摘要：介绍了煤矿采掘工作面水样的采集方法和固体重量比的一般量值。通过剖析固体颗粒对平衡盘的磨损，介绍了一种延长离心泵使用时间的简易办法，介绍了为输送固体颗粒而取消平衡盘的新型多级排沙潜水泵。
关键词：矿用离心泵 输送固体 取消平衡盘 排沙潜水泵
1 引 言
目前，在煤矿采掘工作面使用的排水泵中，专门排泥沙的产品是空白。无论泥沙多少，普遍使用的依然是传统的分段式多级清水离心泵。因此，磨损严重，水泵过早报废，不但增加了成本，还常常直接影响生产进度。
由于采煤工作面和掘进工作面都不可能单独设置沉淀泥沙的水仓，无法就地清除泥沙等固体颗粒，所以，要解决用"清水泵"排泥沙的问题，暂时只能在提高易损件的材料性能上想想办法，最终还要在彻底改变排水泵结构上大做文章。这方面的专业研究工作，已持续多年，目前依然在紧张地进行。
研究发现，固体颗粒对离心泵的磨损，在特定环境下，遵守着某种规律。把这一规律展现在我们面前，对症下药，就能找到较理想的解决方案。
2 工作面水样采集 固体重量比测定
经观测，采煤工作面的涌水中，固体颗粒的含量随着回采循环作业内容的改变而变化，因而，具有周期性。
一般情况下，在采前准备结束，采煤作业开始之前，固体颗粒含量最少。采煤作业即将结束时，含量最多。采集水样时，为了既减少采集次数，又能说明问题， 可在正式开采前30分钟内采集一次，在采煤作业结束前30分钟内再采集一次。采集水样的地点在采煤工作面下端头，或在溜子道安装的排水泵自己单独的出水口。
一般情况下，在岩石平巷掘进工作面的涌水中，在多台凿岩机集中打眼之前，固体颗粒含量最少。在爆破之后，在出岩作业的后三分之一时间内，固体颗粒含量最多。在这两个时段内分别采集水样。采集地点在耙斗机或装岩机工作地点之后10m之内，或在该工作面排水泵自己单独的出水口。
上面所采集的水样，每次重2K0.2kg。称过重量后，采用过滤法，用过滤纸滤出水样中的全部固体颗粒。烘干后，称出固体颗粒重量，则水样的固体重量（百分比）比Caw为：
固体重量
Cow = --------------- H %
固、液混合物总重
水样的固体重量比Caw在《浆体与粒状物料输送水利学》（费祥俊著，请华大学出版社1994年5月出版）中被定义为"重量比固体浓度"，习惯用于输送工业浆体。本文简称为固体重量比，现场有时习惯称为泥沙重量比。
一般情况下，当一个工作面的涌水量小于10m3/h，固体重量比Cow明显增大；涌水量大于80m3/h，固体重量比Cw明显减小
在同一矿井，在具有标志性的煤层、岩层中大量采集水样，便可以得到该矿井涌水中固体颗粒含量的一般规律。再根据涌水量、岩体的特性和破碎程度、松散颗粒遇水后的反应等进一步分析整理，便可以用来指导排水设计和排水管理。表1是从现场获得的一组综合数据。
表1
项目 采煤工作面 掘进工作面
(采煤作业即将结束前) (出岩作业即将结束前)
固体重量比Cw 0.83-5.48 % 0.41-9.62 %
3 多级离心泵磨损部位及磨损过程
3.1 多级离心泵的磨损部位
目前，矿用多级离心泵磨损最严重的部位是平衡盘，然后依次是叶轮口环、盘根套、中段的轴孔衬套等。
一般固体颗粒不会把泵体外壳磨穿，不会把叶轮外径磨小，也不会把叶片磨短。平衡盘磨损后变薄，使转子向电机方向（向前）的窜量超限，从而产生连锁损坏。叶轮口环和中段轴套磨损后，密封间隙变大，使离心泵出水不足或不出水，有时还拌有强烈的震动。
3.2 平衡盘的磨损过程
平衡盘有轴向端面跳动，泵体平衡板也有轴向端面跳动。平衡盘转动一周，会在转到某一角度时，局部出现轴向间隙的最大间隙或最小间隙。
平衡盘的平衡状态是动态的，泵的转子在某一平衡位置会前后作轴向脉动。工况点改变时，转子会自动移到新的平衡位置作轴向脉动。
这种轴向端面跳动和轴向脉动叠加后，轴向间隙b0 便具有局部的动态最大间隙b0max 和最小间隙b0min 。
假设：一个固体K的颗粒直径为A，已随着液体到达平衡盘前面的高压区，并且
b0max＞A＞b0min
则固体K将被液体从轴向最大间隙b0max附近裹进平衡盘的轴向间隙之内。
当固体K刚刚跨进较小的距离S，平衡盘就转到轴向间隙b0小于A的 位置，或者平衡盘正窜回到轴向间隙b0小于A的 位置。这时，平衡盘将对固体K产生挤压，二者将发生相对运动。平衡盘端面会被固体K挤压出 凹痕，会被刮削出凹槽，直到固体K被研碎。
