一种用于矿山深井换能排水的装置及方法与流程

本发明涉及地下深井矿山排水技术领域，尤其涉及一种用于矿山深井换能排水的装置及方法。

背景技术：

随着矿产资源不断的开发利用，浅表易采矿床大多已经开采，世界各国都已经在开采深部难采矿床，随着井深的加大，井下的排水量也随之增大，排水的能耗同步加大。与此同时，井下生产所需的清洁水又需要从地表送到井下，对于3000米的井深，到达最底部的水压将达到30mpa左右，而正常用水的压力在1mpa左右即可，因此，大量由高位势能转换的压力能在井底白白浪费。如果采用离心水泵类的工作方式进行换能，由于井下的生产用水流量是变化的、断续的，导致泵的驱动侧动力不能稳定，用水量大时可置换的能量多，不用水时则没有能量可以输出，从而使得泵的抽水侧功率、转速都不稳定。当转速高时，水获得较高的动能，扬程大，水能送至地表；当转速低时，扬程变小，能量不能有效利用，无法正常将废水送至地表。

为降低深井排水的能耗，专利cn200720023257.4——矿山深井排水装置提出了在排水管道上部并接水平巷道排水管及节流阀的方式，通过节流阀随时控制水的流动，改变了传统的排水结构，可使排水泵的排水降低100米左右的扬程，达到节能的目的，但是该专利并没有回收利用供水的势能或压力能。此外，国外阿特拉斯公司研发了一种利用深井供水系统的高压水作为驱动动力的水力凿岩机，省去了设备本身的动力站，但并没有通过回收供水的势能而达到节能的目的，只是利用供水势能替代驱动动力站的电能，仅仅在于驱动能源形势的变化。

技术实现要素：

本发明目的就是为了解决现有深井排水能耗大、水泵排水效率低、稳定性差的问题，提供了一种用于矿山深井换能排水的装置，可以有效地将运送至井底的生产用水产生的高压转换为排水的动力，不仅降低了排水的能耗，提高了排水效率，而且还能避免常规泵所带来的不稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于矿山深井换能排水的装置，包括换能泵的泵体，泵体内设有驱动室和抽水室，驱动室和抽水室的腔体之间连接一根柱塞，柱塞与腔体之间密封连接且柱塞可在腔体内轴向活动，柱塞位于驱动室的一端设有驱动塞，驱动塞将驱动室分为左右两个驱动室，柱塞位于抽水室的一端设有抽水塞，抽水塞将抽水室分为左右两个抽水室；

驱动室与一个连接于泵体上的驱动阀相连，驱动阀上设有第一进水腔和第一出水腔，第一进水腔内设有一组进水阀芯，第一出水腔内设有一组出水阀芯，位于进水阀芯两侧的第一进水腔上分别连有第一进水管和第二进水管，第一进水管和第二进水管分别与左右驱动室相连，位于出水阀芯两侧的第一出水腔上分别连有第一出水管和第二出水管，第一出水管和第二出水管分别与左右驱动室相连；

抽水室与一个连接于泵体上的抽水阀相连，抽水阀上设有第二进水腔和第二出水腔，第二进水腔通过第三进水管和第四进水管分别与左右抽水室相连，第二出水腔通过第三出水管和第四出水管分别与左右抽水室相连；

泵体的两端分别设有一个第一信号器和一个第二信号器，所述第一信号器正对着驱动塞且与其相互配合，所述第二信号器正对着抽水塞且与其相互配合，第一信号器和第二信号器均通过信号传输线与驱动阀相连，以将信号传递至驱动阀进行相应的动作。

