一种利用地表水势能的深井矿山辅助排水装置

摘要

本发明公开了一种利用地表水势能的深井矿山辅助排水装置，所述装置包括箱体、活塞连杆、齿轮传动系统、阀门、管道五个部分，箱体中有净水缸和污水缸各两个，装置安装在矿山主副井底部，启动时地表水由管道注入净水缸，水力驱动活塞连杆向下运动，通过齿轮传动使污水缸中的活塞向上运动，将污水提升，净水缸和污水缸均有进水和排水两个冲程，同一时间两个净水缸总是分别进行进水冲程和排水冲程，以及两个污水缸中总是分别进行进水冲程和排水冲程，使得装置连续进水并提升污水。净水缸和污水缸的进、排水管道由阀门切换，阀门控制连杆末端紧贴齿轮上的凸轮实现联动。本发明将深井开采供水系统中来自地表的高势能水作为井下提升污水的动力来源，实现深井开采节能、降本的目的，且不影响井下用水水质。

说明书

技术领域

本发明属于深井开采矿山排水节能领域，尤其涉及一种利用地表水势能的深井矿山辅助排水装置。该装置适用于埋藏较深的地下煤矿和非煤矿山的排水。

背景技术

随着浅部资源的开采殆尽，越来越多的矿山走向深部。深井开采时，不仅面临着“三高一扰动”的问题，同时伴随着排水量随着深井开采的深度急剧增加，矿山排水费用迅速提高的问题。这些都制约着矿山的开采深度增加与资源的利用与回收。因此发展节能降本的开采技术，减少排水费用，对深井开采显得尤为重要。

众所周知，矿山开采时一方面需要使用地表干净的自来水给井下凿岩、出矿等生产工序使用，通常这些地表供水被通过管道送到井下，其高势能未加以利用，造成井下用水时水压过大，水量损失严重；另一方面，矿山开采会形成水力漏斗，使围岩中的孔、裂隙水流入巷道，成为不能工业利用的废水，许多深井开采矿山的昼夜涌水量多达40000m³/d以上。这些涌出水必须尽快排出矿井，以避免矿山淹井等重大安全事故，确保矿山开采安全。

目前，深井矿山面临的现状是，大量由地表向井下供水的高势能未加以利用，而排出深井下的废水又需要消耗大量的能量，如何合理经济地降低深井开采中地表供水的高水压并排出地下涌水，实现节能与降本增效是矿山关心的重要问题。如果能够充分利用深部矿山地表向井下供水管道中的高水势能作为地下废水排出提升的动力，将能够完美地将地表供水势能的利用与地下水的排出相结合，在深部矿山开采中具有广阔的应用前景，同时也为深井开采中利用深井底部的高水压力提升矿浆提供新方法与新技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在深井开采中利用地表高势能水进行矿山辅助排水的装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种利用地表水势能的深井矿山辅助排水装置，所述装置包括箱体、活塞连杆、传动轴、齿轮、管道、控制阀门、阀门联动控制装置，所述箱体中包含净水缸和污水缸各两个，其中所述的污水缸内径为400mm～500mm，所述的净水缸内径略小于污水缸为300mm～400mm，所述装置的管道包括净水进水管道、净水排水管道、污水提升管道、污水进水管道，所述各个管道内径相等，在100mm～300mm之间，所述装置的控制阀门分为进排净水控制阀门和进排污水控制阀门，分别控制装置的进排净水和进排污水，所述阀门联动控制装置包括阀门上盘控制连杆、阀门下盘控制连杆、弹簧和凸轮。

所述进排净水控制阀门和进排污水控制阀门是用来切换净水和污水流动方向的关键装置，两个控制阀门的内部结构相同，均由上盘、下盘和阀门装置外壳组成，阀门装置外壳与各管道连接在一起，所述下盘开有和管道内径相等的圆孔，上盘和下盘可以在阀门上盘控制连杆和阀门下盘控制连杆的控制下活动，实现阀门在不同工作态之间的转换。

所述阀门上盘控制连杆和阀门下盘控制连杆均由三段连杆和两个控制杆转轴组成，可以实现将控制连杆末端的上下运动转变成顶端的水平运动，其中，阀门上盘控制连杆与上盘连接的第一段连杆为直杆，阀门下盘控制连杆与下盘连接的第一段连杆为门字形连杆。

