摘要：介紹了煤礦採掘工作面水樣的採集方法和固體重量比的一般量值。通過剖析固體顆粒對平衡盤的磨損，介紹了一種延長離心泵使用時間的簡易辦法，介紹了為輸送固體顆粒而取消平衡盤的新型多級排沙潛水泵。
關鍵詞：礦用離心泵 輸送固體 取消平衡盤 排沙潛水泵
1 引 言
目前，在煤礦採掘工作面使用的排水泵中，專門排泥沙的產品是空白。無論泥沙多少，普遍使用的依然是傳統的分段式多級清水離心泵。因此，磨損嚴重，水泵過早報廢，不但增加了成本，還常常直接影響生產進度。
由於採煤工作面和掘進工作面都不可能單獨設置沉澱泥沙的水倉，無法就地清除泥沙等固體顆粒，所以，要解決用"清水泵"排泥沙的問題，暫時只能在提高易損件的材料性能上想想辦法，最終還要在徹底改變排水泵結構上大做文章。這方面的專業研究工作，已持續多年，目前依然在緊張地進行。
研究發現，固體顆粒對離心泵的磨損，在特定環境下，遵守著某種規律。把這一規律展現在我們面前，對症下藥，就能找到較理想的解決方案。
2 工作面水樣採集 固體重量比測定
經觀測，採煤工作面的涌水中，固體顆粒的含量隨著回採循環作業內容的改變而變化，因而，具有周期性。
一般情況下，在采前準備結束，採煤作業開始之前，固體顆粒含量最少。採煤作業即將結束時，含量最多。採集水樣時，為了既減少採集次數，又能說明問題， 可在正式開採前30分鐘內採集一次，在採煤作業結束前30分鐘內再採集一次。採集水樣的地點在採煤工作面下端頭，或在溜子道安裝的排水泵自己單獨的出水口。
一般情況下，在岩石平巷掘進工作面的涌水中，在多台鑿岩機集中打眼之前，固體顆粒含量最少。在爆破之後，在出岩作業的后三分之一時間內，固體顆粒含量最多。在這兩個時段內分別採集水樣。採集地點在耙斗機或裝岩機工作地點之後10m之內，或在該工作面排水泵自己單獨的出水口。
上面所採集的水樣，每次重2K0.2kg。稱過重量后，採用過濾法，用過濾紙濾出水樣中的全部固體顆粒。烘乾后，稱出固體顆粒重量，則水樣的固體重量（百分比）比Caw為：
固體重量
Cow =
--------------- H %
固、液混合物總重
水樣的固體重量比Caw在《漿體與粒狀物料輸送水利學》（費祥俊著，請華大學出版社1994年5月出版）中被定義為"重量比固體濃度"，習慣用於輸送工業漿體。本文簡稱為固體重量比，現場有時習慣稱為泥沙重量比。
一般情況下，當一個工作面的涌水量小於10m3/h，固體重量比Cow明顯增大；涌水量大於80m3/h，固體重量比Cw明顯減小
在同一礦井，在具有標誌性的煤層、岩層中大量採集水樣，便可以得到該礦井涌水中固體顆粒含量的一般規律。再根據涌水量、岩體的特性和破碎程度、鬆散顆粒遇水后的反應等進一步分析整理，便可以用來指導排水設計和排水管理。表1是從現場獲得的一組綜合數據。
表1
項目
採煤工作面
掘進工作面
(採煤作業即將結束前) (出岩作業即將結束前)
固體重量比Cw 0.83-5.48 %
0.41-9.62 %
3 多級離心泵磨損部位及磨損過程
3.1 多級離心泵的磨損部位
目前，礦用多級離心泵磨損最嚴重的部位是平衡盤，然後依次是葉輪口環、盤根套、中段的軸孔襯套等。
