深部礦井供水減壓穩壓控制技術

張勇

(陜西神木縣隆德礦業有限責任公司，陜西 神木 719319)

深部礦井供水減壓穩壓控制技術

張勇

(陜西神木縣隆德礦業有限責任公司，陜西 神木 719319)

通過設計多水平供水模式方案，給出煤礦多水平供水復雜管路、低水平供水壓力高的綜合解決方案。運用計算流體力學軟件對管路系統的壓力波動情況進行數值模擬分析，通過對比來分析流體在管內的流場壓力變化情況，以確保系統對工作面正常供水流量的干擾量小于20%。數值模擬結果可為電動閥門壓力及關閥時間的選取提供理論依據，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；數值模擬

0 引言

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

1 系統方案

本文通過設計多水平供水模式方案，給出煤礦多水平供水復雜管路、低水平供水壓力高的綜合解決方案。通過總體設計實現多水平分級供水，減少供水壓力并保證供水系統可靠性及井下供水壓力需求。為實現井下各個水平供水壓力的恒定，通過電接點壓力表控制系統實現防爆電動閥門的快速開啟及精確復位，并實現供水系統的遠程在線及就地監控[4]。

根據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，保證供水末端的管路不發生滲漏。課題的技術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據為基礎，綜合深井減壓及各類恒壓供水設計的優點，獲得全面進行礦井供水優化的方案，保證井下供水的安全穩定性。具體的實施方案可分為以下幾個步驟。

(1)多水平供水模式設計及比較。研究多水平供水壓力調節的各種方法并進行試驗驗證，比較各種方法的優缺點，給出現場適用、操作簡便的水壓調節方法。

(2)煤礦井下供水壓力及流量統計。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內容，通過自力平衡閥組、電接點壓力表、電動閥門等設備實現局部工作面的較低工作壓力。

在進行管路優化和供水系統優化的基礎上進行三級減壓和恒壓控制系統的實施。在主排水管路上加裝普通機械減壓閥，對壓力進行初次控制(具體壓力值根據現場情況確定)，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，采用電接觸點壓力表控制電動球閥，這樣可以降低系統的復雜性并實現穩定的壓力控制；最后在井下恒壓設備安裝管路上同步安裝超聲波流量計、壓力傳感器、串口轉換器、防爆電源等數據采集傳輸系統設備，將壓力和流量數據上傳至井上。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，當工作面用水設備停止的情況下末端支路壓力會急劇升高，當升高到4 MPa(可根據井下實際情況進行調節)時閥門關閉(此后末端管路的壓力就不會繼續升高)，此時移動管路不會導致管路泄漏。

2 數值模擬試驗分析

恒壓供水壓力的穩定性對工作面用水以及設備的正常運行非常重要，管路系統壓力的響應時間以小于10 s(檢測到超壓信號后的調節時間)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，由于該設備用于井下，通過實測的方式很難確定，該項目運用計算流體力學(CFD)軟件ANSYS CFX對管路系統的壓力波動情況進行建模及分析，以此來確定管路系統的壓力波動周期，保持供水量穩定，確保深部采掘工作面供水管路接頭不再漏水。

該套恒壓供水設備會對原有供水系統的流量有一定的干擾，波動量很難進行實測，同樣對閥門動態變化過程進行了數值模擬分析，通過對比來分析流體在管內的流場壓力變化情況，以確保系統對工作面正常供水流量的干擾量小于20%。該數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所需要的合理關閥時間提供理論依據，避免管路中水流的波動，對安裝實施具有一定指導意義。

2.1 數值模擬試驗方案

在進行數值模擬分析時進行了簡化處理，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。設定系統中入口為經自力平衡閥減壓后的水流，經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。試驗管路特征參數為：管道長度，10～100 m，為了節約計算時間，本文選擇管道長度為10 m；管道材質，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，水。首先利用Pro/E建立管路的三維幾何模型(如圖1所示)，完成實體建模和網格生成，對管道內連續液體的計算區域進行劃分，選取壓力監測點。

