缓闭阀门在斜井应急排水防水锤中的应用

葛 亮 ，井婷婷

（1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039）

2000年至2012年期间，全国煤矿共发生透水事故1 113起、死亡4 451人，其中发生重大及以上透水事故92起、死亡1 706人，平均每年发生7起重大透水事故。2012年重大透水事故起数和死亡人数占全国煤矿重大事故的33.3%和25.3%[1]。虽然近几年煤矿突水灾害发生频率和致死人数总体呈下降和减弱趋势，但其防治形势依然不容乐观[2]，以斜井为主的矿山水灾事故正处于易发期，随着采深加大，透水事故呈现加重的趋势，已成为仅次于瓦斯爆炸的第二大灾害[3-4]，而且会造成一系列的环境和生态问题等隐性灾害[5]。水灾事故发生后，矿井应急工作的关键阶段为抢险救灾和治水保矿[6]。斜井水灾事故的抢险通常采用矿用应急排水水泵配接硬质的无缝钢管或SEP复合管的排水作业模式，相比新型的可扁平盘卷热塑性聚氨酯（TPU）软管，钢管密度为7.85 g/cm3，SEP 管密度为 1.8～1.9 g/cm3，而 TPU 管密度不超过1.4 g/cm3，在同口径、同用途时，TPU管质量小，且弯曲性能强，便于灾后井下安装。在实际应用中，逆止阀作为水泵的配套件，快速阻止泵与管内水体的直接接触，可在水泵停机时保护其免受水锤破坏，广泛用于竖井硬直金属管路。但对于TPU管，则需要具有缓闭功能的截止阀以解决水锤瞬间高压所产生的软体管道破裂问题[7-8]。基于此，提出了适用于功率500 kW以下、扬程400 m以下中小型矿用应急排水水泵在斜井水灾处置时防止非金属软管水锤破坏的技术措施，并开展了新型阀门在不同安装条件下整个缓闭过程中的模拟性能试验和流量变化特性的对比分析。

1 排水作业模式

具有抗静电和阻燃性能的TPU软管通过各段自带的快速连接装置组合形成，其入口与水泵出口之间安装具备缓闭功能的截止阀，并对此处压力进行实时监测，可在不破坏水泵的同时有效保护管网系统安全。整个管路的前段为跟随水泵下放的可托动部分，长度较短，而可直接铺设至井上的后段则通过防滑、防坠技术措施固定于井下围岩或巷道内设施上，避免通水承压状态下窜动。2段之间安装有放水阀过渡短节、压力表和闸阀。采用TPU管替代以往采用的硬质金属管路或复合管，在水仓倒水作业时实用性强，在斜井单泵排水、大流量接力泵吸水后并联排水等工艺模式条件下技术优势也尤为突出，特别是无需硬质管路井下输送用下管车，管路的安装更为灵活，在无轨斜井的应急排水作业中可发挥重要作用[9]，因此，排水软管的研究和应用是矿山应急排水领域当前装备配备的首选，也是未来相关研究的发展趋势。

2 缓闭阀门的选型

为了使斜井排水软管在实际应用中能够有效地防水锤破坏，需要采用可使管道内水体短时变流量排放的技术措施，具体通过在水泵出口处配接以下2种泄压时间可调的专用阀门实现。

2.1 多功能水泵控制阀

多功能水泵控制阀具有水力自动控制、启泵时缓开，停泵时先快闭、后缓闭的特点，兼具止回、消除水锤等功能[10]，分为主阀和外控组件2部分。主阀由阀体、大小阀板、阀杆、阀盖及活塞、活塞缸等构成，外控组件则包括微止回阀、调节阀、过滤器及相应管路。

阀门的启闭是依靠所输送介质压力及其在活塞缸内的压力差来进行的，动作时间受外控组件中调节阀控制。阀的启闭由大小阀板完成，大阀板发挥快开、快关作用，小阀板实现缓开、缓闭功能。启泵后介质通过外控部件进入活塞缸下腔，活塞上移带动小阀板上升，解除对大阀板的轴向约束，大阀板在进口介质压力作用下打开。当进口压力消失时，大阀板在阀出口端介质压力以及自重作用下迅速下降实现快关，截住大部分流体，同时活塞缸上腔压力推动活塞下降，使小阀板缓闭。在外控回路中分别设置调节阀，可调节活塞缸内活塞的上下运动速度，从而完成对阀板缓开和缓闭过程的调节[11]。

2.2 管力阀

管力阀是新型蝶式多功能水泵控制阀，主要由阀体、阀轴、大小阀板、控制缸、控制顶杆、旁通组件（可调式单向阀及相应管路）和其他装置（油杯、标示杆）等组成。阀门采用流体设计，兼具电动闸阀、电动蝶阀以及止回阀的功能。

启泵时介质压力推动偏心斜置的大阀板，产生开启动力，由此大阀板推动小阀板带动控制杆回入油缸，在油缸上腔控制阀的作用下，阀门缓慢开启，实现开阀。停泵时阀门进口端的压力低于某一预定值时，大阀板在重力的作用下快速关闭，截断大部分水流。小阀板自动开启，泄除出口端部分回流水，削减水锤峰值。控制油缸内的弹簧推动活塞下行，在下腔控制阀的作用下，使小阀板缓慢关闭，实现关阀。