所述凸轮的形状为半圆和半椭圆组合而成，凸轮安装在齿轮上，随齿轮一起转动，所述弹簧使阀门上盘控制连杆和阀门下盘控制连杆的末端能够始终紧贴凸轮。

所述阀门上盘控制连杆和阀门下盘控制连杆的末端在所述弹簧作用下分别紧贴在凸轮的下方和上方；所述凸轮转动时，当阀门控制连杆的末端和凸轮的半圆部分接触，阀门控制连杆和被它控制的阀门盘体均保持静止；当阀门控制连杆的末端从凸轮的半圆部分进入椭圆部分，阀门控制连杆被凸轮向下挤压或向上顶起，并驱动被它控制的阀门盘体被拉动或者推动，当阀门控制连杆的末端位于凸轮椭圆长轴端点时，阀门控制连杆位移达到最大，接着在弹簧的作用下，阀门控制连杆的末端继续紧贴凸轮表面运动，驱动被它控制的阀门盘体复位。

所述装置安装在矿山主副井底部，启动时地表水由净水进水管道注入净水缸，由水势能驱动净水缸中的活塞向下运动，所述活塞连杆带动传动轴旋转并驱动同一传动轴上的污水缸活塞向上运动，将净水从地表到井底产生的势能转化为提升污水的动力。

所述净水缸和污水缸均有活塞向下进水和活塞向上排水的两个冲程，所述装置通过传动轴和齿轮组成传动系统实现四个缸体活塞的机械联动，保证同一时间两个净水缸总是分别进行进水冲程和排水冲程，以及两个污水缸中总是分别进行进水冲程和排水冲程，各管道中的净水和污水始终处于连续流动状态，使装置能够连续流出净水作为井下的生产用水，并用地表供水的高势能提升井下污水。

两个净水缸分别与净水进水管道和净水排水管道相连，同样两个污水缸也分别与污水进水管道和污水提升管道相连。缸体与进出水管道的连接采用阀门切换，当缸体进行进水冲程时，打开进水管道关闭排水(提升)管道；相反当缸体进行排水冲程时，打开排水(提升)管道关闭进水管道。阀门控制连杆的末端与安装在齿轮上的凸轮紧密接触，可通过机械联动实现缸体活塞运动方向与阀门切换方向的同步。因为地面供水和污水分别进入净水缸和污水缸，因此地面净水通过所述装置不会受井下污水污染，能直接用于凿岩、生产等。

本发明的排水装置在实际运行时，只要传动轴转动起来后，同一时间始终有一个净水缸处于进水冲程，地表净水水压的推动力为系统运转提供动力，推动同一传动轴上的污水缸活塞提升污水，并将另一个净水缸中的净水输送给井下使用，同时井下的污水在重力或小功率水泵的作用下流入另一个污水缸，从而实现连续利用地面净水压力提升井下污水的功能。

采用本发明的技术方案，其有益效果为：利用深部矿山开采时由地表向井下供给的干净自来水作为动力源，利用地表供水的高势能驱动装置提升污水，本装置可以不借助水泵将污水提升一定高度，然后再由水泵多级继续提升污水，能够减小井下排水系统的提升能耗。当开采深度越深，由地表向井底供水的水势能也越大，本装置能提升污水的高度也越高，从而使矿山多级排水系统的水泵提升能耗不会因开采深度增大而急剧上升，实现深部开采节能与降本增效的目的。

