礦山井下供水系統水減壓閥
上海申弘閥門有限公司
之前介紹三級減壓閥串聯，現在介紹礦山井下供水系統水減壓閥根據煤礦井下供水的特點，從節約水資源、減少能源消耗、降低礦井生產成本出發，探討經濟可行、安全可靠的煤礦井下供水方案，為煤礦的正常安全生產提供可靠的保證。水用減壓閥介質走向由上進下出，當調節出口壓力時，順時針旋轉調節螺栓，使活塞向下移動，打開主閥，改變節流面積，造成壓力損失，實現減壓目的。由于閥后介質通過通道流入活塞下腔并與活塞上方保持平衡，當壓力和流量變化時，使主閥節流面積始終保持相應位置，由于本閥采用卸荷機構，減小進口壓力變化對出口壓力影響，同時加大了出口壓力作用面積，即加大敏感元件作用面積，從而減小了閥門出口壓力偏差，大大提高了減壓閥的穩定效果。
關鍵詞：礦山井下供水系統水減壓閥礦井供水；優化方案；減壓閥；節約能源
1 概述
我國是個淡水資源緊缺的國家，節水節能是我國的一項基本國策。對于從事煤炭生產的煤礦，井下的消防灑水、滅塵噴霧、冷卻降溫等方面需要消耗大量的用水。在煤炭開采的開拓方案中，無論是平硐開拓、斜井開拓還是立井開拓，其主要開拓大巷通常布置在其中的某個水平，而煤層的賦存通常有一定的傾角，同一煤層在井田范圍內的埋藏是不同的，對于煤層群更是埋藏在不同的地質層高內，因此在同一井田范圍的不同采區高差可相差幾百米。
煤礦井下供水多數由地面經井筒中的供水管路以自流靜壓的方式向井下供水。這樣因水的靜壓原因不同層高的采區水壓差很大，上山開拓的采區的水壓低于主水平大巷，下山開拓的采區的水壓高于主水平大巷。其結果是有的地方供水不足，有的地方水壓過高造成爆管或損壞設備，影響礦井的安全生產。上海申弘閥門有限公司生產相關的產品有：減壓閥(氣體減壓閥Y42X水用減壓閥適用于水或空氣主要以液體為主的液體減壓閥，密封面為軟密封可選用丁晴橡膠和四氟型號分別為 Y42X和Y42F ，閥門本身不帶壓力表可在法蘭兩端加裝壓力表可方便自行調節。該減壓閥為彈簧活塞式減壓閥，是Y416X彈簧薄膜式減壓閥的換代產品。
本產品為水用減壓閥Y42X-16C DN150
閥門全稱：彈簧直接作用減壓閥 彈簧活塞式減壓閥 彈簧薄膜式減壓閥
主要連接尺寸為：長度L-450mm 高度:H1-205 H2-580mm 法蘭連接尺寸可以按照客戶需求 JB GB HG 三個標準執行 適用溫度：0～90℃
2 煤礦井下供水應注意的事項
按照2006年11月1日起實施的《煤礦井下消防、灑水設計規范》規定，煤礦井下供水的大壓力不得超過4.0MPa，此規定的目的除考慮投資成本、運行成本外，還考慮到因水壓過高造成爆管后可能對在巷道中的行人存在安全威脅。
煤礦井下用水主要是消防用水，噴霧降塵用水，機電設備的冷卻用水。如果水壓過大，則水量消耗大，同時可能對機電設備造成爆裂事故。而水壓過小，則水量小致使霧化效果不好，除塵效果差，同時機電設備的冷卻水量不足而超溫停機。
對于采區使用的機電設備對冷卻用水水壓的要求通常是≤3.0MPa，理想水壓在1.5～2.5MPa，既能滿足設備冷卻水壓的要求，又可保證消防、灑水的水壓需要。
3 現煤礦常用的供水方式及缺點
對于煤層賦存較淺(300~400m)的煤礦，大多采用靜壓直接向井下供水，而井深超過400m深的礦井就不能直接供水了，必須進行降壓后才能供水，否則因壓力過高一方面是容易造成管路爆管事故，跑水，浪費水資源，另一方面是爆管后的高壓水對在巷道中的行人存在安全威脅。因此較深的礦井常采用以下幾種供水方式：
(1)在井下建降壓水池，地面的水經井筒中的管道以靜壓向井下降壓水池供水，在降壓水池邊設立給水泵站，通過水泵向采區供水。
此種供水方式的缺點是只能使主水平大巷的供水壓力符合規范規定，不能保證上山采區、下山采區的供水壓力合理，水泵供水還消耗大量的能源，供水系統的維護成本高。
(2)在井下大巷的主供水管道上設立疏水降壓閥，直接向大巷水溝中排放出一部分水來達到降壓的目的。
其缺點是排放的水被浪費，增加了礦井的排水量，不能保證井下供水系統的壓力穩定，上山采區、下山采區的供水壓力不合理。
(3)老礦井也采用井下建水池，收集采空區的水，再通過水泵向各采區供水。其缺點是不能保證上山采區、下山采區的供水壓力合理，另未經處理的井下水中含有腐蝕性的成份，增加了管路和機電設備的故障率，加大了維修成本，同時影響管路和機電設備的使用壽命，無形中增加了礦井的生產成本。
水用減壓閥工作原理：
本閥通過啟閉件的節流，造成壓力損失迫使進口壓力在出可處降低某一個需要植，當流量和壓力變化時，利用本身介質能量，來控制出口壓力基本不變的目的。
4 優化的供水方案
煤礦供水因其特殊性，供水系統屬開式、高壓、大流量，不同時段的用水量不均衡，考慮機電設備承壓的能力等特點，要求系統應簡單可靠，減少管路的跑、冒、滴、漏，節約水資源，降低維護成本和降低能源消耗，為礦井的生產提供安全保障。
