一种废弃矿井用地下水库空气柱消除装置及方法

技术领域

本发明涉及废弃矿井改造技术领域，特别涉及一种废弃矿井用地下水库空气柱消除装置，还涉及一种废弃矿井用地下水库空气柱消除方法。

背景技术

煤炭是一种不可再生资源，其主要储存于地下。煤炭主要通过矿井进行挖掘。矿井内的煤炭采空后会被放弃形成废弃矿井，废弃矿井造成大量的地下采空区，预计到2030年，仅中国的采空区地下空间将达到234亿立方米，因此，如何利用废弃矿井地下空间将是一个亟需解决的问题。

目前利用废弃矿井地下空间的一个成熟方案是将其用作物理储能，主要途径是将废弃矿井改造成无水坝抽水蓄能电站的地下水库。由于废弃矿井巷道结构复杂，地势存在高差，某些巷道内部水平高度大于入口水平高度，在充水过程中，随着水位的上涨，内部水平高度比较高的区域空气被水封而无法逃逸，最终在该区域形成压缩空气柱，极大的减少了地下水库的储水容积，进而导致抽水蓄能发电效率降低。

针对地下矿井空气柱的问题，现在主要通过如图1所示的两种技术手段解决，第一种是通过在地面钻通气孔200到巷道100压缩空气柱处将空气导出，这种方案虽然效果好，但是存在工期较长、预算较高、房屋拆迁和噪声扰民等问题；第二种是通过矿井采区回风联络巷400铺设气管300到巷道100压缩空气柱将空气导出，这种方案在首次充水的时候不存在压缩空气柱，但也同时会在充满水时将气管300内也灌满水，之后将矿井内的水抽出到地上水库后，气管内会滞留积水，在二次充水时，气管内滞留的积水会形成水封，会重新形成压缩空气柱。

因此，现有的两种技术手段均无法低成本且长期稳定的解决废弃矿井地下水库的空气柱问题，无法最大化的利用地下水库库容，从而降低了废弃矿井资源的利用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种废弃矿井用地下水库空气柱消除装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的目的在于还提供一种废弃矿井用地下水库空气柱消除方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种废弃矿井用地下水库空气柱消除装置，包括具有a、b、c三个端口的三通管件，其中a端口为三通管件竖直向下的端口，a端口正下方设有空心环形圆台状的外壳，外壳的小端与a端口密封连接，外壳的大端通过网状托盘封口，所述外壳内设有浮球，所述浮球外径大于a端口内径，所述浮球受到浮力会与外壳内壁或a端口形成线密封结构；所述三通管件的b、c两端口分别连接有通气管。

优选的，所述外壳的小端与a端口通过螺纹配合密封连接。

优选的，所述浮球为空心浮球，所述外壳内表面设有硅胶涂层。

优选的，所述外壳内表面或a端口与浮球的密封配合处设有硅胶密封圈。

优选的，所述浮球、三通管件、外壳、网状托盘、通气管均为不锈钢材质，浮球表面为镀铬层。

一种废弃矿井用地下水库空气柱消除方法，包括上述的废弃矿井用地下水库空气柱消除装置，具体步骤如下：三通管件一端连接的通气管通向会形成空气柱的巷道最高处顶板位置，另一端连接的通气管通向废弃矿井采区回风联络巷，通气管无回弯处；三通管件位于通气管的最低处，三通管件与外壳连接的端口为最下方的端口且位于竖直方向上，外壳、浮球、网状托盘位于该端口的正下方。

有益效果：1、通过结合废弃矿井地下水库充放水过程，借助空心浮球的浮力作用，使其在充水时阻断水路保证通气管内出气，从而使地下水库空气柱有效消除，解决了地下水库空气柱导致储水容积减少的问题。

2、浮球在管内水重力作用下落入托盘，管内水自动排空，解决了低洼处敷设的部分通气管内形成积水无法排出的问题，保证再次充水时空气柱顺利消除。

3、能大幅度减少对通气孔的施工，节省工程开支；且具有设计简单、制作方便、安装快速等优点；同时，极大地改善了废弃矿井地下水库的通风情况，提高了地下水库充放水过程的可控性和废弃矿井资源的利用效率。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图。

图2为本申请的废弃矿井用地下水库空气柱消除装置的结构示意图。

图3为浮球结构示意图。

图4为本申请的废弃矿井用地下水库空气柱消除装置的使用状态结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明作进一步详细说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