圖1 三維管道立體結構

該數值模擬的目的是研究流體在管內的流場壓力變化，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，壓力傳感器設置為壓力監測點，時間變化由速度出口來控制。

該設計采用六面體單元網格進行劃分，軸向單元尺寸為0.1 m，共有1 376個節點，如圖2所示。

圖2 網格劃分

在數值模擬的設定中首先設定工作壓力為0.1 MPa，即所有設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，為了模擬閥門關閉狀態，在出口設立一個速度隨時間變化的函數，這個函數暫定為線性函數。假設出口速度為2 m/s，這個設定值會在之后的參考變量中改變，用于對比試驗，從而得出試驗結論。

不考慮水在管路中的熱交換現象，數值模擬過程中選擇了質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量守恒方程封閉，壁面條件設定為無滑移邊界，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行求解,其中最大迭代步設為5。設置收斂殘差為10-4，當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

閥門關閉時產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，液體達到管內時閥門處于關閉狀態，產生一個負壓，水流又沿著管道傳遞到自力平衡閥，周而復始。這個壓力波會因為管道的摩擦阻力逐漸消失變成熱量。

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在管路中的傳遞情況和周期。

表1 原始數據分析

當閥門突然關閉時，閥門處的流體速度突然降為0，水的慣性將全部轉化為勢能施加在閥門處，使閥門處的流體變得可以壓縮，閥門處產生的壓力波向自力平衡閥釋放。試驗證明，水錘產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象進行進一步的模擬。

當出水速度增大時，根據動量守恒定律可知，閥門處壓力也會隨之增大，現設定出水速度為4 m/s，閥門關閉時間為0.01 s。由計算可得水錘壓力為6 MPa，由圖4所示的模擬結果可知，管內最大壓力為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

研究發現，水錘壓力與管內流體的流速有著密不可分的關系，為了能減小這一壓力，可以采取一些措施來預防水錘的發生。在實際生產中，一般采取延長閥門的關閉時間或在管路中設立減壓閥等措施。

同時，水錘壓力與水流速度也有著密不可分的關系，將閥門關閉時間設為參變量，針對閥門關閉時間對輸水管路進行研究。

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

圖5 閥門關閉時間為0.05 s時管內壓力變化曲線

將閥門關閉時間設定為0.10 s，遠大于0.01 s，流速設定為2 m/s，入口壓力為3 MPa，模擬計算結果如圖6所示。通過觀察可以看出，水錘效應完全消失。

圖6 閥門關閉時間為0.10 s時管內壓力變化曲線

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，將模擬出的結論與原始數據作對比，觀察入口壓力對管路的影響。

保持出口速度2 m/s和閥門關閉時間0.01 s不變，只改變入口靜壓，現將靜壓設置為2 MPa，模擬計算結果如圖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。入口靜壓變化數據分析見表2。

表2 改變入口靜壓后的數據分析

經以上數值模擬，可以得出以下結論。

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

(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，同時保證電動球閥的反應速度，減少對下游流動的影響，電動球閥的關閉時間設定為2 s，保證整個系統的響應時間小于10 s。

3 應用效果

恒壓供水設備及數據傳輸系統運行以來(其中一套待安裝)，系統設備運行穩定，井下供水壓力大多數情況維持在3.0～3.5 MPa，少數情況升高至3.5 MPa以上，水壓相對穩定，數據傳輸系統及時、準確，反饋了井下管路壓力和流量數據，該恒壓供水系統對壓力控制起到有效效果。

該系統主要通過在管路用水終端加裝局部控壓裝置進行水壓控制。隨著井下工作面的不斷推進，需要及時調整控制裝置的壓力限值，或將局部控壓裝置的安裝位置與供水管路同步推進，可有效控制用水終端的水壓。

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

[2]程高新，魏禮信.井下供水自動減壓系統設計[J].煤礦機械，2011,32(10):167-168.

[3]薛輝.煤礦千米深井自動減壓供水系統研制[D].濟南：山東大學，2011.

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

(本文責編：劉芳)

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

TD 218

A

1674-1951(2017)11-0016-04

2017-09-20；

2017-10-30