超深井金屬礦山井下供水系統分析

高俊福

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

超深井金屬礦山井下供水系統分析

高俊福

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

介紹了金屬礦山井下常用的幾種供水系統，對不同深度礦山井下供水系統的適用性進行了分析，提出了一種可靠性較高且在超深井金屬礦山應用前景廣闊的井下供水系統。

超深井； 井下供水系統； 新型減壓水箱； 新型高中壓浮球閥

1 前言

金屬礦山井下生產時，需要大量的清潔水用于鑿巖、防塵、消防和冷卻。因坑內涌水匯集后水質較差，不能滿足礦山生產的要求，一般情況下，金屬礦山生產用水由地表向井下供應。近年來隨著國內淺部礦產資源的逐漸減少，深井金屬礦山不斷增多，1 200m以上的超深井礦山陸續開始建設，這對井下供水設施提出了更高的要求。井下生產用水要求的壓力為0.3～0.6MPa，大部分金屬礦山的井深在200～800m之間，地表供至井下生產水壓力為2.0～8.0MPa，供水壓力遠大于生產用水壓力，因此，井下供水必須進行減壓。井下供水系統的減壓方式有減壓閥減壓、減壓水箱(池)減壓以及減壓閥和減壓水箱(池)組合減壓等。超深井礦山從地表供至井下生產水壓力可達12MPa以上，需要分段減壓滿足生產要求。

2 常用的井下供水系統

國內金屬礦山井下常用的供水系統有3種方式，如圖1所示，通常由管路減壓閥、閘閥、壓力表和減壓水箱(池)組成。公稱壓力≤4.0MPa的減壓閥品種規格較多且壽命較長，公稱壓力6.4MPa的減壓閥品種規格較少且壽命短。《有色金屬工程設計防火規范》條文說明指出：設計井下消防管道的靜水壓力一般不超過4.0MPa。

井下供水系統的減壓閥是在水流動的過程中，利用其自身的局部阻力將水壓降低，達到減壓的目的。當低壓端停止用水，水不再流動時減壓閥則失去了減壓的功能，雖然減壓閥是可以關閉的，但在減壓閥關閉以前高壓端壓力已經傳導到低壓端。總之，減壓閥只可減動壓，而不能減靜壓。

圖1 常用井下供水系統示意圖

井下供水系統的減壓水箱為開式水箱，水箱內的水是無壓水，水箱的進水由管式浮球閥控制，進水管路水壓負荷F1的計算式為：

F1=πd2P/4

(1)

式中：F1——進水管水壓負荷，N；

d——進水管內徑，mm；

P——進水管進水靜壓，MPa。

直徑為D管式浮球閥的浮球浮力F2(按球浸沒在水中)的計算式為：

F2=πD3ρg/6

(2)

式中：F2——浮球浮力，N；

D——浮球直徑，mm；

ρ——水密度，kg/mm3；

g——重力加速度，m/s2。

考慮到浮球的自身重力相比浮球浮力F2要小得多，為簡化說明此處將其忽略，僅將浮球浮力視為浮球閥關閉作用力。則在平衡狀態下，F1與F2之間的關系式為：

F2=F1/K

(3)

式中：K——杠桿比。

將(1)和(2)代入(3)可導出：

(4)

取d=100mm，P=1MPa，ρ=10-6kg/mm3，g=10m/s2，K=5代入(4)得出D=670mm。分別取P=2、4MPa，其它條件不變可得出D=850、1 100mm。減壓水箱管式浮球閥的浮球直徑應大于計算數值，否則無法關閉。礦山的規模越大生產用水量越大，其供水管直徑越大，浮球閥浮球直徑越大；同樣礦井越深，供水靜壓越大，浮球閥浮球直徑也越大。減壓水箱內的水為無壓水，其既可以減動壓，也可以減靜壓。

圖1a所示減壓閥減壓供水系統適用井深在200～400m之間的金屬礦山，因其存在不能減靜壓的問題，供水系統的供水管路、閥門和其他附件耐壓等級均應滿足最大靜壓要求。圖1b所示減壓水箱減壓供水系統，因其浮球閥浮球直徑不能太大，只適用井深在200～300m之間的金屬礦山，否則減壓分段太多。井下生產用水時，浮球閥存在頻繁開關的問題。圖1c所示減壓閥和減壓水箱組合減壓供水系統，集合了上述兩種方式的特點，適用井深在200～800m之間的金屬礦山。

3 超深井井下供水系統

超深井礦山規模都比較大，生產用水量也大，井下供水系統供水管直徑也大。超深井供水靜壓力大，且供水管直徑大，常規的井下供水系統就需要更多的減壓分段，使系統更復雜。本文討論采用一種新型水箱減壓，以減少減壓分段，并解決浮球閥頻繁開關的問題。

金屬礦山超深井井下供水系統如圖2所示，由供水管路減壓閥、閘閥、壓力表和新型減壓水箱(池)組成。井下消防管道的靜水壓力要求一般不超過4.0MPa。井下生產水和消防水一般也是共用一條管道。因此，可以考慮每400m作為一個減壓分段。超深井供水系統可設3個或3個以上減壓分段。

圖2 超深井井下供水系統示意圖

超深井供水系統的新型減壓水箱采用新型高中壓浮球閥，其浮球閥的開關閥體設上進水管和下進水管、用1根細管將二者連通。閥瓣在靜水壓力下保持平衡，供水靜壓的高低對浮球閥的關閉沒有影響。浮球閥開關只需考慮浮球閥自身的阻力，關閥

的動力大大減小。這樣，很小的浮力就可以關閉浮球閥。新型浮球閥浮球上設有導桿，浮球可自由浮動一定的高度，使開關閥體保持一定穩定的開、關狀態，不再頻繁開關(詳見專利：減壓水箱，專利號：ZL 2015 2 0674409.1)。

超深井(≥1 200m)減壓供水系統采用新型減壓水箱，將高壓(P≥12MPa)系統轉化成中壓(P=4MPa)系統，降低了系統靜壓力，提高了系統的可靠性。

4 結語

超深井礦山從地表供至井下生產水壓力可達12MPa以上，超深井井下供水系統采用新型減壓水箱與減壓閥組合的分段減壓方式，利用減壓水箱將高壓系統轉化成幾個中壓系統，降低系統靜壓力，再利用減壓閥將中壓水減為能夠滿足生產用水要求的低壓水，這種供水系統適用井下的潮濕環境，可以實現自動供水，可靠性較高，在超深井金屬礦山可廣泛應用。

[1] 《采礦設計手冊》編委會.采礦設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1988.

[2] GB 50630- 2010,有色金屬工程設計防火規范[S].

[3] 中國恩菲工程技術有限公司.減壓水箱[P].中國專利：ZL 2015 2 0674409.1.

[4] 中國恩菲工程技術有限公司.井下減壓供水系統[P].中國專利：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，天津薊縣人，高級工程師，從事礦山機械設計工作。

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