实施例1

参见图2图3所示，一种废弃矿井用地下水库空气柱消除装置，包括具有a、b、c三个端口的三通管件，其中a端口1为三通管件竖直向下的端口，a端口正下方设有空心环形圆台状的外壳2，外壳的小端与a端口密封连接，外壳的大端通过网状托盘3封口，所述外壳内设有浮球4，所述浮球外径大于a端口内径，所述浮球受到浮力会与外壳内壁或a端口形成线密封结构；所述三通管件的b、c(5，6)两端口分别连接有通气管7。在实际应用时，折弯处还可以使用弯管结构连接件8。

作为一种优选方案，为了便于拆卸安装，所述外壳的小端与a端口通过螺纹配合密封连接。

作为一种优选方案，为了提高密封效果及满足浮力要求，所述浮球为空心浮球，所述外壳内表面设有硅胶涂层。

作为一种优选方案，为了提高密封效果，如图3所示，所述外壳内表面或a端口与浮球的密封配合处设有硅胶密封圈9。

作为一种优选方案，为了提高部件的耐腐蚀效果，所述浮球、三通管件、外壳、网状托盘、通气管均为不锈钢材质，浮球表面为镀铬层。

实施例2

一种废弃矿井用地下水库空气柱消除方法，如图4所示，包括实施例1公开的废弃矿井用地下水库空气柱消除装置10，方法如下：三通管件一端连接的通气管7通向会形成空气柱的巷道100最高处顶板位置，另一端连接的通气管通向废弃矿井采区回风联络巷400，通气管7无回弯处；三通管件位于通气管的最低处，三通管件与外壳连接的端口为最下方的端口且位于竖直方向上，外壳、浮球、网状托盘位于该端口的正下方。

具体步骤如下：

(1)首先，确定通气管管径与管内流体流速等相关物理参数。根据圆管道流体流动的水头损失公式，可计算出对应的沿程损失和局部损失，结合抽水蓄能发电过程中的最高能耗要求，总水头损失应不大于临界值A。具体计算公式如下：

式(1)中，h

h

h——总水头损失，m；

l——流段长度，m；

d——通气管直径，m；

v——断面平均流速，m/s；

λ——沿程阻力系数；

ζ——局部阻力系数；

A——总水头损失最大值，m。根据具体工程要求确定。

根据流量与流速、断面面积之间的关系又可确定另一组关系：

式(2)中，Q——通气管内流体流量，m

其中，通气管内流体流量可以根据工程设计确定，联立两组方程式便可求得对应的通气管直径和断面平均流速。通气管应结合巷道断面尺寸，尽可能加大管径，减少风阻，降低能量损失。

(2)其次，根据确定的预设通气管的管径，选定合适的三通管件，三通管件管径应与通气管管径保证匹配；三通支管管径应依据工程要求，并在考虑巷道断面尺寸、安装难易程度等因素的前提下进行合理选择。

(3)然后，根据浮球浮力、空气柱压强、浮球重力、支管断面积等参数确定空心浮球内外径大小、外壳张角大小，外壳张角建议控制在30°左右。确保空心浮球在充水过程中能够快速、有效封堵，在抽水后可有效落入托盘。浮球上浮后对浮球进行受力分析，应满足以下条件：

ρgV≥mg+p

式(3)中，ρ——水的密度，1g/cm

g——重力加速度，取9.8m/s

V——空心浮球淹没在水中的体积，m

m——浮球质量，kg；

p

S——三通管件下端支管断面积，m

f——外壳与空心浮球之间的摩擦力向下分力，N。

(4)各部件组装完成后，可操控高压水流对各部件连接处的密封性进行试验，保证密封性良好，试验合格后，方可投入使用。使用时，通气管一端通入废弃矿井采区回风联络巷，另一端深入在充水过程中会形成空气柱的巷道最高处顶板部位。

(5)当向地下水库充水时，水位达到一定标高，空心浮球借助水压提供的浮力上浮阻断水路保证空气柱经由预设通气管排出，直到管内水满，储水空间内空气柱消除完毕为止。

(6)当地下水库放水结束后，通气管内滞留积水会蓄积在管道低洼处形成水阻，当地下水库水位低于通气管进口标高时，管内水在重力作用下使空心浮球落入托盘，低洼处敷设的部分通气管内形成的积水自动排空，以解决通气管低洼处积水形成的水阻对再次充水的影响，确保向地下水库再次充水时空气柱能够再次顺利消除。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。