一般固體顆粒不會把泵體外殼磨穿，不會把葉輪外徑磨小，也不會把葉片磨短。平衡盤磨損后變薄，使轉子向電機方向（向前）的竄量超限，從而產生連鎖損壞。葉輪口環和中段軸套磨損后，密封間隙變大，使離心泵出水不足或不出水，有時還拌有強烈的震動。
3.2 平衡盤的磨損過程
平衡盤有軸向端面跳動，泵體平衡板也有軸向端面跳動。平衡盤轉動一周，會在轉到某一角度時，局部出現軸向間隙的最大間隙或最小間隙。
平衡盤的平衡狀態是動態的，泵的轉子在某一平衡位置會前後作軸向脈動。工況點改變時，轉子會自動移到新的平衡位置作軸向脈動。
這種軸向端面跳動和軸向脈動疊加后，軸向間隙b0 便具有局部的動態最大間隙b0max 和最小間隙b0min 。
假設：一個固體K的顆粒直徑為A，已隨著液體到達平衡盤前面的高壓區，並且
b0max＞A＞b0min
則固體K將被液體從軸向最大間隙b0max附近裹進平衡盤的軸向間隙之內。
當固體K剛剛跨進較小的距離S，平衡盤就轉到軸向間隙b0小於A的 位置，或者平衡盤正竄回到軸向間隙b0小於A的 位置。這時，平衡盤將對固體K產生擠壓，二者將發生相對運動。平衡盤端面會被固體K擠壓出 凹痕，會被刮削出凹槽，直到固體K被研碎。
如果這種規格的固體顆粒含量較高，就會以前仆後繼之勢，不斷被裹進來，使平衡盤端面很快出現第一道環形溝槽。隨著磨蝕的加劇，會在略大於第一道環形溝槽之外，相繼出現第二道溝槽、第三道溝槽…。
儘管如此，這時泵軸的竄量還沒有發生明顯改變，取出平衡盤可以看到這些環狀溝槽大致是同心的 ，排列較整齊。與此同時，平衡板也出現相似的溝槽。
下面的現象值得注意：
當另一個固體W的顆粒直徑為B，也到達平衡盤高壓區，並且
B≥b0max
則固體W將被擋在平衡盤的高壓區一側。
此時，若大小不一的固體顆粒隨著液體不斷湧向平衡盤前面的高壓區，粒徑小於或等於A的固體顆粒會隨著液流通過軸向間隙。粒徑大於或等於B的固體顆粒會被隔在這裡。我們稱這種現象為"篩留現象"。
當被"篩留"的固體顆粒達到一定數量，並且堵在軸向間隙的的入口處，會使液體壓力升高，導致轉子向後發生脈動，使軸向間隙瞬間加大。這時，這些大粒徑固體顆粒乘機大量擠入平衡盤的軸向間隙，出現"強登陸現象"。若這種現象接連發生，可使平衡盤在較短的時間內被磨薄。
3.3 葉輪口環的磨損過程
葉輪小裝到泵軸上之後，其口環存在徑向跳動；泵體口環孔也存在徑向跳動。葉輪轉動一周，會在轉到某一角度時，局部出現口環徑向間隙的最大間隙或最小 間隙。
轉動的泵軸會彎曲變形，產生最大撓度。
這種徑向跳動與最大撓度疊加后，口環的徑向間隙b 便有局部的動態最大間隙bmax 和最小間隙bmin 。同樣，口環的密封表面也會被固體顆粒擠壓、刮削出溝槽。
然而，如果材料相同，由於口環的間隙不會象平衡盤那樣出現"脈動"和固體顆粒"強登陸現象"，所以，口環的磨損程度明顯小於平衡盤 。這時，口環的磨損與平衡盤相比，不是主要矛盾。
但是，應當注意，在取消平衡盤的多級泵中，口環的磨損將上升為主要矛盾，須認真對待。
4 清除排水管道底部的沉降物
