郭彩守，張澤德，張國信，陳國軍

(金川集團有限公司二礦區(qū)， 甘肅 金昌市 737100)

0 引言

金川礦區(qū)龍首礦、二礦區(qū)及三礦區(qū)主要采用下向膠結充填采礦法開采，井下采空區(qū)充填一般分為打底充填、二次充填、接頂充填3個過程，每一過程開始前需要用水對充填管路進行4～5 min引流、潤滑，充填結束后需要根據井下充填管路長短對其進行7～10 min的清洗，導致大量的潤管、洗管水進入采場，造成充填料漿離析、充填體強度降低。另外，采空區(qū)接頂充填一直是一個難題，主要是采空區(qū)接頂后，大量清洗管路的清水也會將本已充填接頂?shù)倪M路料漿帶走，再次造成接頂不完全，對進路回采安全造成嚴重影響，同時溢流出來的充填料漿混入礦石中也會造成礦石貧化，影響現(xiàn)場文明生產，需要投入大量的人力、物力清理。含充填料漿的礦石進入出礦溜井還會造成溜井堵塞、損壞出礦系統(tǒng)。因此，針對以上問題，研制了一種電動液固三通導水閥應用于生產，從而大大提高了充填一次接頂率，避免了充填開車前和停車后大量洗管水進入采空區(qū)，造成充填溢流物多、充填料漿離析、采空區(qū)充填不接頂?shù)纫幌盗斜撞。瑸榫聦崿F(xiàn)安全、高效回采提供了可靠保證，也為生產工區(qū)的安全標準化盤區(qū)建設創(chuàng)造了條件。

1 導水閥特性研究

閥門是隨著流體管路的產生而產生的，閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，是流體系統(tǒng)中用來控制流體的方向、壓力、流量的裝置。閥門是使管路和設備內的介質（液體、氣體、粉末）流動或停止并能控制其流量的裝置。其具有截止、調節(jié)、導流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能。用于流體控制系統(tǒng)的閥門，從最簡單的截止閥到極為復雜的自控系統(tǒng)中所用的各種閥門，其品種和規(guī)格相當繁多。

導水閥由電動執(zhí)行機構和換向閥體兩部分組成。換向閥具有換向功能，具備流量大、壓降低和泄漏少的特點。閥門流通能力Cv是換向閥的主要參數(shù)之一，其定義為：當換向閥一側全開，閥兩端壓差為0.1 MPa，流體密度為1 g/cm3時，每小時流經換向閥的流量數(shù)，也稱流量系數(shù)，單位為t/h。根據流通能力Cv值大小查表就可以確定換向閥的公稱通徑。換向閥的流量特性，是在閥兩端壓差保持恒定的條件下，介質流經換向閥的相對流量與其開度之間的關系。換向閥流量特性有線性特性、等百分比特性及拋物線特性3種。

（1）等百分比特性。等百分比特性的相對行程和相對流量不成直線關系，在行程的每一點上單位行程變化所引起的流量變化與此點的流量成正比，流量變化的百分比是相等的。流量小時流量變化小，流量大時則流量變化大，也就是在不同開度上具有相同的調節(jié)精度。

（2）線性特性。線性特性的相對行程和相對流量呈直線關系。單位行程的變化所引起的流量變化是不變的。流量大時，流量相對值變化小，流量小時，則流量相對值變化大。

（3）拋物線特性。流量按行程的平方成比例變化，大體具有線性和等百分比特性的中間特性。

從上述3種特性的分析可以看出，就其換向性能而言，以等百分比特性為最優(yōu)，其換向穩(wěn)定，換向性能好。而拋物線特性比線性特性的換向性能好，可根據使用場合的要求，挑選其中任何一種流量特性。

2 導水閥的設計方案

本文研制的電動液固三通導水閥在系統(tǒng)開啟前，將引流水從導水閥的一個出口導出至集水坑；待引流灰漿濃度提高時，操作控制箱按鈕，執(zhí)行器關閉導水閥該出口，然后將閥門出口換向另一管路，此時高濃度料漿進入該管路連接的采空區(qū)進行充填作業(yè)。采空區(qū)充填結束，清洗充填管路時，執(zhí)行相反操作，將洗管水也排至集水坑，最后通過水泵將集水坑廢水抽至井下中央排水系統(tǒng)。

依據導水閥需要實現(xiàn)的功能，在綜合考慮各類閥門性能特點的基礎上，將導水閥設計為圓柱式三通型式，1個進口，2個出口。工作時，一路全開，一路全關，即進行充填作業(yè)時打開其中一個出口，關閉另一個出口，需要進行系統(tǒng)切換時，進行反向操作。執(zhí)行機構可以采用電動（液動、氣動）執(zhí)行器，操作時啟動控制箱按鈕，即可實現(xiàn)對閥門的換向功能，設計的導水閥必須具有結構緊湊、重量輕、動作靈敏等特性。

2.1 閥門結構設計

新設計的導水閥為圓柱型導水閥，由閥體、雙出口切換件、法蘭連接件、雙重球形密封組、調整與鎖定裝置、電動執(zhí)行機構、聚四氟乙烯涂層閥座、閥桿組成，閥體采用耐磨高強度球磨鑄鐵制作，結構形式為1個進口、2個出口，進料口與系統(tǒng)主管路聯(lián)接，2個出料口分別與2個待切換分支管路聯(lián)接。整體結構如圖1所示。

圖1 導水閥結構原理(單位: mm)

2.2 切換功能

導水閥配 AQ50K30Z-EX電動執(zhí)行機構，180度換向，口徑為150 mm，作業(yè)人員在現(xiàn)場通過操作箱操作，達到15 s換向，不需要人工拆卸倒換管道，大大降低了工人勞動強度，提升了工作效率。

