矿井排水系统水击现象及防护措施分析

一、引言

矿井排水系统承担着将矿井涌水及时排至地面的核心任务，其可靠性直接决定矿井安全生产水平。随着开采深度增加，排水系统面临扬程高、流量大、管路长等复杂工况，水击现象成为制约系统安全运行的关键问题。水击现象是由于流体流速突变导致压力能与动能急剧转换的瞬态过程，可能引发管路剧烈振动、元件疲劳破坏甚至系统瘫痪。现有研究表明，水击压力峰值可达正常工作压力的数倍，对管路、阀门及水泵本体构成严重威胁。

二、矿井排水系统水击现象的形成机理

2.1 水击现象的本质特征

水击现象本质为流体动能与压力能瞬态转换过程，当排水管路阀门骤关或水泵停机时，流体因惯性持续向前，致使紧邻阀门区域流体密度骤增、压力陡升形成高压波。此高压波以接近流体声速的速度向管道上游传播，抵达水源端后反射形成低压波。高压波与低压波交替作用，引发管道内压力周期性振荡。该现象具有瞬态性，即能量转换与传播在极短时间内完成。周期性，体现为压力波往复振荡的规律特征。破坏性，其能量传递速度与流体声速相近，且破坏力集中于压力波峰与波谷区域，易对管道及相关设备造成损害。

2.2 水击现象的触发条件

水击现象的产生需同时满足三大关键条件：其一，流体需具备可压缩性，此特性为压力能转化提供物理基础。其二，管路系统需构成封闭体系，以维持压力波传播的连续性。其三，系统内须存在流速突变激励源。在矿井排水系统中，阀门快速启闭、水泵突遭断电或管路局部堵塞等操作，均会引发流速骤变。其中，停泵水击因兼具突发性与高能量特征而备受关注。停泵瞬间，管路存水在重力驱动下反向流动，与水泵转子因惯性持续旋转形成的动能场耦合，导致压力波动幅度显著加剧。

2.3 水击现象的危害形式

水击危害集中体现于机械破坏与系统失效两类典型形式，在机械破坏层面，高压波以冲击载荷形式直接作用于管路薄弱环节，法兰连接件因螺栓预紧力与瞬态冲击力叠加作用产生松动甚至脱扣，阀门密封面受高压反复冲击导致垫片撕裂、阀座形变，水泵叶轮因局部应力集中形成裂纹并逐步扩展。低压波作用时，管内压力骤降诱发水柱分离现象，液相与气相瞬态分离形成的真空腔体，促使溶解气体析出并加剧气蚀损伤，加速金属表面点蚀与蜂窝状蚀坑形成。在系统失效层面，压力波动引发的瞬态工况改变可能触发逆止阀非预期动作，导致管路断流或反向水锤连锁反应，压力波在复杂管网中叠加放大，最终引发排水系统动力中断、管路爆裂等灾难性后果，严重时将导致整个矿井排水体系陷入瘫痪状态。

三、矿井排水系统水击现象的影响因素

3.1 管路系统结构参数

管路结构参数是水击强度控制的核心外源要素，其长度、管径及布置形式通过改变压力波传播路径与能量耦合机制，直接影响瞬态压力响应特征。长距离排水管路因压力波在管网中往复传播路径延长，反射波叠加时间窗口扩大，易形成多频次压力峰值叠加效应；管径突变处因流通截面骤变引发流速梯度跃升，诱发局部湍流漩涡与压力场畸变，加速气蚀损伤进程；竖直管段受重力与压力波同向耦合作用，压力能持续向动能转化并回馈至系统，加剧水击能量非线性累积。

3.2 流体介质物理特性

流体物理特性是影响水击传播特性的关键内生因素，其密度、黏度与压缩性共同构建水击能量传递与耗散的基础框架。高密度流体因单位体积质量更大，在相同流速变化下可积累更高动能增量，导致压力波幅值显著提升；低黏度流体分子间内摩擦力弱，能量以压力波形式传递时耗散速率缓慢，易在管路中形成持续振荡的压力波群；可压缩性流体在压力突变时因体积弹性形变产生能量缓冲，但同时降低压力波传播速度并引发相位延迟。矿井含泥沙矿水因颗粒沉降在局部形成淤积层，导致管径非均匀性收缩，压力波在流固界面处发生折射与散射，传播路径偏离理论轨迹并引发能量叠加异常。

3.3 阀门启闭控制策略

阀门关闭时间与关闭曲线对水击强度具有决定性影响，二者构成水击防护的核心控制要素。快速关闭阀门可大幅缩短停泵耗时，但因流速骤变与压力波叠加效应，易引发直接水击并产生远超系统耐受能力的瞬态高压峰值，对管路及设备形成冲击破坏。慢速关闭虽可通过延长能量释放周期削弱峰值压力，但会延长压力波动持续时间，增加系统持续振动风险。工程实践中需结合管路长度、流体特性及设备承压阈值，动态标定最优关闭时间阈值，并采用两阶段关闭、分段调节等非线性控制策略，通过调控压力波反射相位实现能量梯度耗散，平衡安全与效率需求。

四、矿井排水系统水击现象的防护措施

4.1 管路系统优化设计

通过改进管路拓扑结构与材料选型，可显著提升系统抗水击能力。在管径设计方面，采用渐变式管径过渡段，降低流速突变幅度。在管路布置方面，优化竖直管段与水平管段比例，减少重力与压力波耦合效应。在材料选型方面，选用高弹性模量钢管并增加壁厚，可提升管路承压能力。此外，设置环形管网、多泵并联等冗余结构，可分散水击能量，降低局部破坏风险。

4.2 阀门控制技术创新

阀门作为水击防控的关键节点，其启闭特性直接影响防护效果。传统逆止阀因单向导通特性，易在停泵时形成完全关闭，导致压力骤升；缓闭止回阀通过延长关闭时间，可有效降低水击压力峰值；两阶段控制蝶阀则结合快关与慢关策略，实现压力波相位调控。此外，智能阀门控制系统可实时监测管路压力与流量，动态调整阀门开度，避免人为误操作引发水击。

4.3 能量耗散装置配置

通过在管路中设置专用能量耗散装置，可主动消耗水击能量。空气罐通过压缩气体体积变化，吸收压力波动能量。水锤消除器利用活塞运动与弹簧阻尼，实现压力能向机械能转化；调压塔则通过液位变化平衡压力波动。实际应用中，需根据管路长度、扬程及流体特性，选择合适装置类型与安装位置，确保其与排水系统动态特性匹配。

4.4 运行管理机制完善

建立科学运行管理制度，可从源头降低水击风险。制定标准化启停泵操作规程，明确阀门关闭顺序与时间间隔。实施设备预防性维护，定期检查管路连接件紧固状态与阀门密封性能。构建智能监测系统，实时采集压力、流量等参数，实现水击风险预警。此外，开展操作人员专项培训，提升其应急处置能力，也是保障系统安全运行的重要环节。

五、结束语

矿井排水系统水击现象作为典型的水力瞬变问题，其防控需从机理研究、防护技术及运行管理三方面协同推进。未来研究可聚焦于多场耦合作用下水击传播规律、智能防护装置开发及系统韧性评估等领域，推动矿井排水技术向安全化、智能化方向发展。通过构建 " 主动预防 - 被动防护 -智能响应 " 三位一体的防护体系，可显著提升矿井排水系统抗灾能力，为深部资源开采提供坚实保障。

参考文献

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