底阀在煤矿主排水系统的影响

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摘要：为了探究底阀对煤矿主排水系统的影响，分别对主排水系统组件采用有、无底阀的两种方案进行计算和分析。结果表明：底阀会使煤矿主排水系统的可靠性和安全性下降，无底阀时水泵吸程和主排水系统的效率与有底阀时相比分别提高了３２０７％和０３％；二者在安装检修和土建成本等方面，无底阀的应用明显优于有底阀；在煤矿井下主排水系统设计和使用过程中，应尽量避免采用底阀为水泵引水，宜采用无底阀的真空泵加射流泵引水方式。

关键词：离心泵；底阀；煤矿安全；排水系统

目前，在我国煤矿井下排水系统中，大多采用带有射流引水或底阀装置的卧式多级离心泵作为主要设备［１］。一般的非潜水式离心泵采用射流引水装置或者在进口管末端配置底阀，是因为干式安装的离心泵没有自吸能力，只有在其叶轮完全注满水后，泵体才能形成必要的真空度，从而实现正常排水。在排水作业的工作环境中，离心泵的运行是不连续的，所以启动前必须向泵内引水。煤矿主排水系统中泵组引水的常用方法有：预制贮水箱向水泵注水、淹没式泵房注水、潜水泵向主泵注水、利用真空泵注水、利用排水母管的静压水用射流泵注水以及利用底阀为主泵引水等［２－４］。根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》（ＧＢ５０４５１－２００８）要求：吸入式离心水泵当具备无底阀引水条件时，宜采用无底阀射流引水方式［５］。但是，目前许多已经具备用无底阀射流方式引水的矿井中，仍采用底阀为主泵引水。虽然，在离心泵进口管末端配置底阀是引水的传统方式，但是底阀具有天然的缺陷［６－７］。本文将探究利用底阀为泵组引水对煤矿主排水系统可靠性、安全性、泵吸程以及效率等方面的不利影响，以期为煤矿主排水系统在设计和使用过程中提供有价值的参考。

１底阀对排水系统可靠性的影响

底阀，也被称为逆止阀，是一种低压平板阀，其结构如图１所示。底阀的主要作用是保证液体在吸入管道中单向流动，使泵正常工作；并且当泵短时间停止工作时，使液体不能返回水源箱，保证吸水管内充满液体，以利于泵的启动。底阀在阀盖上设有多个进水口，以降低底阀的堵塞几率，并配有筛网，以减少杂物的流入，一般适用于清洁介质，粘度和颗粒度过大的介质不宜使用底阀。大型底阀有较大的质量和体积，占用吸水井的有效空间，底阀到井底和井壁都有尺寸要求，势必增加吸水井的尺寸，导致增加土建成本。大型底阀在安装、检修时，需要起吊设备，从吸水井中起吊底阀，极为不便。在煤炭开采过程中，地下水与煤层、岩层直接接触，加上人类活动的影响，矿井水含有泥沙、爆破管等缠绕物。随着开采活动的增加，矿井水中的颗粒物含量、缠绕物、ｐＨ值、硫酸根离子以及氯离子等成分差别较大，所以底阀在使用过程中，容易发生阀杆和阀瓣密封面锈蚀、卡异物、密封不严等不良情况，严重影响主排水系统的可靠性。

２底阀对排水系统安全性的影响

根据《煤矿在用主排水系统安全检测检验规范》（ＡＱ１０１２－２００５）要求：当泵房有多台水泵时，单台水泵的启动时间应不大于５分钟［８］。因底阀容易发生锈蚀、密封不严、卡异物等故障，如果单台水泵的启动时间大于５分钟时，可能会出现不能正常启动的情况。一旦排水系统停止工作，就会影响煤矿井下正常排水，安全将得不到保障，严重时，可能会造成重大事故。