排水管道，特別是單獨借用的大口徑永久管道的底部會沉降固體顆粒。這些徑過反覆水選沉降下來的固體顆粒比重較大，表面呈球形，比較圓滑。當上面所述的離心泵出水不足之後，流量下降，管道內流速減慢，會增加固體顆粒的沉降量。倘若離心泵流量減少到某一個臨界值，這種沉降的固體顆粒會逆流而下，穿過閥門，充滿泵腔，不消幾十分鐘，就會使這台水泵報廢。我們可以在現場做試驗，或在實驗室做模擬試驗，來驗證這一現象。
為此，要核算最小流量時管道內的流速值，一般應大於1m/s。為提高流速，應優先選用直徑較小的排水管。
以排沙潛水泵的管道安裝為例（見圖1），可在離心泵逆止閥1與閘閥4之間的管道上，或在管道底部的標高最低處接出一根短管--除沙管。該除沙管用另外一個閘閥5控制，當水中固體顆粒含量較多時，在井下就地排放。每次的排放量約0.2-0.3m3即可。這樣，就可以及時清除排水管道內沉降的固體顆粒，可防止離心泵的意外磨損。
經驗表明，岩石掘進中，堅持在出岩作業期間定時排放泥沙，一般可延長離心泵的使用壽命3-10%左右，並且使退下來的水泵還有大修價值，或使大修更加容易。
在自動化排水中，同樣應當增添定期清除排水管底部沉降物的輔助設備，
若能配合採集水樣，及時分析、整理資料，就可以制定出更科學的水泵使用維護辦法，最大限度延長離心泵的壽命。當然，這一措施最好在設計階段就已被採用。
5 取消平衡盤的新型排沙潛水泵
用多級清水離心泵直接輸送含有固體顆粒的礦井水，主要矛已集中在軸向力的平衡上。因此，要延長水泵的使用壽命，取消平衡盤，（或取消平衡鼓），已成為必然趨勢。
5.1 耐磨材料的選擇
根據不同用途，各類水泵零件採用不同的耐磨材料。清水泵為了長壽，耐磨材料是銅合金；排污泵起始於排紙漿，耐磨材料僅是普通鑄鐵。渣漿泵是單級泵，耐磨材料是高鉻鑄鐵；沙泵可以在河裡采沙，耐磨材料是橡膠。可見，"耐磨材料"定義的範圍很寬。
研究開發多級排沙水泵，要對付的是有硬度、有稜有角的"沙"，要研究沙在高壓、高速的狀態下對水泵磨蝕的規律。因此，選擇"耐磨材料"就顯得更加重要。
下列零件的材料相同，按損壞程度由大向小的順序排列：平衡盤、葉輪口環、盤根套、軸套、導葉、泵體、葉輪。由此，排沙水泵選擇耐磨材料有了借鑒和依據，可從中獲得如下提示：
5.1.1 各種易損件應當使用硬度不同的優質材料。其中，容易磨損的採用硬度高的材料，不易磨損的零件用硬度低的材料。這樣，既能防止出現薄弱環節，又可降低造價。
5.1.2 取消要求材料硬度最高的平衡盤。把目前能夠應用的硬度最高材料--鎢鈷硬質合金用在葉輪 口環和軸套上，以獲得最長的使用壽命，最佳的經濟效益。
5.2 取消平衡盤辦法之一--提高單級泵揚程，替代多級泵
用提高單級泵的揚程來替代以往的兩級、三級分段式多級泵，簡單易行。
1988年，用揚程70m，流量100m3/h，功率37kw的單級雙吸排沙潛水泵實現了這一願望。該泵為第四紀流沙層疏乾井設計，之後又用於冬季北方洗煤廠廢水遠方遙控循環利用（相距3km，用舊露天沉澱煤泥）。
1989年，用揚程50m ，流量12m3/h，允許通過固體顆粒直徑10mm，功率僅4.0kw的單級單吸排沙潛水泵再次實現了這一願望。從那時起，葉輪與泵體的內外口環均採用硬質合金製造。第一次替代多級離心泵在下山掘進工作面排水，"壽命提高5-8倍"（摘自該泵1991年部級《新產品鑒定證書》）。被替代的多級離心泵功率竟有40kw，它的高壓水用來帶動射流泵（俗稱帶泵、水抽子）在下山排水。 因此，這種小泵很快普及，並屢獲大獎。