2.3 2类阀门的性能对比

多功能水泵控制阀与管力阀均通过介质压力驱动，实现了阀门启闭与水泵的自动联锁，并采用双阀板泄流和顶置结构，安全可靠且便于维护与安装。管力阀在多功能水泵控制阀、液力阀的基础上，继承了上述两者的优良性能，同时参照美国止回阀技术在结构上进行了重大改进。2类缓闭阀门的性能对比见表1，相对于多功能水泵控制阀，管力阀作为新一代产品，其性能具有以下优点：①采用偏心蝶阀技术原理，其体积和质量只有同规格多功能水泵控制阀的1/3～1/2，与同规格液力阀相当；②蝶式结构阻力系数小，有利于管网运行的节能降耗，且动作更加灵敏；③管力阀的阀板惯性矩减小，阀板动作更灵活，同时采用斜置阀座，阀门启闭更平稳[12]。

表1 管力阀与多功能水泵控制阀的性能对比

2.4 软管与阀门的匹配方案

功率500 kW以下、扬程400 m以下中小型矿用应急排水水泵出口通径主要为DN200、DN150、DN100 3种规格，排水软管对应的强度要求分别为：①DN200软管的工作压力≥2.5 MPa、爆破压力≥5.0 MPa；②DN150软管的工作压力≥4.2 MPa、爆破压力≥8.4 MPa；③DN100软管的工作压力≥5.0 MPa、爆破压力≥10.0 MPa。

目前多功能水泵控制阀规格系列更全，均有对应型号与3类软管匹配，而管力阀最小规格为DN150，如果将其通径缩小至DN100，阀板及其控制顶杆等零部件就占据了很大的流道面积，流量性能方面将丧失优势。因此，在实际应用中，通径为DN200、DN150的排水软管应优先选配对应规格的管力阀，而通径更小的管力阀受结构和原理所限规格缺失，则DN100的排水软管只能与同通径的多功能水泵控制阀组合使用。以上分析所涉及的3种规格阀门，其公称压力指标范围均可分别覆盖对应的排水软管的强度要求，此规格匹配方案技术可行。

3 管力阀在不同安装条件下的性能试验分析

选取湖南泵阀制造有限公司研制的DN150、DN200、DN300 3种规格管力阀作为被测试对象，安装型式设定为垂直、倾斜30°、水平3种工况，其开度初始工况设定为完全打开（开度100%），并以10%为固定变量逐渐递减至全开程度的10%，等间隔的开度变化模拟了阀门缓闭的整个过程。通过记录流量计在不同工况下的对应读数，从而确定每种安装型式下流量随开度减小的变化趋势，不同规格的管力阀随开度减小的流量变化如图1～图3。

图1 DN150管力阀随开度减小的流量变化

图2 DN200管力阀随开度减小的流量变化

图3 DN300管力阀随开度减小的流量变化

DN200、DN300的管力阀在不同安装条件下，流量随开度的减小均呈现下降趋势。同一开度时，阀门水平安装型式流量最大，倾斜状态次之，垂直安装时数值最小，与理论预期分析正好相反，说明水平和倾斜安装时控制顶杆将阀板向可使开度增大的方向偏移。最小通径DN150的管力阀在同一安装条件下，流量除开度20%的数值低于开度10%的数值外，其他不同安装型式下，流量随开度减小的变化趋势也均呈现出同上特性。为更有效地说明阀门倾斜角度对流量的影响，以垂直安装时的流量为基准，计算分析与其他极端安装条件下不同开度所对应流量的偏差（极端安装条件和竖直安装条件所对应的流量值之差）。以DN200管力阀为例，其垂直和水平（极端安装条件）安装型式所对应的流量偏差见表2。

表2 DN200管力阀的流量偏差

DN200管力阀在开度10%状态下，水平安装所产生的流量偏差为0.000 5 m3/s，偏差率（偏差占基准的百分率）为3.29%。随着阀门开度的减小，流量偏差也逐渐降低，90%开度工况下的流量偏差为0.002 5 m3/s，是不同开度过程中的最大值，而偏差率在开度变化的过程中未出现特征明显的规律，偏差率处于2.95%～4.22%范围内，最大值和最小值分别出现在90%和20%开度工况。基于以上分析可知，安装型式对阀门缓闭过程中的流量性能的影响较小，管力阀能够适用于垂直以外的安装条件。

4 结语

1）通过对管力阀与多功能水泵控制阀的性能对比分析，首次为功率500 kW以下、扬程400 m以下中小型矿用应急排水水泵提供了适用于倾斜、水平安装模式的软管防水锤破坏的缓闭阀门差异化匹配方案，可切实解决斜井现场排水作业的关键问题。

2）目前管力阀最小规格为DN150，针对功率100 kW以下、扬程150 m以下的小型矿用应急排水水泵还需要继续开展管力阀的系列化研究，设计满足性能要求的DN100型精密结构。

3）在垂直、倾斜30°、水平3种安装条件下的DN150管力阀流量性能试验证明，小规格系列在流量随开度减小而递减的变化过程中，低开度工况的数值会突现局部上升趋势，此技术问题还需要进一步研究解决。