矿山安全事故中,水灾害是制约其健康发展的第二大灾害类型,仅次于煤矿瓦斯灾害。随着矿井采深的增加,由于地应力和地温高的缘故,矿井裂隙中水的流动性发生明显变化,奥灰水蓄水量增加,水压升高,承压水突出问题严重,突水几率随之增大,发生重大水灾害事故的概率大大增加。但在现有的技术、经济条件下,水灾害探测、提前预防工作困难很大。一旦发生矿井水灾害,如何尽快地启动应急预案,排除险情,营救人员,保护矿井,尽可能的减少灾害损失,如何尽快开展抢险救援工作并取得成效是重中之重,排水这一治理措施至关重要。矿井救灾排水过程中,由于突然断电或者营救被困人员、封堵水源、修复巷道等系列工作,造成潜水电泵停泵,系统产生水击是救灾排水过程中非常普遍的现象。而对于停泵水击,若防护措施不当将对救灾装备产生严重危害,造成系统瘫痪或者救援人员伤亡的二次灾害发生。目前在矿井救灾排水过程中,因停泵水击造成的排水系统瘫痪事故鲜有报道,但确实存在,尤其是深部矿井的救灾排水系统因扬程高、流量及功率大、上端固定、一潜到底、重载悬挂等特点,承重系统和管路不仅要承受整个排水系统的自重,还要承受管路中存水重量及停泵水锤冲击力,有必要对其进行水击计算及防护措施研究,对主要承重部件进行结构强度校核分析。本文通过理论分析、试验研究、数值模拟和案例验证等手段,研究深部矿井救灾排水事故停泵极限状态下水锤冲击力及其防护措施、水击对承重系统的影响及结构强度校核和疲劳寿命分析,具体研究内容如下:(1)界定水灾害救灾排水“深部”概念。就深井救灾排水而言,“深部”概念既与开采深度有关,又与排水装备扬程有关,我们从水灾害救援排水的角度定义深部矿井救灾排水,即为抢救垂直超过800m矿井发生的突水淹井事故,而进行的救援排水。证明了用浅部开采条件下的救灾排水装备及其水击事故防治技术来解决深部矿井的排水作业问题,无疑远远不够且蕴含着极大的风险。需要按照深部矿井抢险排水系统的特点和条件,正确地进行水力过渡过程计算,全面且有预见地进行水击分析,从而采取安全可靠的水击防护措施,设计合理的井架和承重系统,选择足够强度的管路,并对承重系统进行疲劳可靠性分析,是确保深部矿井抢险排水的重要前提。(2)从系统多故障态、矿井多角度计算深部矿井救灾排水停泵水击,模拟比较多种水击防护措施,确定最优阀门防护组合。工程实践不可能逐一试验多种水击防护措施,以特征线为基础的电算法是全球水力界公认且经过几十年工程验证的成熟水击计算方法,涉及重要的水击计算、水击危害分析及其防护设计,特征线法不仅能解决复杂管路系统和边界条件的停泵水击课题,而且计算精度高、效率好。首先,本文针对在潜水电泵泵出口端采取无阀、逆止阀、蝶阀以及缓闭逆止阀+蝶阀等不同防护措施下进行深井救灾排水系统停泵水击的计算与分析,指出无阀水击压力小,但反转流速大;快关逆止阀反转流速小,但水击压力大且泵端压力脉冲剧烈;缓闭逆止阀减弱了水击振动,但又引起反转流速;蝶阀可以保证流量和泵端压力降为零,但反向流速大和管路最大压力大,所以深井救灾排水系统拟采用缓闭逆止阀和两阶段控制蝶阀的共同防护措施来消除水击。进一步地,通过矿井不同倾斜角度缓闭逆止阀+蝶阀共同作用下的水击防护效果比较分析,对于90o立井,应采用快关4s、慢关16s的蝶阀和同步时间的缓闭逆止阀共同消除水击;对于斜井,应采用快关4s、慢关26s的蝶阀和同步时间的缓闭逆止阀共同消除水击。最后,通过800m井深的华东某煤矿突水淹井后的抢险排水案例,四个月的抢险排水过程中,系统启停40多次,运行稳定,验证了优化后的两阶段控制蝶阀和缓闭逆止阀共同防护水击措施的正确性。(3)定义深井救灾排水承重系统可靠性并进行结构强度校核的理论分析,包括瞬态冲击载荷作用下结构安全性和动态循环载荷作用下的结构耐久性。