３底阀对主排水系统的影响分析

３.１主排水系统组件的结构

某煤矿主排水系统由４台ＭＤ４５０－６０×４多级离心泵、吸水管路和排水管路组成。泵的性能参数为：流量Ｑ＝４５０ｍ３／ｈ、扬程Ｈ＝２４０ｍ、转速ｎ＝１４８０ｒ／ｍｉｎ，必需汽蚀余量ＮＰＳＨｒ＝３８ｍ，泵效率η＝８０％，电机功率Ｐ＝４５０ｋＷ，电机效率ηｄ＝９４３％。吸水管路参数为：ＤＮ３５０×５吸水管，长１１ｍ，ＤＮ３５０、ＰＮ６底阀１个，ＤＮ３５０－３００收缩异径管１个，ＤＮ３００弯头１个。排水管路参数为：垂直安装高度２２３ｍ，ＤＮ３００×９排水管，长２６０ｍ，ＤＮ３００、ＰＮ４０止回阀１个，ＤＮ３００、ＰＮ４０闸阀２个，ＤＮ３００弯头５个。

３.２底阀对主排水系统吸程的影响

３.２.１吸水管路吸程损失计算吸水管路吸程总损失Ｈｓｆ：Ｈｓｆ＝（ψ１＋ψ２＋ψ３＋ψ４）Ｖｓ２／２ｇ＝（０８５＋１＋０３６＋１４）Ｖｓ２／２ｇ＝１６２１Ｖｓ２／２ｇ式中，ψ１为直管阻力系数，取ψ１＝λＬｄｄｇ＝０８５；ψ２为弯管阻力系数，取值１；ψ３为异径管系数，取值０３６；ψ４为滤网的底阀系数，取值１４。ＭＤ４５０－６０×４多级离心泵流量Ｑ＝４５０ｍ３／ｈ，吸水管流速Ｖｓ＝１３７７ｍ／ｓ，吸水管路吸程总损失Ｈｓｆ＝１５６８ｍ。从表１可以看出，吸水管路吸程损失Ｈｓｆ＝１５６８ｍ，其中底阀吸程损失为１３５４ｍ，底阀吸程损失占吸水管路总损失的８６４％，原因在于吸水管路安装底阀后，管路局部阻力显著增加，造成吸水管路吸程总损失增大。３.２.２水泵吸程的计算１）当采用底阀时，水泵吸程Ｈｓ：Ｈｓ＝ｈ－ｈｖ－Ｈｓｆ－ＮＰＳＨｒ－ΔＨ＝４２２２ｍ式中，ｈ为标准大气压下的水柱高度，取值１０３３ｍ；ｈｖ为常温清水的汽化压力水头，取值０２４ｍ；ΔＨ为安全余量，取值０５ｍ。２）当取消底阀时，水泵吸程Ｈｓ′：Ｈｓ′＝ｈ－ｈｖ－Ｈｓｆ′－ＮＰＳＨｒ－ΔＨ＝５５７６ｍ式中，Ｈｓｆ′为取消底阀的吸水管路吸程总损失，取值０２１４ｍ。从上述有、无底阀时的水泵吸程计算数据对比可以看出，有底阀时的水泵吸程为４２２２ｍ，无底阀时的水泵吸程为５５７６ｍ，无底阀时的水泵吸程比有底阀时高出３２０７％，原因是在排水工作过程中，底阀需要整体运动，消耗的功率较大，使得水泵的吸程减小，造成能量的损耗。从《矿山固定设备选用使用手册》可知，带滤网的底阀，随着底阀直径的加大，管件等值长度值越大，对吸程影响越大［９］。

