1 朱家店煤矿矿井水排放系统简介

本文以朱家店煤矿矿井水排放系统为工程背景，其排水系统布置如图1所示。排水泵房位于井底中央水泵房，排水管路为DN250mm，斜井铺设管路约为1100m，垂高325m。高扬程、大流量的特性使矿井水排放系统关阀时出现严重的水锤现象，同时伴随有巨大的冲击声音。严重的水锤现象因巨大冲击产生，常会导致管道破裂，密封性降低。从现场观察，长期的水锤现象使副斜井处千米长度的管道变形严重，整体位移较明显。针对这种情况，本文设计了阀控防水锤系统，其主要由一种泵出水口电动伺服液控闸阀、管路振动、冲击压力、流量传感器组成。可根据传感器反馈信号根据最优阀调节决策自动调整关阀初速度。

  

图1 朱家店煤矿排水系统示意图(mm)

2 防水锤系统控制方案

2.1 控制流程

水锤现象会使管道受到冲击压力，严重时导致管道振动剧烈甚至爆裂。根据伴随现象可知，水锤现象主要体现在管道冲击压力、管道振动量以及水流流速变化[1，2]。现有主要消减水锤的方式为放慢关阀速度、延长关阀时间[3，4]。而对煤矿水泵房使用的离心泵而言，关阀速度太慢导致泵体发热磨损及电机功率损耗，自然希望关阀时间越快越好。基于这一矛盾，本文设计了防水锤控制系统，尽可能优化减少关阀时间。以关阀时水锤引起的管路处产生的振动幅度、流体冲击压力以及流速大小作为信号分析反馈源，将反馈信号按大小量分为大中小三个等级，通过长时间现场观察和实验确定不同的等级组合对应的较优关阀速度。通过PLC对伺服阀的通断控制来改变电液伺服阀的流量大小，从而控制伺服油缸的运行速度，实现关阀时间、速度的可控可调，防水锤系统控制方案如图2所示。为了能更好的比较不同关阀策略之间的差别，在油缸上安装了拉线式位移传感器记录油缸位移情况与关阀总时长。

  

图2 防水锤系统控制方案图

2.2 防水锤系统硬件布置方案

防水锤阀控系统的具体布置方案如图3所示。在排水主管路上分别安装ICP型加速度传感器以及压力变送器、矿用超声波流量传感器。其中振动传感器安装在分管路阀门与上水主管路的连接处附近，测量管路的三向振动。x方向为沿排水主管路的方向，y方向与x方向处于同一水平面，又垂直于x方向。z方向为竖直向下的方向。具体布置如图3所示。测压传感器安装于排水主管路开口处，工作电压为DC24V，量程范围为10MPa。阀门闭合行程量采用拉线式位移传感器进行计算，供电为DC12V或DC24V，输出脉冲数为1000。使用超声波流量传感器测量管路中流量大小，其安装时需要一定的空间，布置在压力传感器附近。

  

图3 传感器布置示意图

3 现场实验及结果分析

水泵测试流程如图4所示。阀门初始状态为闭合，当抽真空负压达到离心泵上水要求时，将控制阀门开至最大，正常排水，稳定一段时间后开始关阀。从抽真空、启泵到水锤结束的全过程中，一直通过多功能采集仪采集传感器数据，并传输到上位机中。主要采集的参数有管路三向振动加速度a、流量Q、压力P以及阀门开关位移S(FM)参数。现有的阀控防水锤研究多是基于数值模拟方式，少有进行现场实际实验[5-9]。本文选取的控制方案为在关阀时阀门位移在总行程的2/3以内时，阀门以不同的初始速度匀速关闭；当阀门在总位移量的后1/3内时，阀门以匀减速的方式关闭[10]，此时阀门关闭时间只与初始速度有关。

  

图4 水泵测试流程图

分别选取不同的初始关阀速度，关阀总时间从22～48s，实验结果见表1。从表1中可以看出，当关阀时间越小对应的初始速度越大，引起的管道振动位移越大，冲击压力也越大。在关阀时间为39s时，管路振动加速度的最大振幅明显下降，而x方向和y方向的振动位移也出现明显下降，z方向振动位移与管道压力降幅不明显。这是因为管道固定支撑导致水锤振动主要集中在x和y方向上，而相对于振动位移和加速度，冲击压力更能反应出水锤现象。当关阀时间继续延长时，水锤引起的管路振动变化相差较小，而管道压力出现明显的降低。可以看出，关阀时间为42s时是一个临界阈值点。关阀时间大于42s后采集到的参数变化不大，而且管道压力与正常工作压力相近。当关阀时间达到44s之后，增加关阀时间对各个采集参数几乎没有影响，甚至不变。通过以上实验说明，当朱家店煤矿排水系统总关阀时间为44s，以初始速度为0.01m/s匀速-匀减速关阀时可避免水锤现象。

 

表1 不同初速度关阀总时长与对应测量参数值

  

关阀时间/s最大振动加速度/(m·s-2)a(x)a(y)a(z)最大位移/mmS(x)S(y)S(z)管道压力/MPa22463086358253457156562255192143051458652546207633815325315541525513914301245564284798663215531941574952546321420364495231456896126552563136938258576130369446783345389610635193513596324698512632544612364323659638506321269852389651176524267539172311102316352925146365611325142615421701610363154269035661563109968352234416987086921411289482593541064323472348168860862914003892355913910636534703