进一步地，驱动塞的直径大于抽水塞的直径，以增加泵送压力、保证将废水送达至地表。

进一步地，驱动塞与抽水塞的面积比为1.1~1.2。

为了进一步完成本发明的目的，还提供了一种用于矿山深井换能排水的方法，包括以下具体步骤：

（1）在井底设置一组上述用于矿山深井换能排水的换能泵装置；

（2）地表供水管网通过管道将生产用清洁水送至井底产生20~30mpa的高压，并通过第一进水腔进入泵体内，此时进水阀芯处于左位；

（3）来自地面供水管网的高压水沿着第一进水管进入右驱动室内，推动驱动塞向左运动，左驱动室内的水被挤压后经过第一出水管，送至井下的工作面用水点；

（4）同时，左抽水室被压缩，右抽水室空间增大，产生负压，通过抽水阀经第三进水管吸入水仓内的废水，废水经第三出水管送至排水管，从而排到地表；

（5）当驱动塞运行接近泵体末端时，驱动塞触碰到第一信号器的小柱塞，引起第一信号器发出压力信号，此压力信号经信号传输线送至驱动阀右端，从而推动进水阀芯换向，此时进水阀芯切换到右位；

（6）高压水改由第二进水管进入左驱动室，推动驱动塞向右运动，右驱动室内的水被挤压后经过第二出水管送到井下的工作面用水点；

（7）同时，右抽水室被压缩，左抽水室空间增大，并通过抽水阀经第四进水管吸入水仓内的废水，废水经过第四出水管送至排水管，并排至地表；

（8）当抽水塞运行到泵体末端时，抽水塞触发第二信号器发出压力信号，进水阀芯再换向，如此反复循环工作。

本发明的技术方案中，通过换能泵将输送至井底的高达20~30mpa的高压

水转换为机械能，直接驱动换能泵的抽水阀，将废水抽到地表上，充分回收利用给水的势能，无须电力驱动即可将接近等量的废水排出到地表，节约了大量的电能，提高了排水效率，由于从地表送到井底的清洁水所具有的势能转换成的压力能与将等量水从井底送至地表所需的能量基本相当，因此可以确保稳定地将废水排出至地表，避免了常规泵所带来的不稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种用于矿山深井换能排水的方法布置示意图之一；

图2为本发明的一种用于矿山深井换能排水的方法布置示意图之一；

图3为本发明的一种用于矿山深井换能排水的装置结构示意图；

图4为本发明的一种用于矿山深井换能排水的装置工作原理图。

具体实施方式

实施例1

为使本发明更加清楚明白，下面结合附图对本发明的一种用于矿山深井换能排水的装置及方法进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3所示，一种用于矿山深井换能排水的装置，包括换能泵的泵体1，其特征在于：

泵体1内设有驱动室2和抽水室3，驱动室2和抽水室3的腔体之间连接一根柱塞4，柱塞4与腔体之间密封连接且柱塞4可在腔体内轴向活动，柱塞4位于驱动室2的一端设有驱动塞4a，驱动塞4a将驱动室2分为左驱动室2a和右驱动室2b，柱塞4位于抽水室3的一端设有抽水塞4b，抽水塞4b将抽水室3分为左抽水室3a和右抽水室3b；

所述驱动室2与一个连接于泵体1上的驱动阀5相连，驱动阀5上设有第一进水腔6和第一出水腔7，第一进水腔6内设有一组进水阀芯8，第一出水腔7内设有一组出水阀芯9，位于进水阀芯8两侧的第一进水腔6上分别连有第一进水管10和第二进水管11，第一进水管10与右驱动室2b相连，第二进水管11与左驱动室2a相连，位于出水阀芯9两侧的第一出水腔7上分别连有第一出水管12和第二出水管13，第一出水管12与左驱动室2a相连，第二出水管13与右驱动室2b相连；

所述抽水室3与一个连接于泵体1上的抽水阀14相连，抽水阀14上设有第二进水腔15和第二出水腔16，第二进水腔15通过第三进水管17与右抽水室3b相连，且第二进水腔15通过第四进水管18与左抽水室3a相连，第二出水腔16通过第三出水管19与左抽水室3a相连，并且第二出水腔16通过第四出水管20与右抽水室3b相连；

泵体1的两端分别设有一个第一信号器21和一个第二信号器22，所述第一信号器21正对着驱动塞4a设置，且驱动塞4a达到最左侧时可与第一信号器21的小柱塞接触，所述第二信号器22正对着抽水塞4b设置，且抽水塞4b达到最右侧时可与第二信号器22的小柱塞接触，第一信号器21和第二信号器22均通过信号传输线与驱动阀5相连，以用于将信号传递至驱动阀5进行相应的动作。