尤其是深井救灾排水系统事故停泵时发生的水锤冲击力,造成很大的压力波在管路内来回传递,会对整个系统造成严重的危害,有必要对发生水力过渡过程的救灾排水系统重要部位进行安全校核。具体来说,根据排水现场应急、快速救援、高度可靠等特点,总结了现有粗略校核救灾排水承重系统主要结构部件强度的方法,包括井架撑载力分析,承重梁、管路、螺栓的应力分析和校核等。但有限元分析相比这些粗略的校核方法在处理几何形状、边界条件、材料性质、载荷多变等复杂结构问题时,存在精度高、效率好、静力分析、稳定性分析和寿命预测都能兼顾的优势。(4)对深井救灾排水承重系统进行可靠性数值仿真,承重系统可靠性包括静态载荷和动态运行载荷下结构是否稳定,以及水锤冲击极限载荷下系统是否疲劳,具有非稳定、可形变、疲劳影响寿命等特征,在建立承重系统三维实体模型的基础上,应用有限元分析软件模拟关键部件静态、动态运行和极限水锤冲击下的受力、形变、振动和疲劳规律。包括静力分析以验证承重部件是否满足排水各工况的需求,稳定性分析以判断关键部件的固有频率与工作时外界激振频率是否导致共振的发生,疲劳强度分析以预测部件在循环应力作用下的使用寿命,找出薄弱环节和疲劳规律,并结合抢险排水案例进一步验证了对深井救灾排水承重系统进行有限元结构强度校核的必要性,对救灾物资的储备提出分类标号的管理措施。(5)对深井救灾排水承重系统设计的支撑梁进行数值分析:静力分析表明在同种载荷下支撑梁的总形变和应力值均随着井口直径的增大而增大,即使在最大水击力作用下,支撑梁最大形变在材料允许范围内,属于小变形,最大应力均发生在大梁与地基接触部位,最大应力值均小于材料的屈服强度,安全系数≥3.43,支撑梁安全可靠;由承重梁稳定性分析的各阶振型看出,其固有频率均远大于激振源的频率,不会发生共振,但梁的两侧腹板的振动变形,变形位置位于内部两加劲肋之间,为避免停泵水击等高频工况对支撑梁造成破坏,可通过增加腹板厚度或者加大梁内加劲肋的布置密度来改善承重梁的振动特性;疲劳寿命分析表明支撑梁即使在最大的水击力作用下,也可以事故停泵1225次,而在采取缓闭逆止阀+两阶段控制蝶阀配合水击防护措施下,可以事故停泵3155次。对深井救灾排水承重系统选型的管路进行数值分析:静力分析结果表明最大水击力作用下的管路,最大形变均属小形变,最大集中应力值均小于其抗拉强度和屈服强度,满足使用要求;稳定性分析表明800m排水管路的固有频率远小于激振频率,在正常运行中不发生共振,管路主要呈现旋转摆,摆动时的型变最大值为7.0727mm,此值对800m管路来说为小形变;疲劳寿命分析表明最上端排水管路在最大水击力作用下,可以事故停泵49次,必须采取更优化的水击防护措施,之后可以事故停泵160次,最下端排水管路在最大水击力作用下,可以事故停泵361次,优化水击防护措施后,可以事故停泵2073次。同时,管路的疲劳寿命分析还表明,排水系统的上、下端排水管路在相同载荷下的疲劳寿命及可使用次数相差巨大。因此,在工程应用中,须将每根管路标号,此次排水在下端使用的管路,在下次排水时调至上端使用,并对管路的使用情况(使用次数、每次使用时长、每次使用过程中的停泵次数)做详细记录,待管路的使用寿命接近其疲劳寿命时,不可再使用。(6)通过800m井深的华东某煤矿突水淹井后的抢险排水案例,在4个月的抢险排水过程中,单泵启停40多次,运行稳定,抢险排水结束后,拆除系统,运回维修厂和仓库,对电机、水泵、管路、法兰、螺栓和支撑梁等各关键部件进行检查和测试,潜水电泵和承重系统各项性能指标亦然良好,始终保持正常运行状态,保证了井下堵水作业、清於作业、建立供电系统、安装大型水泵和电机等大工程量作业的顺利完成。经过4个月复杂工况的抢险排水考验,印证了深井救灾排水系统的高安全可靠性、高稳定性。