阀时间、冲击压力、管道振动的反馈，得到比较好的阀控策略，得出如下结论：

 

表2 设备执行时间表

  

设备动作时间t/s匀速关阀匀速-匀减速关阀启泵41284128开阀788385闸阀开到位315939504关阀4600746007阀关到位停泵679348983水锤结束1105128816关阀总时长2192743823

  

图5 控制前与控制后对比图

本文针对朱家店煤矿排水系统关阀时水锤现象严重问题，设计了闸控防水锤系统，经过大量现场实验，依据关

  

图6 不同控制策略对比图

4 结 论

为了更进一步的说明上文多次实验选择出来的控制方案防护水锤的优越性，在相同的关闸时间内比较匀速关阀方法和匀速-匀减速关阀方法时系统采集到冲击压力曲线，如图6示。匀速关阀时选取关阀速度为0.005m/s，保证总关阀时长为44s。将采集到的数据与上文总关阀时长为44s时变速关阀实验数据比较，从图6(b)为两种不同方法下阀门位移图，从中可以看出两者关阀时间一致，均是44s。图6(a)为两种控制方案下管路冲击压力对比曲线，可以看出两者的压力曲线波动极为接近，但匀速关阀时最大压力值接近4MPa，而从表1中可知匀速-匀减速关阀时最大压力为3.47MPa，压力下降明显。很明显采用匀速-匀减速控制方法对改善水锤问题有着良好的效果。

综上所述，随着市场经济的快速发展，合同管理在项目管理中的地位也越发明显，水利水电工程建设作为一项国计民生的基础项目，工程建设单位各方面工作都需要按照合同要求展开，这也给合同签订与管理提出更高的要求。合同是双方权利的最好依据，各方在行使自身权力的同时也要完成合同约定的义务，这样才能更进一步的推动水利水电建设发展。由此可见，水利水电合同管理关系到整个工程的完整性，只有从整体角度出发做好各部门之间的协调配合，才能为企业创造更大的经济效益。

为了更加形象的说明阀控防水锤系统的高效性、优越性。下面列举了使用阀控系统前后采集参数对比图，设备执行时间见表2。根据以上实验可知水锤的直接表现为管道冲击压力，因此在这主要列举了管道压力及开阀-关阀时间对比图，如图5所示。从图5(a)中可以看出，开阀时间变化对管道冲击压力无多大影响。而关阀时采用匀速关阀策略时压力变化剧烈，关阀总时长比较少，为22s。以初始速度为0.01m/s匀速-匀减速关阀，用时为44s。此时管道冲击压力振幅明显减小，防护水锤能力得到明显改进。

(3)防护结构工程的识验。包括熟悉设计文件，知道防护区和非防护区；弄清各口部的结构布置情况，防护门如何开启，底板、墙板、顶板上各个孔洞的位置、尺寸、标高；穿过防护墙的防护密闭措施等；熟悉人防各类墙体，如间隔墙、临空墙、防护外墙、门框墙等。

1)水锤是管道流体流速在某一截面突变引起的液体往复运动，从而对管道形成冲击力。通过对比不同控制策略的管路冲击压力可知匀速-匀减速控制可以有效的防护水锤问题。

2)从阀门匀速闭合的位移图与冲击压力图中可以看出，阀门从46s时开始闭合，到完全闭合时间为68s，总用时22s。而冲击压力在62s时突然增大，此时距关阀开始时间为16s，约占总行程的2/3。因此可认为在闸阀形成的2/3处开始调节阀门速度是合适的。

乡土文化自信在乡村振兴过程中具有十分重要的作用，是乡村振兴发展的精神支撑，是制约乡村振兴发展的重要因素之一。一个不可否认的事实是，随着城市化的不断发展，越来越多的年轻人选择走出乡村进城务工，农村出现了更多的留守老人和留守儿童。这种现象导致乡土文化后继无人，逐渐走向衰败，乡民的文化自信随之减弱。如何改变这种局面，切实提升乡土文化自信，对于重构乡民的精神自信、推进乡村振兴战略的顺利实施具有积极的意义。

参考文献：

[1] 何三星.水锤反问题与水锤控制[J].水动力学研究与进展，1989(1)：69-77.

[2] 石 宁.矿井排水系统的水锤计算与防治[J].煤炭工程，2011，43(8)：18-20.

[3] 韩文伟，韩伟实，郭 清，等.旋启式止回阀关阀水锤优化分析[J].原子能科学技术，2014，48(5)：854-860.

[4] 李玉瑾，石 宁.矿井排水工程设计及相关问题分析[J].通用机械，2010(6)：30-33.

[5] 赵光辉.几种非线性控制算法的比较及控制实验测试[D].东营：中国石油大学，2010.

[6] 张世斌，郑晓雯，冯立杰，等.水锤力作用下的深井排水管路疲劳寿命研究[J].煤矿安全，2016，47(12)：207-210.

[7] 闫家华.千米立井排水水锤的计算与防护措施[J].煤炭工程，2004，36(1)：25-26.

[8] 陈继方.煤矿立井大管径多趟排水管道的敷设[J].煤炭工程，2005，37(8)：21-23.

[9] 王 文.立井井筒排水管路支撑梁受力分析与计算[J].煤炭工程，2016，48(8)：25-27，30.

[10] 寇彦飞.基于水锤防护的矿井水安全排放控制系统研究[D].太原：太原理工大学，2016.