如果这种规格的固体颗粒含量较高，就会以前仆后继之势，不断被裹进来，使平衡盘端面很快出现第一道环形沟槽。随着磨蚀的加剧，会在略大于第一道环形沟槽之外，相继出现第二道沟槽、第三道沟槽…。
尽管如此，这时泵轴的窜量还没有发生明显改变，取出平衡盘可以看到这些环状沟槽大致是同心的 ，排列较整齐。与此同时，平衡板也出现相似的沟槽。
下面的现象值得注意：
当另一个固体W的颗粒直径为B，也到达平衡盘高压区，并且
B≥b0max
则固体W将被挡在平衡盘的高压区一侧。
此时，若大小不一的固体颗粒随着液体不断涌向平衡盘前面的高压区，粒径小于或等于A的固体颗粒会随着液流通过轴向间隙。粒径大于或等于B的固体颗粒会被隔在这里。我们称这种现象为"筛留现象"。
当被"筛留"的固体颗粒达到一定数量，并且堵在轴向间隙的的入口处，会使液体压力升高，导致转子向后发生脉动，使轴向间隙瞬间加大。这时，这些大粒径固体颗粒乘机大量挤入平衡盘的轴向间隙，出现"强登陆现象"。若这种现象接连发生，可使平衡盘在较短的时间内被磨薄。
3.3 叶轮口环的磨损过程
叶轮小装到泵轴上之后，其口环存在径向跳动；泵体口环孔也存在径向跳动。叶轮转动一周，会在转到某一角度时，局部出现口环径向间隙的最大间隙或最小 间隙。
转动的泵轴会弯曲变形，产生最大挠度。
这种径向跳动与最大挠度叠加后，口环的径向间隙b 便有局部的动态最大间隙bmax 和最小间隙bmin 。同样，口环的密封表面也会被固体颗粒挤压、刮削出沟槽。
然而，如果材料相同，由于口环的间隙不会象平衡盘那样出现"脉动"和固体颗粒"强登陆现象"，所以，口环的磨损程度明显小于平衡盘 。这时，口环的磨损与平衡盘相比，不是主要矛盾。
但是，应当注意，在取消平衡盘的多级泵中，口环的磨损将上升为主要矛盾，须认真对待。
4 清除排水管道底部的沉降物
排水管道，特别是单独借用的大口径永久管道的底部会沉降固体颗粒。这些径过反复水选沉降下来的固体颗粒比重较大，表面呈球形，比较圆滑。当上面所述的离心泵出水不足之后，流量下降，管道内流速减慢，会增加固体颗粒的沉降量。倘若离心泵流量减少到某一个临界值，这种沉降的固体颗粒会逆流而下，穿过阀门，充满泵腔，不消几十分钟，就会使这台水泵报废。我们可以在现场做试验，或在实验室做模拟试验，来验证这一现象。
为此，要核算最小流量时管道内的流速值，一般应大于1m/s。为提高流速，应优先选用直径较小的排水管。
以排沙潜水泵的管道安装为例（见图1），可在离心泵逆止阀1与闸阀4之间的管道上，或在管道底部的标高最低处接出一根短管--除沙管。该除沙管用另外一个闸阀5控制，当水中固体颗粒含量较多时，在井下就地排放。每次的排放量约0.2-0.3m3即可。这样，就可以及时清除排水管道内沉降的固体颗粒，可防止离心泵的意外磨损。
经验表明，岩石掘进中，坚持在出岩作业期间定时排放泥沙，一般可延长离心泵的使用寿命3-10%左右，并且使退下来的水泵还有大修价值，或使大修更加容易。
在自动化排水中，同样应当增添定期清除排水管底部沉降物的辅助设备，
若能配合采集水样，及时分析、整理资料，就可以制定出更科学的水泵使用维护办法，最大限度延长离心泵的寿命。当然，这一措施最好在设计阶段就已被采用。
5 取消平衡盘的新型排沙潜水泵
用多级清水离心泵直接输送含有固体颗粒的矿井水，主要矛已集中在轴向力的平衡上。因此，要延长水泵的使用寿命，取消平衡盘，（或取消平衡鼓），已成为必然趋势。
5.1 耐磨材料的选择
根据不同用途，各类水泵零件采用不同的耐磨材料。清水泵为了长寿，耐磨材料是铜合金；排污泵起始于排纸浆，耐磨材料仅是普通铸铁。渣浆泵是单级泵，耐磨材料是高铬铸铁；沙泵可以在河里采沙，耐磨材料是橡胶。可见，"耐磨材料"定义的范围很宽。
研究开发多级排沙水泵，要对付的是有硬度、有棱有角的"沙"，要研究沙在高压、高速的状态下对水泵磨蚀的规律。因此，选择"耐磨材料"就显得更加重要。
下列零件的材料相同，按损坏程度由大向小的顺序排列：平衡盘、叶轮口环、盘根套、轴套、导叶、泵体、叶轮。由此，排沙水泵选择耐磨材料有了借鉴和依据，可从中获得如下提示：
5.1.1 各种易损件应当使用硬度不同的优质材料。其中，容易磨损的采用硬度高的材料，不易磨损的零件用硬度低的材料。这样，既能防止出现薄弱环节，又可降低造价。
