矿山充填电动液固三通导水阀研制及生产应用

郭彩守，张泽德，张国信，陈国军

(金川集团有限公司二矿区， 甘肃 金昌市 737100)

0 引言

金川矿区龙首矿、二矿区及三矿区主要采用下向胶结充填采矿法开采，井下采空区充填一般分为打底充填、二次充填、接顶充填3个过程，每一过程开始前需要用水对充填管路进行4～5 min引流、润滑，充填结束后需要根据井下充填管路长短对其进行7～10 min的清洗，导致大量的润管、洗管水进入采场，造成充填料浆离析、充填体强度降低。另外，采空区接顶充填一直是一个难题，主要是采空区接顶后，大量清洗管路的清水也会将本已充填接顶的进路料浆带走，再次造成接顶不完全，对进路回采安全造成严重影响，同时溢流出来的充填料浆混入矿石中也会造成矿石贫化，影响现场文明生产，需要投入大量的人力、物力清理。含充填料浆的矿石进入出矿溜井还会造成溜井堵塞、损坏出矿系统。因此，针对以上问题，研制了一种电动液固三通导水阀应用于生产，从而大大提高了充填一次接顶率，避免了充填开车前和停车后大量洗管水进入采空区，造成充填溢流物多、充填料浆离析、采空区充填不接顶等一系列弊病，为井下实现安全、高效回采提供了可靠保证，也为生产工区的安全标准化盘区建设创造了条件。

1 导水阀特性研究

阀门是随着流体管路的产生而产生的，阀门是流体输送系统中的控制部件，是流体系统中用来控制流体的方向、压力、流量的装置。阀门是使管路和设备内的介质（液体、气体、粉末）流动或停止并能控制其流量的装置。其具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。用于流体控制系统的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格相当繁多。

导水阀由电动执行机构和换向阀体两部分组成。换向阀具有换向功能，具备流量大、压降低和泄漏少的特点。阀门流通能力Cv是换向阀的主要参数之一，其定义为：当换向阀一侧全开，阀两端压差为0.1 MPa，流体密度为1 g/cm3时，每小时流经换向阀的流量数，也称流量系数，单位为t/h。根据流通能力Cv值大小查表就可以确定换向阀的公称通径。换向阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经换向阀的相对流量与其开度之间的关系。换向阀流量特性有线性特性、等百分比特性及抛物线特性3种。

（1）等百分比特性。等百分比特性的相对行程和相对流量不成直线关系，在行程的每一点上单位行程变化所引起的流量变化与此点的流量成正比，流量变化的百分比是相等的。流量小时流量变化小，流量大时则流量变化大，也就是在不同开度上具有相同的调节精度。

（2）线性特性。线性特性的相对行程和相对流量呈直线关系。单位行程的变化所引起的流量变化是不变的。流量大时，流量相对值变化小，流量小时，则流量相对值变化大。

（3）抛物线特性。流量按行程的平方成比例变化，大体具有线性和等百分比特性的中间特性。

从上述3种特性的分析可以看出，就其换向性能而言，以等百分比特性为最优，其换向稳定，换向性能好。而抛物线特性比线性特性的换向性能好，可根据使用场合的要求，挑选其中任何一种流量特性。

2 导水阀的设计方案

本文研制的电动液固三通导水阀在系统开启前，将引流水从导水阀的一个出口导出至集水坑；待引流灰浆浓度提高时，操作控制箱按钮，执行器关闭导水阀该出口，然后将阀门出口换向另一管路，此时高浓度料浆进入该管路连接的采空区进行充填作业。采空区充填结束，清洗充填管路时，执行相反操作，将洗管水也排至集水坑，最后通过水泵将集水坑废水抽至井下中央排水系统。

依据导水阀需要实现的功能，在综合考虑各类阀门性能特点的基础上，将导水阀设计为圆柱式三通型式，1个进口，2个出口。工作时，一路全开，一路全关，即进行充填作业时打开其中一个出口，关闭另一个出口，需要进行系统切换时，进行反向操作。执行机构可以采用电动（液动、气动）执行器，操作时启动控制箱按钮，即可实现对阀门的换向功能，设计的导水阀必须具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏等特性。

2.1 阀门结构设计

新设计的导水阀为圆柱型导水阀，由阀体、双出口切换件、法兰连接件、双重球形密封组、调整与锁定装置、电动执行机构、聚四氟乙烯涂层阀座、阀杆组成，阀体采用耐磨高强度球磨铸铁制作，结构形式为1个进口、2个出口，进料口与系统主管路联接，2个出料口分别与2个待切换分支管路联接。整体结构如图1所示。

图1 导水阀结构原理(单位: mm)

2.2 切换功能

导水阀配 AQ50K30Z-EX电动执行机构，180度换向，口径为150 mm，作业人员在现场通过操作箱操作，达到15 s换向，不需要人工拆卸倒换管道，大大降低了工人劳动强度，提升了工作效率。