因此煤礦井下供水的理想方案應滿足以下條件：利用煤炭開采過程中的礦井涌水，減少從地面取水以節約水資源；系統壓力穩定且具有流量自適應性；供水系統的能源消耗少。為此在調研多個礦井的供水系統后，經反復比較提出以下兩個適用于煤礦井下供水系統的方案。
方案I：利用地面礦井水處理站處理后的礦井水，井下采用比例減壓閥分區減壓供水。井下供水系統如圖1所示。
圖1 井下供水系統圖
利用井下主排水泵排到地面的礦井水經處理站處理的水自流到井筒中的主供水管，在下井口分為2路。一路選用大比例的減壓閥將水壓減壓到4.0MPa以下，在主要大巷中敷設1趟管路上山采區，保證上山采區的供水壓力在1.5~4.0MPa。另一路選用較小比例的減壓閥將水壓減到3.0MPa以下，經大巷中的主供水管路向主水平及下山采區供水。對于下山采區垂高超過100m的工作面，再增加小比例的減閥壓將水壓減到3.0MPa。
井下供水的水源壓力是由水的勢能靜壓決定的，對于1個具體的礦井，在下井口的實際壓力是由井筒深度決定的，是1個固定值，選用適當的比例減壓閥后，各減壓閥出口壓力也為一個定值，可以方便地控制各采區的供水壓力范圍。如某礦的主水平井筒深度為600m，下井口的水壓約為6MPa，對于主水平管路可選2：1的減壓閥將出口壓力減到3.0MPa，對于上部采區選用3：2的減壓閥將出口壓力減到4.0MPa。
方案Ⅱ：在井下建澄清水池和設置水處理裝置，采用變頻控制的水泵供水。
根據礦井需要的用水量，在井下建適當容量澄清水池，設置水處理裝置，收集采空區和地質探放鉆孔中的清水在井下澄清水池中進行加藥處理，消除水中的腐蝕性的成份后使用。井下供水泵站選用防爆型的變頻器進行控制，水泵出口設壓力傳感器將壓力信號反饋給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，水泵輸出壓力穩定、流量滿足系統需要水量。
水泵的出口壓力可根據礦井的生產布局情況進行設定，當有上山開采的采區時，可將壓力調整接近4.0MPa沒有上部采區時將壓力減小到3.0MPa。主水平附近的下部采區可選用比例減壓閥控制供水壓力，礦井延伸的下部水平可采用從澄清水池以自流靜壓的方式供水。
5 減壓閥的選用
因井下用水量大，水介質的清潔度相對較差，因此必須選用流量大、抗污染能力強且制造成本低的減壓閥。減壓閥的種類有定比減壓閥、定壓減壓閥和定差減壓閥。
對于大流量的回路中，定壓減壓閥和定差減壓閥只能采用先導型，則其對介質清潔度的要求高，同時這2種減壓閾的制造成本較高，不能滿足井下供水系統中使用。定比減壓閥因制造方便且抗污染能力強，因此在井下供水系統中選用定比減壓閥。定比減壓閥的工作原理如圖2所示。
圖2 定比減壓閥的工作原理
定比減壓闊的工作原理是高壓介質從p1口進入減壓閥，壓力作用在閥芯柱塞的小端，推動閥芯左移，介質經節流口和閥體內的流道到閥芯柱塞的大端，減壓后的壓力作用下推動閥芯右移，按照原設定的減壓比例達到1個平衡位置，使p2按p1的比例輸出相應的壓力。
閥芯的受力平衡方程式為：
當介質流經減壓閥時，在閥芯兩端壓力的作用下，自動平衡調節節流口開度的大小，保持出口壓力按進口壓力的比例輸出，而與流經減壓閥的流量無關。當介質不流動時，靜壓作用下閥芯右移關閉節流口，維持進出口的壓力比例不變。
從定比減壓閥的工作原理可知，當系統需要介質時，介質流流經減壓閥，按定比減壓。當系統不需要介質時，自動關斷而保持減壓比不變。此種既能減動壓，又能減靜壓的原理特別適用于煤礦井下的開式供水的管路系統中，無論流量大小始終保證出口壓力穩定。
實際使用中，根據p1的壓力和所需p2壓力的大小，選擇閥芯兩端的直徑，制成相應的減壓比，如2：1，3：2，4：3等。也可將減壓閥制造成管道式結構，便于在供水管路中安裝。
6 結束語
本文提出的2種方案克服了現行供水方式的缺點，2種方案比較如下。分區減壓供水方案優點有：水源取自地面礦井水處理站，供水系統簡單，日常管理方便，沒有電能消耗，管道故障率低，系統的維護成本低。缺點是在大巷中需增加一趟為上部采區供水管路。
變頻控制供水方案優點有：在井下處理礦井水直接利用，減少了礦井總的排水量可節約電能，供水系統不需在井筒中敷設高壓管路，從根本上杜絕了爆管跑水事故，采用變頻控制能提高供水泵的使用壽命和節約電能。缺點是初期投資成本相對較高。
這2種方案都具有以下優點：井下各采區供水壓力穩定合理，滿足《煤礦井下消防、灑水設計規范》規定要求，供水流量自適應生產的實現需要，不需取用地表水節約淡水資源，礦井總能源消耗減少，供水的總成本大大降低，礦井水再利用后減少外排量，達到環保效果。與本產品相關論文：不銹鋼減壓閥在富士儀表應用
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