超深井金属矿山井下供水系统分析

高俊福

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

超深井金属矿山井下供水系统分析

高俊福

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

介绍了金属矿山井下常用的几种供水系统，对不同深度矿山井下供水系统的适用性进行了分析，提出了一种可靠性较高且在超深井金属矿山应用前景广阔的井下供水系统。

超深井； 井下供水系统； 新型减压水箱； 新型高中压浮球阀

1 前言

金属矿山井下生产时，需要大量的清洁水用于凿岩、防尘、消防和冷却。因坑内涌水汇集后水质较差，不能满足矿山生产的要求，一般情况下，金属矿山生产用水由地表向井下供应。近年来随着国内浅部矿产资源的逐渐减少，深井金属矿山不断增多，1 200m以上的超深井矿山陆续开始建设，这对井下供水设施提出了更高的要求。井下生产用水要求的压力为0.3～0.6MPa，大部分金属矿山的井深在200～800m之间，地表供至井下生产水压力为2.0～8.0MPa，供水压力远大于生产用水压力，因此，井下供水必须进行减压。井下供水系统的减压方式有减压阀减压、减压水箱(池)减压以及减压阀和减压水箱(池)组合减压等。超深井矿山从地表供至井下生产水压力可达12MPa以上，需要分段减压满足生产要求。

2 常用的井下供水系统

国内金属矿山井下常用的供水系统有3种方式，如图1所示，通常由管路减压阀、闸阀、压力表和减压水箱(池)组成。公称压力≤4.0MPa的减压阀品种规格较多且寿命较长，公称压力6.4MPa的减压阀品种规格较少且寿命短。《有色金属工程设计防火规范》条文说明指出：设计井下消防管道的静水压力一般不超过4.0MPa。

井下供水系统的减压阀是在水流动的过程中，利用其自身的局部阻力将水压降低，达到减压的目的。当低压端停止用水，水不再流动时减压阀则失去了减压的功能，虽然减压阀是可以关闭的，但在减压阀关闭以前高压端压力已经传导到低压端。总之，减压阀只可减动压，而不能减静压。

图1 常用井下供水系统示意图

井下供水系统的减压水箱为开式水箱，水箱内的水是无压水，水箱的进水由管式浮球阀控制，进水管路水压负荷F1的计算式为：

F1=πd2P/4

(1)

式中：F1——进水管水压负荷，N；

d——进水管内径，mm；

P——进水管进水静压，MPa。

直径为D管式浮球阀的浮球浮力F2(按球浸没在水中)的计算式为：

F2=πD3ρg/6

(2)

式中：F2——浮球浮力，N；

D——浮球直径，mm；

ρ——水密度，kg/mm3；

g——重力加速度，m/s2。

考虑到浮球的自身重力相比浮球浮力F2要小得多，为简化说明此处将其忽略，仅将浮球浮力视为浮球阀关闭作用力。则在平衡状态下，F1与F2之间的关系式为：

F2=F1/K

(3)

式中：K——杠杆比。

将(1)和(2)代入(3)可导出：

(4)

取d=100mm，P=1MPa，ρ=10-6kg/mm3，g=10m/s2，K=5代入(4)得出D=670mm。分别取P=2、4MPa，其它条件不变可得出D=850、1 100mm。减压水箱管式浮球阀的浮球直径应大于计算数值，否则无法关闭。矿山的规模越大生产用水量越大，其供水管直径越大，浮球阀浮球直径越大；同样矿井越深，供水静压越大，浮球阀浮球直径也越大。减压水箱内的水为无压水，其既可以减动压，也可以减静压。

图1a所示减压阀减压供水系统适用井深在200～400m之间的金属矿山，因其存在不能减静压的问题，供水系统的供水管路、阀门和其他附件耐压等级均应满足最大静压要求。图1b所示减压水箱减压供水系统，因其浮球阀浮球直径不能太大，只适用井深在200～300m之间的金属矿山，否则减压分段太多。井下生产用水时，浮球阀存在频繁开关的问题。图1c所示减压阀和减压水箱组合减压供水系统，集合了上述两种方式的特点，适用井深在200～800m之间的金属矿山。

3 超深井井下供水系统

超深井矿山规模都比较大，生产用水量也大，井下供水系统供水管直径也大。超深井供水静压力大，且供水管直径大，常规的井下供水系统就需要更多的减压分段，使系统更复杂。本文讨论采用一种新型水箱减压，以减少减压分段，并解决浮球阀频繁开关的问题。

金属矿山超深井井下供水系统如图2所示，由供水管路减压阀、闸阀、压力表和新型减压水箱(池)组成。井下消防管道的静水压力要求一般不超过4.0MPa。井下生产水和消防水一般也是共用一条管道。因此，可以考虑每400m作为一个减压分段。超深井供水系统可设3个或3个以上减压分段。

图2 超深井井下供水系统示意图

超深井供水系统的新型减压水箱采用新型高中压浮球阀，其浮球阀的开关阀体设上进水管和下进水管、用1根细管将二者连通。阀瓣在静水压力下保持平衡，供水静压的高低对浮球阀的关闭没有影响。浮球阀开关只需考虑浮球阀自身的阻力，关阀

的动力大大减小。这样，很小的浮力就可以关闭浮球阀。新型浮球阀浮球上设有导杆，浮球可自由浮动一定的高度，使开关阀体保持一定稳定的开、关状态，不再频繁开关(详见专利：减压水箱，专利号：ZL 2015 2 0674409.1)。

超深井(≥1 200m)减压供水系统采用新型减压水箱，将高压(P≥12MPa)系统转化成中压(P=4MPa)系统，降低了系统静压力，提高了系统的可靠性。

4 结语

超深井矿山从地表供至井下生产水压力可达12MPa以上，超深井井下供水系统采用新型减压水箱与减压阀组合的分段减压方式，利用减压水箱将高压系统转化成几个中压系统，降低系统静压力，再利用减压阀将中压水减为能够满足生产用水要求的低压水，这种供水系统适用井下的潮湿环境，可以实现自动供水，可靠性较高，在超深井金属矿山可广泛应用。

[1] 《采矿设计手册》编委会.采矿设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1988.

[2] GB 50630- 2010,有色金属工程设计防火规范[S].

[3] 中国恩菲工程技术有限公司.减压水箱[P].中国专利：ZL 2015 2 0674409.1.

[4] 中国恩菲工程技术有限公司.井下减压供水系统[P].中国专利：ZL 2015 2 0677752.1.

Analysis of underground water supply system for metal mine with ultradeep shaft

This paper introduced several underground water supply systems of metal mine in common use. The water supply systems applies to different depth underground mines were analyzed, an underground water supply system with high reliability and will be widely used in ultradeep metal mine was put forward.

ultradeep shaft; underground water supply system; new type water tank; new type high and medium-pressure ball-float valve

TD218

A

2017-03-24

高俊福(1964-)，男，天津蓟县人，高级工程师，从事矿山机械设计工作。

1672-609X(2017)03-0063-03