驱动塞的直径大于抽水塞的直径，避免因泵送压力不够而无法将废水压送到地表、并导致换能水泵无法工作的情况，供水管网的水也会因为水泵不工作而切断，无法送到工作面。

本实施例中，驱动塞与抽水塞的有效面积比为1.1~1.2，主要是因为水在长距离管道内会产生沿程损失，且换能水泵的机械阻力损耗了一部分能量所致，活塞有效面积比需要根据具体管路布置情况和泵的机械效率进行测试确定。

此外，换能泵驱动室单个循环消耗的高压水体积为v1=驱动塞面积*柱塞行程，抽水室排出的水量为v2=抽水塞面积*柱塞行程，因此，给水、排水体积比为v1/v2=驱动塞面积*柱塞行程/抽水塞面积*柱塞行程=驱动塞面积/抽水塞面积=1.1~1.2。由上可知，使用1m³的生产用水，能够通过置换能量将0.8～0.9m³的废水压送到地面。

所述换能泵采用左右两联阀，两联阀芯对称且联动。

参见图1、图2和图4，本发明还提供了一种用于矿山深井换能排水的方法，所使用的装置为换能泵，其特征在于，包括以下具体步骤：

（1）地表供水管网通过管道将生产用清洁水送至井底产生20~30mpa的高压，然后将此高压水送至换能泵体1内换能；

（2）高压水进入驱动阀5内的第一进水腔6，此时进水阀芯8处于左位，高压水通过第一进水管10由a1口进入右驱动室2b内；

（3）进入右驱动室2b内的高压水推动驱动塞4a向左运动，左驱动室2a内的水被挤压后由a2口流出，经过第一出水管12送至驱动阀5的第一出水腔7，此时出水阀芯9处于左位，最后高压水送至井下的工作面用水点；

（4）驱动塞4a向左运动的同时，左抽水室3a被压缩，右抽水室3b空间增大，产生负压，通过抽水阀14经第三进水管17吸入水仓内的废水，废水由b1口进入右抽水室3b，再经b2口流出，通过第三出水管19送至排水管，从而排到地表；

（5）当驱动塞4a运行接近泵体1末端a时，驱动塞4a触碰到第一信号器21的小柱塞，引起第一信号器21发出压力信号，此压力信号经信号传输线送至驱动阀5右端，从而推动进水阀芯8和出水阀芯9换向，此时阀芯切换到右位；

（6）高压水改由第二进水管11流入，经a2口进入左驱动室2a，推动驱动塞4a向右运动，右驱动室2b内的水被挤压后由a1口流出，经过第二出水管13送到井下的工作面用水点；

（7）驱动塞4a向右运动的同时，右抽水室3b被压缩，左抽水室3a空间增大，并通过抽水阀14经第四进水管18吸入水仓内的废水，废水由b2口进入左抽水室3a，再经b1口流出，通过第四出水管20送至排水管，并排至地表；

（8）当抽水塞4b运行到泵体末端b时，抽水塞4b触发第二信号器22发出压力信号，进水阀芯8和出水阀芯9再换向，如此反复循环工作。

本发明实施后，可以充分回收利用生产供水的势能，80~90%的供水在井下生产使用后，在不需要利用其它能源的情况下，通过给、排水能量置换而抽排到地表，节约大量的电能，降低碳排放指标，以日用水量100吨计算，给水深度达到2000米时，每天可节约550度电。具体节能减排数据根据各矿山井下用水量和井深等参数确定计算，即节电计算公式为：e=qh/360，e为日节电量，单位kw·h；q为日用水量，单位t；h为井深，即实际高差，单位m。

本发明过换能泵将输送至井底的高达20~30mpa的高压水转换为机械能，

直接驱动换能泵的抽水阀，将废水抽到地表上，充分回收利用给水的势能，无须电力驱动即可将接近等量的废水排出到地表，节约了大量的电能，开采深度越深，井下用水量越大，可回收利用的能量越多，节能效果就越明显，由于从地表送到井底的清洁水所具有的势能转换成的压力能与将等量水从井底送至地表所需的能量基本相当，因此可以确保稳定地将废水排出至地表，避免了常规泵所带来的不稳定性，提高了排水的效率。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。