2.3 导水阀技术参数

在研制过程中，结合井下现场生产实际，制订了导水阀相关技术参数（见表1），导水阀的设计全部依据该参数进行。

表1 ZAZGM-100-16导水阀技术参数

3 导水阀应用试验

采用棒磨砂（小于3 mm）、碎石(小于16 mm)、河沙及水泥制作充填料浆，料浆质量浓度为77%～79%，温度为20℃，公称通径为100 mm，压力≤16 MPa，砂浆流速为3.6～4.3 m/s，砂浆流量为100～150 m3/h，进行导水阀充填过程中的导水试验。

3.1 导水阀地表空载试验

导水阀研制完成后，为试验其性能，技术人员首先在地表对导水阀通电进行试运转，发现导水阀料浆出口一侧完全关闭时，另一侧尚未开启，管路无法泄压，存在堵管的风险，调整执行机构控制器内限位装置后，达到导水阀一侧出口管路关闭时，另一侧管路同时打开的技术要求，关闭与打开同步进行。限位装置调整完成后的空载试验效果相当不错，操作灵活，切换时间短。导水阀在A出料口开始关闭时，B出料口同时打开，减少了料浆在阀体内的停留时间，只有15 s时间即可完成2个出口之间的转换，阀体密封严实，进、出料口压力降小。

3.2 导水阀井下空载试验

导水阀在地表试验完成后，2020年5月19日，安装到金川二矿区井下生产现场进行井下空载试验时却不能正常运行，分析原因后，发现是供电电源不匹配，地表是中性点不接地系统，井下是中性点接地系统，与导水阀配电箱电压不匹配，需对导水阀配电箱进行改造，使其与井下供电系统电压匹配。经改装后，导水阀配电箱电源电压达到井下供电要求，运转正常，操作灵活，切换方便、省时、省力。

3.3 导水阀生产试验

井下空载试验完成后，2020年5月31日在金川二矿区井下V盘11#进路安装了1台导水阀进行带料试验。试验前先将导水阀固定在采场充填小井，导水阀进料口与充填小井内管道连接，其中1个出料口与待充填采空区连接，另一个出口与盘区集水坑管路连接，开启前将引流水直接引至集水坑，待充填料浆质量浓度较高时，启动控制箱按钮，导水阀自动切换管路，在15 s内将料浆转换至与待充填采空区连接的管路，进行正常的充填作业。现场作业人员通过视频观察采空区接顶情况，待接顶充填完成后，电话通知中控室人员停止系统，然后开始冲洗管路，此时作业人员再次启动导水阀控制箱按钮，导水阀阀芯向相反方向转动，将洗管水导出到集水坑，带负荷试验取得圆满成功。

为进一步试验导水阀性能的可靠性，2020年6月14日在金川二矿区井下Ⅳ盘区安装了第2台导水阀，试验前后把洗管水全部导入集水坑，系统停止后，充填采场无灰浆溢流出来，减轻了现场作业人员的劳动强度。试验时，操作灵活、轻松、可靠，且导水阀2个出料口都有较好的密封性能，无料浆泄漏现象，本次试验取得成功。

2020年6月17日，在金川二矿区井下935分段Ⅵ盘44#一期进路安装了第3台导水阀。导流非常成功，效果很明显，通过对充填进路试水，采空区接顶非常好，有效提高了井下充填体强度，为矿山安全生产创造了条件。

3.4 导水阀技术创新点

（1）解决了矿山充填引流水和洗管水无法导出的问题，减少了充填体的分层离析现象，提高了充填接顶率，保证了充填体的完整性，为矿山的安全回采提供了保障。

（2）充填导水阀的成功研制，降低了员工的劳动强度，提高了工作效率，将员工从日常繁重的倒换管工作中解脱出来。

（3）提升了充填自动化水平。解决了倒换管时充填料浆泄漏问题，为促进现场文明生产创造了条件。

4 结论

（1）应用导水阀每次接顶充填可减少充填溢流灰浆8 m3，充填料浆材料成本为120元/m3，共节约材料费用960元。金川二矿区井下进路设计长度为50 m，高度为4 m，宽度为5 m，每一条进路出矿量为3000 t，按月出矿36万t计算，每月充填同规格的进路116条，扣除一些超长进路和接顶时产生的少量溢流物，每月接顶采空区 70个，每月可节约材料费用6.7万元，全年可节约材料费80.4万元。

（2）应用导水阀每次可减少充填溢流灰浆的分出和提升费用160元，按每年接顶充填840个采空区计算，全年共节约充填溢流灰浆的分出和提升费用13.4万元。

（3）应用导水阀每次接顶充填，可减少管路清洗用水，每次清洗管路用水约3 t，每t新水费用按1.32元计算，全年可节约水费2.52万元。

（4）导水阀研制成功应用于生产，杜绝了接顶充填灰浆溢流物混入矿石，降低了矿石损失贫化率，减少了充填溢流灰浆提升至地表对环境的污染；充填自动化水平的提高，还降低了员工劳动强度，极大地改善井下员工的作业环境,为实现采场的文明施工创造了条件。