附图说明

图1为本发明装置的主视图。

图2为本发明装置工作原理图。

图3为本发明齿轮及活塞连杆传动系统大样图。

图4为本发明中管道控制阀门内部结构及工作状态图。

图5为本发明中管道控制阀门剖面图

图6为本发明中阀门联动控制装置图。

图中：1-箱体，2-活塞连杆，3-传动轴，4-齿轮，5-净水缸，6-污水缸，7-净水进水管道，8-净水排水管道，9-进排净水控制阀门，10-污水提升管道，11-污水进水管道，12-进排污水控制阀门，13-阀门上盘控制连杆，14-阀门下盘控制连杆，15-弹簧，16-凸轮，17-阀门上盘，18-阀门下盘，19-阀门装置外壳,20-控制杆转轴。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明提供的一种利用地表水势能的深井矿山辅助排水装置由箱体1、活塞连杆2、传动轴3、齿轮4、管道、控制阀门和阀门联动控制装置组成，箱体1中包含净水缸5和污水缸6各两个，其中污水缸的内径为400mm～500mm，考虑到井下涌水，净水缸5内径略小于污水缸6为300mm～400mm，装置的管道包括净水进水管道7、净水排水管道8、污水提升管道10和污水进水管道11，各管道内径相等，在100mm～300mm之间。两个净水缸5分别与净水进水管道7和净水排水管道8相连，同样两个污水缸6也分别与污水进水管道11和污水提升管道10相连。控制阀门分为进排净水控制阀门9和进排污水控制阀门12，分别控制装置的进排净水和进排污水。阀门联动控制装置包括阀门上盘控制连杆13、阀门下盘控制连杆14、弹簧15和凸轮16。

参见图1、图2，本发明的辅助排水装置安装在矿山主副井底部，启动时地表的自来水由净水进水管道7注入净水缸5，由水势能驱动净水缸5中的活塞向下运动，活塞连杆2带动传动轴3旋转并驱动同一传动轴上的污水缸6中的活塞向上运动，将水势能转化为提升污水的动力。净水缸5和污水缸6均有活塞向上的进水冲程和活塞向下的排水冲程，装置通过传动轴3和齿轮4组成的传动系统实现四个缸体活塞的机械联动，保证同一时间两个净水缸5总是分别进行进水冲程和排水冲程，以及两个污水缸6中总是分别进行进水冲程和排水冲程，各管道中的净水和污水始终处于连续流动状态，使装置能够连续流出净水作为井下的生产用水，并用地表供水的高势能提升井下污水。

参见图2和图3，当传动轴3转动起来后，同一时间始终有一个净水缸5处于进水冲程，地表净水水压的推动力为系统运转提供动力，推动同一传动轴上的污水缸6提升污水，并将另一个净水缸5中的净水输送给井下使用，从而实现连续利用地面净水压力提升井下污水的功能。即水缸存在两种工作态：一.净水缸①进水，带动污水缸①提升污水和净水缸②排水，同时污水缸②进水；二.净水缸②进水，带动污水缸②提升污水和净水缸①排水，同时污水缸①进水。以此两种状态循环，实现净水和污水的连续流动状态。

参见图1、图4、图5，进排净水控制阀门9和进排污水控制阀门12是用来切换净水和污水流动方向的关键装置。两个控制阀门的内部结构相同，均由上盘17、下盘18和阀门装置外壳19组成。阀门装置外壳19与管道连接在一起，上盘17和下盘18可以在阀门上盘控制连杆13和阀门下盘控制连杆14的控制下活动。下盘18上开有和管道内径相等的圆孔。以进排净水控制阀门9为例说明工作方式：进排净水控制阀门9首先处于关闭的工作态①；净水缸5先进行进水冲程时，阀门下盘控制连杆14推动阀门下盘18向净水进水管道7方向运动，阀门的上盘17保持不动，阀门下盘18上的圆孔逐渐与净水进水管道7重合，最终净水进水管道7被完全打开，此时进排净水控制阀门9处于工作态②；接着阀门下盘控制连杆14拉动阀门下盘18反向运动，净水进水管道7逐渐关闭，最后恢复工作态①；接着净水缸5开始排水冲程，阀门上盘控制连杆13拉动阀门上盘17向净水排水管道8方向运动，阀门下盘18保持静止且阀门下盘18上的圆孔与净水排水管道8重合，随着阀门上盘17的移动，净水排水管道8被逐渐打开，最终控制阀门9处于工作态③；下一步阀门下盘18继续保持静止，阀门上盘控制连杆13推动阀门上盘17关闭净水排水管道8，控制进排净水控制阀门9恢复工作态①。