5.1.2 取消要求材料硬度最高的平衡盘。把目前能够应用的硬度最高材料--钨钴硬质合金用在叶轮 口环和轴套上，以获得最长的使用寿命，最佳的经济效益。
5.2 取消平衡盘办法之一--提高单级泵扬程，替代多级泵
用提高单级泵的扬程来替代以往的两级、三级分段式多级泵，简单易行。
1988年，用扬程70m，流量100m3/h，功率37kw的单级双吸排沙潜水泵实现了这一愿望。该泵为第四纪流沙层疏干井设计，之后又用于冬季北方洗煤厂废水远方遥控循环利用（相距3km，用旧露天沉淀煤泥）。
1989年，用扬程50m ，流量12m3/h，允许通过固体颗粒直径10mm，功率仅4.0kw的单级单吸排沙潜水泵再次实现了这一愿望。从那时起，叶轮与泵体的内外口环均采用硬质合金制造。第一次替代多级离心泵在下山掘进工作面排水，"寿命提高5-8倍"（摘自该泵1991年部级《新产品鉴定证书》）。被替代的多级离心泵功率竟有40kw，它的高压水用来带动射流泵（俗称带泵、水抽子）在下山排水。 因此，这种小泵很快普及，并屡获大奖。
全国范围不同地质条件的上百家煤矿经过十年的现场检验，证明这种排沙潜水泵的技术方案是可行的。
目前，单级排沙潜水泵的品种、用途已大为扩展，如：
① 用在采煤工作面，技术参数可达到：扬程95m，流量168m3/h。
② 用在掘进工作面，技术参数可达到：扬程85m，流量158m3/h。
效率均可达到62.1%。电机功率75kw。
5.3 取消平衡盘办法之二--叶轮背靠背安装，抵消轴向力
叶轮个数为偶数，每两个叶轮背靠背安装，相互抵消轴向力，是彻底取消平衡盘的好办法。
1995年，用一种四级分段式多级排沙潜水泵实现了这一设想。这种泵，曾在甘肃一举恢复了一个被淹矿井。这个矿井地面透水，携带大西北地表泥沙涌入井下，多次用普通离心泵恢复，均未凑效。
该泵技术参数：扬程200m，流量80m3/h，效率59.3%，功率185kw。如今，经过不懈的努力，又增添了多项实用技术，几乎对原设计做了脱胎换骨的改进。技术参数已修改为：扬程320m，流量80m3/h，功率185kw。
5.4 排沙潜水泵结构简介
上述排沙潜水泵是立式的，可就地安放，也可吊挂安装。泵体与电机同轴，电机在上部，泵体在下部（下泵式）。
排沙潜水泵结构的主要特征是：电机安置在"空气室"中。
"空气室"象一个敞口的"茶杯"。 将"茶杯"的杯底朝上，杯口朝下，放入水中固定。这时，"杯"内的空气不会跑掉。预先将电机的定子、转子和上下轴承支座安放在"茶杯"内，再
将电机轴从"杯"口向下伸出，这便是排沙潜水泵的电机模型。
有了"空气室"的保护，电机的定子、转子、轴承和轴封都不会与水以及水中的泥沙、酸碱盐等有害物直接接触。因此，即便是潜入含大量泥沙的水中，电机也不会受到损害。另外，电机绕组用耐热环氧树脂浇注，将其固化，以便长期适应井下环境要求。
电机外壳被罩在"导水套"内，水泵排出的水，全部从电机与导水套之间流过，电机实现了"水外冷"。这样，排沙潜水泵可以露出水面工作。
上述排沙潜水泵有单级单吸式、多级单吸式、单级双吸式三种形式，均省去了泵轴在泵体外壳上重要易损件--泵轴的轴封，这是因为：
① 单级单吸式的叶轮吸入口朝上，泵体下端面是封闭的。
② 多级单吸式的首级叶轮在最上方，首级叶轮吸入口朝上，泵体下端面是封闭的。
③ 单级双吸式的叶轮有上、下两个吸入口。
允许断水空转--不会对电机和泵体有丝毫损害。有水后，可继续排水，无须专人守侯。这一要求，来自煤矿一线，由煤科总院上海分院调研后提出，使得排沙潜水泵在设计之初就按着这一有价值的课题攻关，以其独特的结构，在第一台产品诞生时就实现了。出厂时，空转试验必须台台作，就连75kw、185kw也不列外。
在煤矿正以现代化、机械化装备自己的今天，人们已开始设想排水自动化。需求"清水仓"的水泵，需求沿顶板掘进、在巷道低凹处自动排水的水泵，需求在爆炸危险环境使用的大型排沙潜水泵，等等，呼声越来越高。因此，"多级排沙水泵"的研究已受到广泛关注。自从排沙潜水泵问世以来，许多设计单位、大中型煤矿纷纷配合研究，大胆尝试，为这一新生事物作出了贡献。
单级、多级"排沙潜水泵" 以及卧式多级"排沙离心泵"的结构、技术参数和现场反馈的信息等详细资料，今后将陆续向
11/13/2004
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