全國範圍不同地質條件的上百家煤礦經過十年的現場檢驗，證明這種排沙潛水泵的技術方案是可行的。
目前，單級排沙潛水泵的品種、用途已大為擴展，如：
① 用在採煤工作面，技術參數可達到：揚程95m，流量168m3/h。
② 用在掘進工作面，技術參數可達到：揚程85m，流量158m3/h。
效率均可達到62.1%。電機功率75kw。
5.3 取消平衡盤辦法之二--葉輪背靠背安裝，抵消軸向力
葉輪個數為偶數，每兩個葉輪背靠背安裝，相互抵消軸向力，是徹底取消平衡盤的好辦法。
1995年，用一種四級分段式多級排沙潛水泵實現了這一設想。這種泵，曾在甘肅一舉恢復了一個被淹礦井。這個礦井地面透水，攜帶大西北地表泥沙湧入井下，多次用普通離心泵恢復，均未湊效。
該泵技術參數：揚程200m，流量80m3/h，效率59.3%，功率185kw。如今，經過不懈的努力，又增添了多項實用技術，幾乎對原設計做了脫胎換骨的改進。技術參數已修改為：揚程320m，流量80m3/h，功率185kw。
5.4 排沙潛水泵結構簡介
上述排沙潛水泵是立式的，可就地安放，也可弔掛安裝。泵體與電機同軸，電機在上部，泵體在下部（下泵式）。
排沙潛水泵結構的主要特徵是：電機安置在"空氣室"中。
"空氣室"象一個敞口的"茶杯"。 將"茶杯"的杯底朝上，杯口朝下，放入水中固定。這時，"杯"內的空氣不會跑掉。預先將電機的定子、轉子和上下軸承支座安放在"茶杯"內，再
將電機軸從"杯"口向下伸出，這便是排沙潛水泵的電機模型。
有了"空氣室"的保護，電機的定子、轉子、軸承和軸封都不會與水以及水中的泥沙、酸鹼鹽等有害物直接接觸。因此，即便是潛入含大量泥沙的水中，電機也不會受到損害。另外，電機繞組用耐熱環氧樹脂澆注，將其固化，以便長期適應井下環境要求。
電機外殼被罩在"導水套"內，水泵排出的水，全部從電機與導水套之間流過，電機實現了"水外冷"。這樣，排沙潛水泵可以露出水面工作。
上述排沙潛水泵有單級單吸式、多級單吸式、單級雙吸式三種形式，均省去了泵軸在泵體外殼上重要易損件--泵軸的軸封，這是因為：
① 單級單吸式的葉輪吸入口朝上，泵體下端面是封閉的。
② 多級單吸式的首級葉輪在最上方，首級葉輪吸入口朝上，泵體下端面是封閉的。
③ 單級雙吸式的葉輪有上、下兩個吸入口。
允許斷水空轉--不會對電機和泵體有絲毫損害。有水后，可繼續排水，無須專人守侯。這一要求，來自煤礦一線，由煤科總院上海分院調研后提出，使得排沙潛水泵在設計之初就按著這一有價值的課題攻關，以其獨特的結構，在第一台產品誕生時就實現了。出廠時，空轉試驗必須台台作，就連75kw、185kw也不列外。
在煤礦正以現代化、機械化裝備自己的今天，人們已開始設想排水自動化。需求"清水倉"的水泵，需求沿頂板掘進、在巷道低凹處自動排水的水泵，需求在爆炸危險環境使用的大型排沙潛水泵，等等，呼聲越來越高。因此，"多級排沙水泵"的研究已受到廣泛關注。自從排沙潛水泵問世以來，許多設計單位、大中型煤礦紛紛配合研究，大膽嘗試，為這一新生事物作出了貢獻。
