用于矿山深井换能排水的装置及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010156001.0 (22)申请日 2020.03.09 (71)申请人 安徽金安矿业有限公司 地址 237471 安徽省六安市霍邱县范桥乡 申请人 南京钢铁股份有限公司 (72)发明人 朱德春 (74)专利代理机构 南京利丰知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 32256 代理人 任立 (51)Int.Cl. E21F 16/00(2006.01) F04B 9/103(2006.01) F04B 49/22(2006.01) (54)发明名称 一种用于矿山深井换能排。

2、水的装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于矿山深井换能排水 的方法， 包括在井底设置换能装置， 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， 高压水进入换能装置的泵体内换 能， 换能后的清洁水送往井下工作面用水点， 同 时势能转换后的能量将井下的废水通过泵体压 送至排水管排至地表上， 以此反复循环。 本发明 的优点是降低了排水能耗和生产成本， 充分回收 利用能源， 提高了排水的效率和稳定性。 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 CN 111396122 A 2020.07.10 CN 111396122 A 1.一种用于矿山深井换能排水的装置， 包括换能泵。

3、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） 位于驱动室 （2） 的一端设有驱动塞 （4a） ， 驱动塞 （4） 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） ； 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。

4、） ， 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； 抽水室 （3） 与一个连接于泵体 （1） 上的抽水阀 （1。

5、4） 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） 和第四进水管 （18） 分别与左 抽水室 （2a） 和右抽水室 （2b） 相连， 第二出水腔 （16） 通过第三出水管 （19） 和第四出水管 （20） 分别与左抽水室 （2a） 和右抽水室 （2b） 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） 与驱动塞 （4a） 相互配合， 所述第二信号器 （22） 与抽水塞 （4b） 相互配合， 第一信号器 （21） 和第二信号器 （22） 均与。

6、驱动阀 （5） 相连。 2.根据权利要求1所述的用于矿山深井换能排水的装置， 其特征在于： 驱动塞 （4a） 的直径大于抽水塞 （4b） 的直径。 3.根据权利要求1或2所述的用于矿山深井换能排水的装置， 其特征在于： 驱动塞 （4a） 与抽水塞 （4b） 的面积比为1.11.2。 4.一种使用如权利要求1所述的换能装置进行深井换能排水的方法， 其特征在于， 包括 以下具体步骤： 步骤一： 地表供水管网将生产用清洁水送至井底产生2030MPa的高压， 高压水进入换 能装置的泵体 （1） 内换能； 步骤二： 此时驱动阀 （5） 内的进水阀芯 （8） 处于左位， 高压水通过第一进水管 （10） 进。

7、入 右驱动室 （2b） 内； 步骤三： 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 水被挤压后经过第一出水管 （12） 送至井下的工作面用水点， 此时出水阀芯 （9） 处于左位； 步骤四： 驱动塞 （4a） 向左运动的同时， 左抽水室 （3a） 被压缩， 右抽水室 （3b） 通过抽水阀 （14） 经第三进水管 （17） 吸入水仓内的废水， 吸入的废水通过第三出水管 （19） 送至排水管排 到地表； 步骤五： 当驱动塞 （4a） 运行接近泵体 （1） 左端时， 驱动塞 （4a） 触碰到第一信号器 （21） ， 引起第一信号器21发出压力信号， 并。

8、传输至驱动阀 （5） 右端， 推动进水阀芯 （8） 和出水阀芯 （9） 换向， 此时阀芯切换到右位； 步骤六： 高压水改由第二进水管 （11） 流入左驱动室 （2a） ， 推动驱动塞 （4a） 向右运动， 右 驱动室 （2b） 内的水被挤压后经过第二出水管 （13） 送到井下的工作面用水点； 步骤七： 驱动塞 （4a） 向右运动的同时， 右抽水室 （3b） 被压缩， 左抽水室 （3a） 通过抽水阀 权利要求书 1/2 页 2 CN 111396122 A 2 （14） 经第四进水管 （18） 吸入水仓内的废水， 吸入的废水再通过第四出水管 （20） 送至排水管 排至地表； 步骤八： 当抽水塞 。

9、（4b） 运行到泵体 （1） 右端时， 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。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111396122 A 3 一种用于矿山深井换能排水的装置及方法 技术领域 0001 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 0002 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。

10、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。 0003 为降低深井排水的能耗， 专利CN200720023257.4。

11、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。 发明内容 0004 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。

12、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。 0005 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。

13、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 说明书 1/4 页 4 CN 111396122 A 4 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。

14、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。 0006 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。 0007 进一步地， 驱动塞与抽水塞的面积比为1.11.2。 0008 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2030MPa的高压， 。

15、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。

16、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。 0009 本发明的技术方案中， 通过换能泵将输送至井底的高达2030MPa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。

17、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 0010 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； 说明书 2/4 页 5 CN 111396122 A 5 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 0011 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。

18、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。 0012 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。

19、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。

20、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。 0013 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。

21、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。 0014 本实施例中， 驱动塞与抽水塞的有效面积比为1.11.2， 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。 0015 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=1.11.2。 由上可知， 使用1m3的。

22、 生产用水， 能够通过置换能量将0.80.9m3的废水压送到地面。 0016 所述换能泵采用左右两联阀， 两联阀芯对称且联动。 0017 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 说明书 3/4 页 6 CN 111396122 A 6 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2030MPa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。

23、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。

24、， 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， 。

25、如此反复循环工作。 0018 本发明实施后， 可以充分回收利用生产供水的势能， 8090%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kWh； Q为日用水量， 单位t； H为井深， 即实际高差， 单位m。 0019 本发明过换能泵将输送至井底的高达2030MPa的高压水转换为机械能， 直接驱动换能泵的抽水阀。

26、， 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。 0020 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。 说明书 4/4 页 7 CN 111396122 A 7 图1 说明书附图 1/4 页 8 CN 111396122 A 8 图2 说明书附图 2/4 页 9 CN 111396122 A 9 图3 说明书附图 3/4 页 10 CN 111396122 A 10 图4 说明书附图 4/4 页 11 CN 111396122 A 11 。