３.３底阀对主排水系统效率的影响

３.３.１排水管路扬程损失计算排水管路扬程损失Ｈｄｆ：Ｈｄｆ＝（１＋２＋Ｚ３３＋Ｚ４４＋５）Ｖｓ′２／２ｇ＝（１＋２４８９＋１×５＋０５×２＋１４）Ｖｓ′２／２ｇ＝４５８９Ｖｓ′２／２ｇ式中，１为速度压力系数，取值１；２为直管阻力系数，取２＝λＬｄｄｇ＝００２７×２６０／０２８２＝２４８９；Ｚ３为弯管数量，５个；３为弯管阻力系数，取值１；Ｚ４为闸阀数量，２个；４为闸阀阻力系数，取值０５；５为止回阀阻力系数，取值１４。ＭＤ４５０－６０×４多级离心泵流量Ｑ＝４５０ｍ３／ｈ，排水管流速Ｖｓ′＝２０ｍ／ｓ，则排水管路扬程总损失Ｈｄｆ＝９３８ｍ。３.３.２主排水系统的效率计算管路扬程总损失Ｈｆ包括吸水管路扬程总损失Ｈｓｆ和排水管路扬程总损失Ｈｄｆ，即Ｈｆ＝Ｈｓｆ＋Ｈｄｆ。１）当采用底阀时，管路扬程总损失Ｈｆ：Ｈｆ＝Ｈｓｆ＋Ｈｄｆ＝１５６８＋９３８＝１０９４８ｍ泵总扬程Ｈ：Ｈ＝４＋１０９４８＋２２３＝２３７９４８ｍ管道效率ηｇ：ηｇ＝（２２３＋４）２３７９４８×１００％＝９５４％排水系统效率ηｘ：ηｘ＝ηｂηｄηｇ＝７１９７％吨水百米电耗Ｗ１００ｔ：Ｗ１００ｔ＝１（３６７×ηｘ）＝０３７８６ｋＷ·ｈ２）当取消底阀时，管路扬程总损失Ｈｆ′：Ｈｆ′＝Ｈｓｆ′＋Ｈｄｆ＝０２１４＋９３８＝９５９４ｍ泵总扬程Ｈ′：Ｈ′＝４＋９５９４＋２２３＝２３６５９４ｍ管道效率ηｇ′：ηｇ′＝（２２３＋４）２３６５９４×１００％＝９５８％排水系统效率ηｘ′：ηｘ′＝ηｂηｄηｇ′＝７２２７％吨水百米电耗Ｗ１００ｔ′：Ｗ１００ｔ′＝１３６７ηｘ′＝０３７７ｋＷ·ｈ从上述有、无底阀时主排水系统的效率计算数据对比可以看出，有底阀时的效率为７１９７％，无底阀时的效率为７２２７％，效率提高了０３％；从吨水百米电耗来看，有底阀时的电耗为０３７８６ｋＷ·ｈ，无底阀时的电耗为０３７７ｋＷ·ｈ，无底阀时的吨水百米电耗比有底阀时降低了０４２％。

３.４底阀综合影响分析

如表２所示，底阀对主排水系统可靠性、安全性、吸程、排水效率、水仓效率、吨水百米电耗以及安装检修等方面的不利影响较大，所以在设计、使用过程中，应尽量避免采用底阀为主泵引水。

４无底阀的真空泵加射流泵引水

１）矿井排水系统利用真空泵抽出吸水管和泵内空气，使泵体内充满水，然后启动水泵。新建矿井或主排水管内无压力水时，使用真空泵抽真空引水。２）当主排水管内有压力水或其他有压空气源时，用射流泵（见图２）抽出吸水管和泵内空气，射流泵没有运动部件，结构简单、成本低、启动主排水泵时间非常快、可靠性极高；其缺点是需要外部压力源，才能解决主排水泵第一次启动问题。３）真空泵通常为一用一备，互为备用，每台主排水泵配置一台射流泵，真空泵与射流泵通过阀门可以自由切换，从而保证排水系统主排水泵引水的高可靠性和高安全性。

５结论

通过综合比较分析有、无底阀对主排水系统的影响，得出主要结论如下：（１）具备无底阀引水条件的煤矿主排水系统，如果仍采用底阀为主泵引水，会使主排水系统的可靠性和安全性下降；（２）无底阀时的水泵吸程和主排水系统的效率与有底阀时相比都有一定提高；同时，在安装检修和土建成本等方面，无底阀的应用明显优于有底阀时；（３）在煤矿井下主排水系统设计和使用过程中，应尽量避免采用底阀为水泵引水，宜采用无底阀的真空泵加射流泵引水方式，其他类型矿山排水亦可借鉴。

作者：龚贤辉 罗优 单位：长沙佳能通用泵业有限公司