2.3 導水閥技術參數(shù)

在研制過程中，結合井下現(xiàn)場生產實際，制訂了導水閥相關技術參數(shù)（見表1），導水閥的設計全部依據該參數(shù)進行。

表1 ZAZGM-100-16導水閥技術參數(shù)

3 導水閥應用試驗

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漿，料漿質量濃度為77%～79%，溫度為20℃，公稱通徑為100 mm，壓力≤16 MPa，砂漿流速為3.6～4.3 m/s，砂漿流量為100～150 m3/h，進行導水閥充填過程中的導水試驗。

3.1 導水閥地表空載試驗

導水閥研制完成后，為試驗其性能，技術人員首先在地表對導水閥通電進行試運轉，發(fā)現(xiàn)導水閥料漿出口一側完全關閉時，另一側尚未開啟，管路無法泄壓，存在堵管的風險，調整執(zhí)行機構控制器內限位裝置后，達到導水閥一側出口管路關閉時，另一側管路同時打開的技術要求，關閉與打開同步進行。限位裝置調整完成后的空載試驗效果相當不錯，操作靈活，切換時間短。導水閥在A出料口開始關閉時，B出料口同時打開，減少了料漿在閥體內的停留時間，只有15 s時間即可完成2個出口之間的轉換，閥體密封嚴實，進、出料口壓力降小。

3.2 導水閥井下空載試驗

導水閥在地表試驗完成后，2020年5月19日，安裝到金川二礦區(qū)井下生產現(xiàn)場進行井下空載試驗時卻不能正常運行，分析原因后，發(fā)現(xiàn)是供電電源不匹配，地表是中性點不接地系統(tǒng)，井下是中性點接地系統(tǒng)，與導水閥配電箱電壓不匹配，需對導水閥配電箱進行改造，使其與井下供電系統(tǒng)電壓匹配。經改裝后，導水閥配電箱電源電壓達到井下供電要求，運轉正常，操作靈活，切換方便、省時、省力。

3.3 導水閥生產試驗

井下空載試驗完成后，2020年5月31日在金川二礦區(qū)井下V盤11#進路安裝了1臺導水閥進行帶料試驗。試驗前先將導水閥固定在采場充填小井，導水閥進料口與充填小井內管道連接，其中1個出料口與待充填采空區(qū)連接，另一個出口與盤區(qū)集水坑管路連接，開啟前將引流水直接引至集水坑，待充填料漿質量濃度較高時，啟動控制箱按鈕，導水閥自動切換管路，在15 s內將料漿轉換至與待充填采空區(qū)連接的管路，進行正常的充填作業(yè)。現(xiàn)場作業(yè)人員通過視頻觀察采空區(qū)接頂情況，待接頂充填完成后，電話通知中控室人員停止系統(tǒng)，然后開始沖洗管路，此時作業(yè)人員再次啟動導水閥控制箱按鈕，導水閥閥芯向相反方向轉動，將洗管水導出到集水坑，帶負荷試驗取得圓滿成功。

為進一步試驗導水閥性能的可靠性，2020年6月14日在金川二礦區(qū)井下Ⅳ盤區(qū)安裝了第2臺導水閥，試驗前后把洗管水全部導入集水坑，系統(tǒng)停止后，充填采場無灰漿溢流出來，減輕了現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動強度。試驗時，操作靈活、輕松、可靠，且導水閥2個出料口都有較好的密封性能，無料漿泄漏現(xiàn)象，本次試驗取得成功。

2020年6月17日，在金川二礦區(qū)井下935分段Ⅵ盤44#一期進路安裝了第3臺導水閥。導流非常成功，效果很明顯，通過對充填進路試水，采空區(qū)接頂非常好，有效提高了井下充填體強度，為礦山安全生產創(chuàng)造了條件。

3.4 導水閥技術創(chuàng)新點

（1）解決了礦山充填引流水和洗管水無法導出的問題，減少了充填體的分層離析現(xiàn)象，提高了充填接頂率，保證了充填體的完整性，為礦山的安全回采提供了保障。

（2）充填導水閥的成功研制，降低了員工的勞動強度，提高了工作效率，將員工從日常繁重的倒換管工作中解脫出來。

（3）提升了充填自動化水平。解決了倒換管時充填料漿泄漏問題，為促進現(xiàn)場文明生產創(chuàng)造了條件。

4 結論

（1）應用導水閥每次接頂充填可減少充填溢流灰漿8 m3，充填料漿材料成本為120元/m3，共節(jié)約材料費用960元。金川二礦區(qū)井下進路設計長度為50 m，高度為4 m，寬度為5 m，每一條進路出礦量為3000 t，按月出礦36萬t計算，每月充填同規(guī)格的進路116條，扣除一些超長進路和接頂時產生的少量溢流物，每月接頂采空區(qū) 70個，每月可節(jié)約材料費用6.7萬元，全年可節(jié)約材料費80.4萬元。

（2）應用導水閥每次可減少充填溢流灰漿的分出和提升費用160元，按每年接頂充填840個采空區(qū)計算，全年共節(jié)約充填溢流灰漿的分出和提升費用13.4萬元。

（3）應用導水閥每次接頂充填，可減少管路清洗用水，每次清洗管路用水約3 t，每t新水費用按1.32元計算，全年可節(jié)約水費2.52萬元。

（4）導水閥研制成功應用于生產，杜絕了接頂充填灰漿溢流物混入礦石，降低了礦石損失貧化率，減少了充填溢流灰漿提升至地表對環(huán)境的污染；充填自動化水平的提高，還降低了員工勞動強度，極大地改善井下員工的作業(yè)環(huán)境,為實現(xiàn)采場的文明施工創(chuàng)造了條件。