3.2 導(dǎo)水閥井下空載試驗(yàn)

導(dǎo)水閥在地表試驗(yàn)完成后，2020年5月19日，安裝到金川二礦區(qū)井下生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行井下空載試驗(yàn)時(shí)卻不能正常運(yùn)行，分析原因后，發(fā)現(xiàn)是供電電源不匹配，地表是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，井下是中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，與導(dǎo)水閥配電箱電壓不匹配，需對導(dǎo)水閥配電箱進(jìn)行改造，使其與井下供電系統(tǒng)電壓匹配。經(jīng)改裝后，導(dǎo)水閥配電箱電源電壓達(dá)到井下供電要求，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，操作靈活，切換方便、省時(shí)、省力。

3.3 導(dǎo)水閥生產(chǎn)試驗(yàn)

井下空載試驗(yàn)完成后，2020年5月31日在金川二礦區(qū)井下V盤11#進(jìn)路安裝了1臺導(dǎo)水閥進(jìn)行帶料試驗(yàn)。試驗(yàn)前先將導(dǎo)水閥固定在采場充填小井，導(dǎo)水閥進(jìn)料口與充填小井內(nèi)管道連接，其中1個(gè)出料口與待充填采空區(qū)連接，另一個(gè)出口與盤區(qū)集水坑管路連接，開啟前將引流水直接引至集水坑，待充填料漿質(zhì)量濃度較高時(shí)，啟動控制箱按鈕，導(dǎo)水閥自動切換管路，在15 s內(nèi)將料漿轉(zhuǎn)換至與待充填采空區(qū)連接的管路，進(jìn)行正常的充填作業(yè)?，F(xiàn)場作業(yè)人員通過視頻觀察采空區(qū)接頂情況，待接頂充填完成后，電話通知中控室人員停止系統(tǒng)，然后開始沖洗管路，此時(shí)作業(yè)人員再次啟動導(dǎo)水閥控制箱按鈕，導(dǎo)水閥閥芯向相反方向轉(zhuǎn)動，將洗管水導(dǎo)出到集水坑，帶負(fù)荷試驗(yàn)取得圓滿成功。

為進(jìn)一步試驗(yàn)導(dǎo)水閥性能的可靠性，2020年6月14日在金川二礦區(qū)井下Ⅳ盤區(qū)安裝了第2臺導(dǎo)水閥，試驗(yàn)前后把洗管水全部導(dǎo)入集水坑，系統(tǒng)停止后，充填采場無灰漿溢流出來，減輕了現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)，操作靈活、輕松、可靠，且導(dǎo)水閥2個(gè)出料口都有較好的密封性能，無料漿泄漏現(xiàn)象，本次試驗(yàn)取得成功。

2020年6月17日，在金川二礦區(qū)井下935分段Ⅵ盤44#一期進(jìn)路安裝了第3臺導(dǎo)水閥。導(dǎo)流非常成功，效果很明顯，通過對充填進(jìn)路試水，采空區(qū)接頂非常好，有效提高了井下充填體強(qiáng)度，為礦山安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

3.4 導(dǎo)水閥技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）解決了礦山充填引流水和洗管水無法導(dǎo)出的問題，減少了充填體的分層離析現(xiàn)象，提高了充填接頂率，保證了充填體的完整性，為礦山的安全回采提供了保障。

（2）充填導(dǎo)水閥的成功研制，降低了員工的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，將員工從日常繁重的倒換管工作中解脫出來。

（3）提升了充填自動化水平。解決了倒換管時(shí)充填料漿泄漏問題，為促進(jìn)現(xiàn)場文明生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用導(dǎo)水閥每次接頂充填可減少充填溢流灰漿8 m3，充填料漿材料成本為120元/m3，共節(jié)約材料費(fèi)用960元。金川二礦區(qū)井下進(jìn)路設(shè)計(jì)長度為50 m，高度為4 m，寬度為5 m，每一條進(jìn)路出礦量為3000 t，按月出礦36萬t計(jì)算，每月充填同規(guī)格的進(jìn)路116條，扣除一些超長進(jìn)路和接頂時(shí)產(chǎn)生的少量溢流物，每月接頂采空區(qū) 70個(gè)，每月可節(jié)約材料費(fèi)用6.7萬元，全年可節(jié)約材料費(fèi)80.4萬元。

（2）應(yīng)用導(dǎo)水閥每次可減少充填溢流灰漿的分出和提升費(fèi)用160元，按每年接頂充填840個(gè)采空區(qū)計(jì)算，全年共節(jié)約充填溢流灰漿的分出和提升費(fèi)用13.4萬元。

（3）應(yīng)用導(dǎo)水閥每次接頂充填，可減少管路清洗用水，每次清洗管路用水約3 t，每t新水費(fèi)用按1.32元計(jì)算，全年可節(jié)約水費(fèi)2.52萬元。

（4）導(dǎo)水閥研制成功應(yīng)用于生產(chǎn)，杜絕了接頂充填灰漿溢流物混入礦石，降低了礦石損失貧化率，減少了充填溢流灰漿提升至地表對環(huán)境的污染；充填自動化水平的提高，還降低了員工勞動強(qiáng)度，極大地改善井下員工的作業(yè)環(huán)境,為實(shí)現(xiàn)采場的文明施工創(chuàng)造了條件。