进排污水控制阀门12的工作方式与进排净水控制阀门9相似。阀门首先处于关闭的工作态①；污水缸6首先进行提升冲程，阀门下盘控制连杆14推动阀门下盘18向污水提升管道10方向运动，阀门上盘17保持不动，阀门下盘18上的圆孔逐渐与污水提升管道10重合，最终污水提升管道10被完全打开，此时控制阀门12处于工作态②；接着阀门下盘控制连杆14拉动阀门下盘18反向运动，污水提升管道10逐渐关闭，最后恢复工作态①；接着污水缸6开始进水冲程，阀门上盘控制连杆13拉动阀门上盘17向污水进水管道11方向运动，阀门下盘18保持静止且阀门下盘18上的圆孔与污水进水管道11重合，随着阀门上盘的移动，污水进水管道11被逐渐打开，最终控制阀门12处于工作态③；下一步阀门下盘18继续保持静止，阀门上盘控制连杆13推动阀门上盘17关闭污水进水管道11，控制阀门12恢复工作态①。

参见图1、图4、图6，阀门联动控制装置由阀门上盘控制连杆13、阀门下盘控制连杆14、弹簧15和凸轮16组成，凸轮16的形状为半圆和半椭圆组合而成，安装在齿轮4上，随齿轮4一起转动，弹簧15使阀门上盘控制连杆13和阀门下盘控制连杆14的末端能够始终紧贴凸轮16，阀门上盘控制连杆13、阀门下盘控制连杆14均由三段连杆和两个控制杆转轴20组成，可以实现将控制连杆末端的上下运动转变成顶端的水平运动，其中，阀门上盘控制连杆13与上盘17连接的第一段连杆为直杆，阀门下盘控制连杆14与下盘18连接的第一段连杆为门字形连杆。控制连杆的末端紧贴凸轮16，凸轮16随齿轮4转动的同时，带动阀门上盘控制连杆13和阀门下盘控制连杆14末端上下运动，经过三段杆的转换，带动阀门上盘控制连杆13和阀门下盘控制连杆14的顶端进行水平运动，从而实现控制阀门上盘17和阀门下盘18开合的目的。

阀门联动控制装置控制阀门的具体方式如下：阀门上盘控制连杆13的末端紧贴在凸轮16的下方，当凸轮16转动时，如果阀门上盘控制连杆13的末端和凸轮16的半圆部分接触，连杆和被它控制的阀门上盘17均保持静止；当阀门上盘控制连杆13的末端从凸轮16的半圆部分进入椭圆部分，阀门上盘控制连杆13被凸轮16挤压向下运动，并拉动被它控制的阀门上盘17；当阀门上盘控制连杆13的末端位于凸轮16椭圆长轴端点时，连杆向下位移达到最大，接着在弹簧15的作用下继续紧贴凸轮16表面向上运动，推动被它控制的阀门上盘17复位；当阀门上盘控制连杆13的末端重新接触凸轮16半圆部分后时，连杆和被它控制的阀门上盘17重新进入静止状态。

阀门下盘控制连杆14的末端紧贴在凸轮16的上方，阀门下盘控制连杆14在凸轮16转动时，如果末端和凸轮16的半圆部分接触，连杆和被它控制的阀门下盘18均保持静止；当阀门下盘控制连杆14的末端从凸轮16的半圆部分进入椭圆部分，阀门下盘控制连杆14被凸轮16顶起向上运动，并推动被它控制的阀门下盘18；当阀门下盘控制连杆14的末端位于凸轮16椭圆长轴端点时，连杆向上位移达到最大，接着在弹簧15的作用下继续紧贴凸轮16表面向下运动，拉动被它控制的阀门下盘18复位；当阀门下盘控制连杆14的末端重新接触凸轮16半圆部分后时，连杆和被它控制的阀门下盘18重新进入静止状态。

本发明的辅助排水装置安装在矿山主副井底部，启动时地表的自来水由净水进水管道7注入净水缸5，由水势能驱动净水缸5中的活塞向下运动，活塞连杆2带动传动轴3旋转并驱动同一传动轴上的污水缸6中的活塞向上运动，将水势能转化为提升污水的动力。当传动轴3转动起来后，同一时间始终有一个净水缸5处于进水冲程，地表净水水压的推动力为系统运转提供动力，推动同一传动轴上的污水缸6活塞提升污水，并将另一个净水缸5中的净水输送给井下使用，同时井下的污水在重力或小功率水泵的作用下流入另一个污水缸6，从而实现连续利用地面净水压力提升井下污水的功能。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。