虹吸原理在煤礦采區排水中的應用

摘 要：基于潘西煤礦綜采工作面在開采過程中突水的情況，根據運輸巷起伏不平的特點，針對復雜的現場環境，分析研究了虹吸原理的應用條件，通過一定的措施和方法，實現自然疏水，達到高效排水目的。

關鍵詞：虹吸原理；煤礦；采區排水

1 概述

1.1 工作面概況

潘西煤礦主要開采煤層為煤3、煤19兩個煤層，煤19下距奧陶石灰巖含水層平均為60米，自開采以來累計發生10余次底板出水事故，給礦井的安全生產帶來威脅。煤19后六采區6195綜采工作面運輸巷沿煤層布置，長906米，呈里底外高樣式，最底處標高為-639.9米，最高處為標高為-633.0米，高差6.9米。6195工作面上平巷標高-548米，工作面長195米，裝備綜采支架和采煤機，實現綜合機械化采煤（圖1）。

6195運輸巷連接后六運輸上山，原煤經6195運輸巷至后六運輸上山下運，運輸巷通過6195片口車場連接后六軌道，后六運輸上山和后六軌道巷道傾角均為26度。

1.2 運輸巷排水情況

6195工作面2010年11月正式生產，2011年7月份底板陸續出現多處小股涌水，總計流量達95m3/h，分散多處的出水點最終積聚在運輸內，經運輸巷外排。

根據現場情況，在運輸巷最低點處擴修臥底，安裝6臺潛水泵（18.5kw和22.5kw各3臺），巷道內敷設￠108mm管路和￠159mm管路各一趟，設控制閥門連接6臺潛水泵，正常情況下3臺運行，3臺備用，涌水經兩趟管路排至6195片口車場后沿水溝流經至后六軌道實現外排（圖2）。

2 問題的提出

運輸巷內多臺潛水泵的投入，在狹小的巷道空間難以維護，并且造成電能和人員的浪費。通過對現場條件分析，由于排水高差不大，能否利用虹吸原理呢？下面對利用虹吸原理實現自然疏水的可行性進行分析研究。

3 虹吸現象及基本條件

3.1 虹吸現象

虹吸現象在我國很早就被發現并得到應用，古代稱“注子”、“偏提”、“渴烏”或“過山龍”等稱謂。據史料記載，宋朝就有用竹筒制作虹吸管把峻嶺阻隔的泉水引下山的記載，目前我國西南地區的少數民族還常用一根去節彎曲的長竹管飲酒，也是應用了虹吸現象。

3.2 虹吸原理

虹吸原理根本原因是由于壓強差在起作用，當彎管兩側中同一液面的壓強不同時，管中的液體就會向著壓強較小的一側流動。虹吸現象是液態分子間引力與位能差所造成的，即利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處。由于管口水面承受不同的大氣壓力，水會由壓力大的一邊流向壓力小的一邊，直到兩邊的大氣壓力相等，容器內的水面變成相同的高度，水就會停止流動，利用虹吸現象很快就可將容器內的水抽出。

3.3 實現虹吸的基本條件

要想利用虹吸原理就必須滿足以下三個條件：

（1）管內先裝滿液體；（2）管的最高點距上容器（要吸取水地點）的水面高度不得高于大氣壓支持的水柱高度；（3）出水口比上容器的水面必須低，這樣使得出水口液面受到向下的的壓強大于向上的大氣壓，保證水的流出。

4 應用分析與實施方案

4.1 應用分析

要想在現場應用虹吸原理實現自然疏水，首先要滿足三個基本條件：

（1）通過一臺大流量潛水泵充水，排出空氣，滿足管內裝滿液體要求；（2）確認準確標高。經測量運輸巷最高點標高為-633.0米，積水點標高為-636.5米，高差3.5米，通過計算，管路阻力損失5.5米，合計9米，大氣壓支持的水柱高度為10米，滿足大氣壓支持高度；（3）在后六軌道加接管路，延長至后六軌道下頭，這樣充滿水的管內兩端產生壓差，能夠保證水的流出。

4.2 實施方案

利用運輸巷已敷設的￠159mm排水管路，現用連接方式不變，在￠159mm管路積水點端加閥門和吸水籠頭，只留一臺潛水泵與￠159mm管路連通（管內充水用），其他閥門全部關閉，巷道內管路接頭密封處理。在運輸巷最高點處￠159mm管路上方設放氣閥門一個，車場加接管路延深至后六軌道下頭處并加控制閥門，用以限制流速和阻水排凈空氣。

4.3 應用后排水方式

正常情況下現場五臺潛水泵停運并關閉各泵閥門，一臺潛水泵運行供￠159mm管路，確保管內充滿水，自吸用閥門全開，軌道下閥門開度保持流量微小于工作面涌水量，保證自然疏水穩定。當吸水點水量積攢較多時，開啟第二臺泵通過￠108mm管路外排。

5 關鍵措施與注意事項

根據虹吸原理的三個基本條件，關鍵做好以下三點：

（1）管路空氣排出與密封。由于巷道排水管路較長，管接頭多，難免有個別接頭處密封不嚴使空氣進入，影響自吸排水過程。首先在整個管路最高點（標高-633米處）設置一個放氣閥門，其次是采用增加一層膠墊的方式，增強管接頭密封性能。

管路首次使用時采用潛水泵充水，出水口閥門關閉（同時做為限流量閥門），打開位于運輸巷最高點的放氣閥門，即可保證管內滿水。在正常運行過程中，結合一臺潛水泵運行，消除因管接頭密封不嚴而進入空氣造成的影響。

（2）嚴格控制虹吸上水段高差。雖然理想狀態下能夠達到10米，但現場實施起來非常困難，一是管路阻力影響，會降低吸水高度，二是管接頭密封不嚴造成空氣進入，也會大大影響吸水高度。若現場應用，需精準測算高差，并準確計算管路損失，控制在9米以內為宜。

（3）控制管內流速。管內流速過大必然造成負壓增大，溶于水中的空氣會釋出，中斷自吸過程。因此必須在出水口處加限流量閥門，保持管路內水流穩定。

（4）由于最高點放氣閥位置與吸水口和出水口較遠，首次充水運行前需提前確定聯系方法，前后默契配合，選擇經驗豐富的人員。

6 應用效果

6.1 直接減少了三臺潛水泵運行，現場只運行一臺潛水泵即可滿足排水需要，不僅提高了排水效率，而且減少了電力消耗。

6.2 現場只運行一臺設備，其他停運，相應的維護維修工作量降低，可減少1-2名維修工。

6.3 在用機電設備數量少，降低設備發生故障的機率，間接降低機電事故，減少對區域供電系統的影響，提高了供電系統的穩定性。

7 結束語

虹吸原理普遍存在于我們身邊的每個角落，只要進行合理的分析，通過一定的措施和方法充分利用，便會發揮他的長處，達到預期效果，實現低投入低成本高產出的目的，為企業節支降耗起到了積極的促進作用。

參考文獻

[1]于勵民，仵自連.礦山固定設備選型使用手冊[M].煤炭工業出版社，2007.