煤矿排水管道产生气阻的原因及解决办法

罗月鹏

(潞安环能股份公司 常村煤矿，山西 长治 046102)

管道排水广泛应用于矿井生产，采掘所至必有排水管道。管道输送的都是流体，必须了解它们的流动特性才能服务生产，否则会适得其反。矿井排水中常见的问题就是密封损坏，更换即可，不会产生大的危害。但是，气阻看不见摸不到，难查找，必须引起重视，否则将影响排水效率。

1 基本情况

煤矿井下采区排水时会出现这样的情况，在开启水泵初期，下水速度正常，但是过一段时间后，下水速度变得缓慢。工作人员会误认为是水泵吸水口堵塞，对水泵进行反冲洗；打开排水管道疏通淤泥阻塞；甚至更换水泵，但效果都不明显。实在找不出原因，只好在排水管路中间断开，增加中继泵站进行排水。

2 原因分析

排水管道的水流中存在空气，管道中的含气水流有层状流、环状流、波状流、团状流、气塞流、泡状流、雾状流，其流态受管线形状、管道内壁粗糙度、含气量、流速等因素的影响，复杂多变。由于管道中的含气水流流态的变化，空气的密度又比水的密度小，在管道的波峰位置，发生空气集中现象，这些集中的空气形成了气阻。气阻会增大沿程水头损失，降低排水效率。当水泵的排水压力无法克服这些额外的阻力时，排水管道中的水就会发生断流，致使无法排水。

2.1 管道中有空气

采区的废水通过水泵排入井下水仓，排水管道在水仓的出水口是开口端，水泵停止抽水后，管道中的水受重力的作用向低处流动，空气在排水口吸入管道。在管道中部的波峰位置，管道中压力降低，缘于管道使用沟槽链接，此时密封不再承压，丧失了密封性能，外界空气被吸入管道。再次排水时，管道中的空气容易形成气阻。

2.2 管道起伏多变

煤矿的排水管道沿巷道安装，随巷道起伏发生高低变化。再者管道经过巷道的交叉口，还要人为制作地沟，使管道发生了突变。排水管道的高低起伏变化和截面突变，是形成气阻的一个重要原因。

2.3 离心水泵

离心式水泵，是利用叶轮的旋转使水产生离心力，在叶轮中间产生负压吸水来工作的。在启动水泵前，必须在泵的壳体和吸水管中充满水，然后启动电机，否则抽水很慢或者根本无法抽水。

由于泵体中没有完全充满水或者泵体密封不严等原因，水泵排出的水中含有大量气泡。在输水管道中，含气水流的流态受流速、含气量、管路形状等因素的影响而变化，使含气水流中的空气逐渐析出，积聚在排水管路的波峰段，封闭在管道的高位。不断积聚的空气在一定的管道压力下成为压缩空气，最终在管道中形成气阻。

2.4 气阻模拟实验

为了直观反映排水管道内形成气阻的状态，用透明的软管进行了水力实验。方法如下：

用一根长5 m、直径20 mm的透明塑料软管，模仿井下排水管道的高低起伏，安装在标有高程刻度的墙上(图1)。透明软管的一端与大气连通，另一端与水箱连通。打开阀门“b”和阀门“o”，用足够小的水流速度，使水流到达透明软管的末端时，将形成如图1所示的状态:在c,d,e-f段会存留一些气体。

图1 透明软管水力实验示意

假设透明软管进水端的压力为Pa，出水端的压力为Po，在系统静态平衡时，根据流体静力学基本方程：

(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)

从(4)式可以看出，在重力平衡下的流体，其进水端的压力水头与位置水头之和与出水端的压力水头与位置水头之和相等。

要想使透明软管中的水流动的基本条件是： 进水端的压力水头与位置水头之和大于出水端的压力水头与位置水头之和，即：

无论是先打开管路进口端阀门还是管路出口端的阀门，向充满空气的管路中注水，由于水和空气的密度差很大，管道系统内或多或少的总会残存一些空气，在积存空气的量足够大的情况下，管路中的空气被波峰左侧的水面封住，从而形成了气阻。气阻的大小与管道系统的特性(管道的直径，波峰的高度、数量，管道内壁的粗糙度)有关。形成气阻后，管道系统末端出水需要的压力最大，当系统前端无法满足时，发生断流。

然而在突然打开阀门或者提高水箱位置的模拟实验时，并没有发生气阻现象。说明通过提高水泵排水的压力和流速可以消除气阻。

3 解决办法

由于煤层赋存条件的变化以及生产需要，排水管道不可能水平或者以一定的坡度安装，它总是蜿蜒起伏。

鉴于沟槽连接的快捷性，也不会改变现有的链接密封形式。

理论上，可以在吸水端同时开启多台水泵，使排水管道中的流速达到紊流状态，通过长时间的排水，促使管道高位的空气被水流携带出来。但是由于井下排水的时效性，以及有悖于排水的经济流速等问题，不可能采用此方法排出空气。

可以通过在排水管道的波峰位置和管道发生突变的位置安装排气阀门，当发生气阻时，工作人员开启一下阀门，排空管道波峰位置的空气即可。为了方便操作，可在发生气阻的位置安装自动排气阀，当有气阻发生时自动排气，可免去职工频繁操作。

4 结 语

本文通过简单的水力实验，模拟了排水管道发生气阻的现象，解释了气阻产生的原因。并通过简单的方法排除气阻，减少了一些无用的排查工作，保证了采区的正常排水。