羅月鵬

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046102)

管道排水廣泛應(yīng)用于礦井生產(chǎn)，采掘所至必有排水管道。管道輸送的都是流體，必須了解它們的流動特性才能服務(wù)生產(chǎn)，否則會適得其反。礦井排水中常見的問題就是密封損壞，更換即可，不會產(chǎn)生大的危害。但是，氣阻看不見摸不到，難查找，必須引起重視，否則將影響排水效率。

1 基本情況

煤礦井下采區(qū)排水時會出現(xiàn)這樣的情況，在開啟水泵初期，下水速度正常，但是過一段時間后，下水速度變得緩慢。工作人員會誤認為是水泵吸水口堵塞，對水泵進行反沖洗；打開排水管道疏通淤泥阻塞；甚至更換水泵，但效果都不明顯。實在找不出原因，只好在排水管路中間斷開，增加中繼泵站進行排水。

2 原因分析

排水管道的水流中存在空氣，管道中的含氣水流有層狀流、環(huán)狀流、波狀流、團狀流、氣塞流、泡狀流、霧狀流，其流態(tài)受管線形狀、管道內(nèi)壁粗糙度、含氣量、流速等因素的影響，復(fù)雜多變。由于管道中的含氣水流流態(tài)的變化，空氣的密度又比水的密度小，在管道的波峰位置，發(fā)生空氣集中現(xiàn)象，這些集中的空氣形成了氣阻。氣阻會增大沿程水頭損失，降低排水效率。當水泵的排水壓力無法克服這些額外的阻力時，排水管道中的水就會發(fā)生斷流，致使無法排水。

2.1 管道中有空氣

采區(qū)的廢水通過水泵排入井下水倉，排水管道在水倉的出水口是開口端，水泵停止抽水后，管道中的水受重力的作用向低處流動，空氣在排水口吸入管道。在管道中部的波峰位置，管道中壓力降低，緣于管道使用溝槽鏈接，此時密封不再承壓，喪失了密封性能，外界空氣被吸入管道。再次排水時，管道中的空氣容易形成氣阻。

2.2 管道起伏多變

煤礦的排水管道沿巷道安裝，隨巷道起伏發(fā)生高低變化。再者管道經(jīng)過巷道的交叉口，還要人為制作地溝，使管道發(fā)生了突變。排水管道的高低起伏變化和截面突變，是形成氣阻的一個重要原因。

2.3 離心水泵

離心式水泵，是利用葉輪的旋轉(zhuǎn)使水產(chǎn)生離心力，在葉輪中間產(chǎn)生負壓吸水來工作的。在啟動水泵前，必須在泵的殼體和吸水管中充滿水，然后啟動電機，否則抽水很慢或者根本無法抽水。

由于泵體中沒有完全充滿水或者泵體密封不嚴等原因，水泵排出的水中含有大量氣泡。在輸水管道中，含氣水流的流態(tài)受流速、含氣量、管路形狀等因素的影響而變化，使含氣水流中的空氣逐漸析出，積聚在排水管路的波峰段，封閉在管道的高位。不斷積聚的空氣在一定的管道壓力下成為壓縮空氣，最終在管道中形成氣阻。

2.4 氣阻模擬實驗

為了直觀反映排水管道內(nèi)形成氣阻的狀態(tài)，用透明的軟管進行了水力實驗。方法如下：

用一根長5 m、直徑20 mm的透明塑料軟管，模仿井下排水管道的高低起伏，安裝在標有高程刻度的墻上(圖1)。透明軟管的一端與大氣連通，另一端與水箱連通。打開閥門“b”和閥門“o”，用足夠小的水流速度，使水流到達透明軟管的末端時，將形成如圖1所示的狀態(tài):在c,d,e-f段會存留一些氣體。

圖1 透明軟管水力實驗示意

假設(shè)透明軟管進水端的壓力為Pa，出水端的壓力為Po，在系統(tǒng)靜態(tài)平衡時，根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程：

(1)

得：

Po+γW×ho=Pe-f+γW×hf

(2)

Pe-f+γW×he=Pa+γW×ha

(3)

由(2)式和(3)式得：

(4)

從(4)式可以看出，在重力平衡下的流體，其進水端的壓力水頭與位置水頭之和與出水端的壓力水頭與位置水頭之和相等。

要想使透明軟管中的水流動的基本條件是： 進水端的壓力水頭與位置水頭之和大于出水端的壓力水頭與位置水頭之和，即：

無論是先打開管路進口端閥門還是管路出口端的閥門，向充滿空氣的管路中注水，由于水和空氣的密度差很大，管道系統(tǒng)內(nèi)或多或少的總會殘存一些空氣，在積存空氣的量足夠大的情況下，管路中的空氣被波峰左側(cè)的水面封住，從而形成了氣阻。氣阻的大小與管道系統(tǒng)的特性(管道的直徑，波峰的高度、數(shù)量，管道內(nèi)壁的粗糙度)有關(guān)。形成氣阻后，管道系統(tǒng)末端出水需要的壓力最大，當系統(tǒng)前端無法滿足時，發(fā)生斷流。

然而在突然打開閥門或者提高水箱位置的模擬實驗時，并沒有發(fā)生氣阻現(xiàn)象。說明通過提高水泵排水的壓力和流速可以消除氣阻。

3 解決辦法

由于煤層賦存條件的變化以及生產(chǎn)需要，排水管道不可能水平或者以一定的坡度安裝，它總是蜿蜒起伏。

鑒于溝槽連接的快捷性，也不會改變現(xiàn)有的鏈接密封形式。

理論上，可以在吸水端同時開啟多臺水泵，使排水管道中的流速達到紊流狀態(tài)，通過長時間的排水，促使管道高位的空氣被水流攜帶出來。但是由于井下排水的時效性，以及有悖于排水的經(jīng)濟流速等問題，不可能采用此方法排出空氣。

可以通過在排水管道的波峰位置和管道發(fā)生突變的位置安裝排氣閥門，當發(fā)生氣阻時，工作人員開啟一下閥門，排空管道波峰位置的空氣即可。為了方便操作，可在發(fā)生氣阻的位置安裝自動排氣閥，當有氣阻發(fā)生時自動排氣，可免去職工頻繁操作。

4 結(jié) 語

本文通過簡單的水力實驗，模擬了排水管道發(fā)生氣阻的現(xiàn)象，解釋了氣阻產(chǎn)生的原因。并通過簡單的方法排除氣阻，減少了一些無用的排查工作，保證了采區(qū)的正常排水。