杭云輝

(南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司， 江蘇 南京 210033)

0 引 言

多級(jí)泵是進(jìn)出水段與中段通過(guò)拉桿組合在一起的一種離心泵，其輸出水壓力較大，需要依靠葉輪的旋轉(zhuǎn)獲取離心力，待氣體密度達(dá)到機(jī)械真空泵的工作范圍時(shí)抽出氣體，從而逐漸獲得高真空。礦山排水用的多級(jí)水泵大部分都安裝水泵進(jìn)水管及吸水底閥，設(shè)置底閥的目的是為了水泵在灌注引水時(shí)阻止引水水流流至吸水井，使用人為灌引水的方法以排除水泵泵體及吸水管內(nèi)的空氣，灌引水時(shí)使用排水管內(nèi)的積水或其水源加入水泵進(jìn)水管內(nèi)以排除空氣，從而開(kāi)動(dòng)水泵進(jìn)行排水[1-5]。

1 改造目的

南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司棲霞山鉛鋅礦，采用平硐盲豎井開(kāi)拓，平硐位于+14 m水平，主盲井已開(kāi)拓至-475 m水平，副盲井已開(kāi)拓至-625 m水平，并逐漸往深部延伸。-425 m中段以上已基本采完，目前主要開(kāi)采中段為-525， -575 m，主要開(kāi)采中段為-625 m和-675 m。礦山生產(chǎn)規(guī)模為35萬(wàn)t/a。根據(jù)礦床開(kāi)采技術(shù)條件，淺部礦體先后采用過(guò)崩落法及空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采，1994年20萬(wàn)t/a技改工程完成后，則一直采用上向水平分層點(diǎn)柱充填采礦法。

礦區(qū)為一低山丘陵，地勢(shì)東高西低。中間谷地寬廣，標(biāo)高約為7 m左右。北距長(zhǎng)江1.5 km，九鄉(xiāng)河經(jīng)礦區(qū)中部注入長(zhǎng)江、為季節(jié)性河流，干枯期4～6個(gè)月，一般流量3～8 m3/s，洪峰流量200～300 m3/s?；?guī)r中巖溶發(fā)育，含水巖層主要為第四系全新統(tǒng)孔隙承壓弱含水層、侏羅系中下統(tǒng)象山砂巖裂隙—孔隙承壓弱含水層、石炭—二疊系灰?guī)r裂隙—巖溶承壓含水層，因此井下排水任務(wù)量大，水泵使用頻率高、維修任務(wù)重。目前大多數(shù)礦山使用的水泵采用底閥灌注引水排水，在使用過(guò)程中存在水泵不能進(jìn)行正常排水、水泵吸水管內(nèi)空氣的排除困難、管路阻力、能量消耗大、水泵效率低、鑄鐵制造的水底閥易故障損壞、在密封不嚴(yán)或雜物進(jìn)入時(shí)水泵無(wú)法正常工作、檢修及維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度大且運(yùn)行成本高?；谏鲜龃嬖诘膯?wèn)題與不足，可考慮對(duì)真空罐進(jìn)行改造，采用無(wú)底閥真空罐[6-9]。

2 真空罐無(wú)底閥改造[10]

目前對(duì)水泵無(wú)底閥改造主要有噴射泵無(wú)底閥吸水式和真空罐無(wú)底閥吸水式2種技術(shù)。這兩種技術(shù)后者較前者制造容易、操作方便、安全可靠、效率高，而且易于實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)化控制，是目前具有廣泛推廣價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的一種方式，本文主要介紹真空罐無(wú)底閥水泵改造。

計(jì)算模型如圖1所示，真空罐由以下幾部分組成：

V=V1+V2+V3

(1)

式中,V1為真空罐內(nèi)灌水后空氣容積；V2為真空罐內(nèi)水位下降增加的空氣容積；V3為真空罐水位下降后剩余的水容積。

根據(jù)波文耳—馬略特定律：

P(V4+V1)=P1(V1+V2)

(2)

整理得：

(3)

式中，V4為吸水管容積。

根據(jù)能量方程有：

(4)

移項(xiàng)有：

(5)

式中,P為當(dāng)?shù)卮髿鈮海籔1為水泵運(yùn)行時(shí)罐內(nèi)空氣絕對(duì)壓力；Pk為真空度；H為吸水高度3～4 m；ν為吸水管流速1.5 m/s；g為重力加速度9.8 m/s2；i為水力坡降，查表約27.6‰；L為吸水管長(zhǎng)度，取7 m；∑ξ為局部阻力系數(shù)，取5.09。

令:

(6)

將式(6)代入式(3)得：

V2=mV4+(m-1)V1

(7)

將式(7)代入式(1)得：

V=m(V4+V1)+V3

(8)

圖1 計(jì)算模型

根據(jù)以上原理對(duì)現(xiàn)有的150D-30水泵進(jìn)行真空罐無(wú)底閥改造。水泵參數(shù)為：吸水管Φ168×6，流量155 m3/h、轉(zhuǎn)速為1480轉(zhuǎn)/min、效率77%。

根據(jù)水泵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空間擬制作直徑800 mm真空罐，計(jì)算罐體大小與高度，局部阻力系數(shù)∑ξ見(jiàn)表1。

表1 局部阻力系數(shù)

將吸水高度H=3～4 m、吸水管流速ν=1.5 m/s、重力加速度g=9.8 m/s2、水力坡降i=27.6‰、吸水管長(zhǎng)度L=7 m、局部阻力系數(shù)∑ξ=5.09代入式(5)，得Pk=3.9～4.9，則：

(9)

式中,P為當(dāng)?shù)卮髿鈮海?dāng)?shù)睾０螢?14 m，取10.3 m水柱。

(10)

式中,D為吸水管內(nèi)徑，為156 mm。將V1=0 m3、V4=0.134 m3、m=1.6～1.9代入式(7)得：

V2=mV4+(m-1)V1=0.214～0.255 m3

(11)

即，吸水高度分別為3 m和4 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的真空罐的有效容積為0.214 m3和0.255 m3。

將m、V1、V3、V4代入式(8)，則可得到真空罐的容積為：

V=m(V4+V1)+V3=0.292～0.333 m3

(12)

(13)

根據(jù)計(jì)算，可制作直徑800 mm，罐高700 mm真空罐實(shí)物，對(duì)150D-30水泵成功的進(jìn)行無(wú)底閥改造。圖2和圖3分別為改造前和改造后的真空罐。

圖2 改造前

圖3 改造后

3 結(jié) 論

對(duì)多級(jí)泵真空罐進(jìn)行無(wú)底閥改造，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)構(gòu)

件，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定；不必安裝另外的動(dòng)力裝置，因此制作及運(yùn)行成本較低，大幅改進(jìn)了水泵的工作效率；減少了檢修、維護(hù)、更換底閥的工作環(huán)節(jié)，減少了人力投入、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。裝置改造后在南京棲霞山鉛鋅礦經(jīng)過(guò)多年使用表明其效果良好，解決了多級(jí)泵排空氣難的問(wèn)題，達(dá)到了礦山節(jié)能增效的目的，可在礦山排水中廣泛推廣使用。

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