采矿工程中, 无论是露天开采还是井下开采, 都广泛使用深孔爆破法崩落岩石或矿石。深孔爆破, 先用钻机打好一系列炮孔, 再装药爆破。然而, 炮孔打好后常在孔内聚集积水, 给装药时带来很多困难。即使采用防水浆状炸药, 由于其比重接近于水, 也难以向孔内下沉。这就影响炮孔的有效利用, 降低了爆破效益, 增加了大块矿岩及炸药消耗。因此, 深孔爆破时总希望把炮孔内积水排干。

要排干炮孔内的水, 存在两个难关:一方面由于炮孔孔径小, 即使特制机构复杂的微型潜水泵, 也难以适应孔内工作, 加上在机具上下移动中和在工作的振动条件下, 炮孔壁易松动脱落出松石泥土卡堵泵体, 甚至发生埋住泵体现象, 往往造成泵孔俱废。另一方面炮孔深度大, 通常都大于10m, 远大于常规泵的吸水高度, 无法用常规的通用泵将孔内积水排干。针对这两大难关, 我们研制出水射流式炮孔排水装置, 圆满地解决了这些问题。

1 水射流式炮孔排水泵工作原理

水射流式炮孔排水装置的组成如图 1所示。把体积很小的水射流泵3置于炮孔底部积水面之下, 用软管将它与装在炮孔外面地表的离心水泵1相联(水射流泵出水口与离心水泵进水口相联)。离心水泵的出水口分两支路, 由调节阀10控制各分流水量和水压:一支路直接将高压水送至孔底, 作潜入孔底的水射流泵的动力用水; 另一支路将水排至地面水沟。水射流泵进水口通过底阀4又与孔内积水相通。

工作时, 将系统灌满水(灌水方法与常规离心水泵同), 关闭离心水泵向外排水的闸阀10, 起动离心水泵。待离心水泵运转正常后, 慢慢打开阀10。与此同时, 在离心泵返折至孔底向水射流泵提供的动力水作用下, 底阀打开。炮孔内积水经底阀4、水射流泵3、离心水泵1排至孔外水沟流走。

水射流泵的工作原理如图 2。高压动力用水(由离心泵提供)流经水射流泵的喷嘴4时, 产生高速水射流束, 水的高压变为动能, 喷嘴口外出现低压流场(喷嘴口至喉管3), 低压流场扩展至底阀5的上侧, 底阀两侧则存在里差(另一侧为吸水面室底阀的水下高度)。在这个压差作用下底阀打开。孔内积水流入喷嘴口外的低压流场, 由高速水射流束带至喉管3与水射流束混合后, 流至扩散管2。在扩散管内, 过流截面逐渐变大, 流速逐渐减小, 动压又转化为静压。就这样由炮孔吸入的水获得了一定压力（此压力等于水射流泵的扬程），确保能将水送至安装在孔口（高度大于离心水泵吸水高度）的离心水栗进水口。

水射流式炮孔排水装置, 通过水射流泵和离心水泵串联接力, 成功地解决了离心水泵允许吸水高度小于孔深的难关。此外, 水射流泵结构紧凑, 无运动部件, 尺寸远小于微型潜水泵。最小一号的水射流泵, 其径向尺寸可控制在70mm以下。这样也解决了炮孔排水时, 入孔部件易被卡、堵、埋的难关。

2 水射流式炮孔排水装置合理工况

炮孔内的积水面高度, 在排水过程中是变化的, 水射流泵的进水压力和排水压力一也随之变化, 离心泵进水压力也是变化的。这样整个装置的运行工况在排水过程中都是变化的, 属于不稳定运行。装置的不稳定运行(变工况运行)可能导致意外故障, 如汽蚀、湍振和破坏装置内水流连续性等。为防止意外故障, 确保装置可靠工作, 必须对其工作范围加以控制, 也就是确定其合理工况的区域, 运行时必须控制运行工况在合理工况区域内。

水射流式炮孔排水装置的工况包括水射流泵工况和离心水泵工况, 以及整个装置的排水量Q_s和效率η及扬程H。

该装置由水射流泵与离心水泵非标准串接而成。它们之间关系为:装置排水量Q等于离心水泵的工作水量Q₀减去水射流泵动力水流量Q_d; 装置效率等手离心水泵效率η₀和水射流泵效率η_s之积; 装置扬程H等于离心水泵扬程H₀和水射流泵扬程H_s之和。装置流量系数q=Q_s/Q_d, 在相似运行工况时保持为常数。即:

装置工况确定采用水射流泵喷嘴口外的低压曲线相交法较方便。水射流泵动力用水在低压区的压力H_p与Q_d关系折算成Q_s关系曲线, 也可直接用性能实验法测出H_p与Q曲线, 炮孔积水经吸水管路至喷嘴口低压也有一条随Q_s变化关系的吸水管道曲线(H_p与Q_s关系线)。这两条线在坐标图上交点Ⅰ便可确定装置工作时流量Q_sm。如图 3所示, 在离心水泵的特性坐标图上, 利用q= Q_s/Q_d。Q₀=Q_d+Q_s关系, 将离心水泵原特性H₀=fη₀(Q₀)换算成H₀=f'H₀(Q_s), η₀=fη₀(Q₀)换算成η₀=f'η₀(Q_s)。并保留原特性H₀=fH₀(Q₀), η₀=fη₀(Q₀), 离心泵允许吸水高度H_s0=fH_s0(Q₀)。再将水射流泵特性H_s=fH₀(Q_s), 喷口处低压H_p=fH_p(Q_s)两条特性描于坐标图上。作出装置运行时吸水管路阻力特性H_ps =fH_ps(Q_s)曲线, 交H_p=fH_p(Q_s)曲线于Ⅰ点, 对应的流量Q_s1为水射流泵工作吸水流量Q_sm。过Ⅰ点做垂直线交H_s=fH_s (Q_s)曲线于Ⅱ点, 交H₀=f'H₀(Q_s)曲线于Ⅲ点。Ⅱ点对应扬程为水射流泵工作扬程H_sm, Ⅲ点对应扬程为离心泵工作扬程H_0m。过Ⅲ点作水平线交曲线H₀=fH₀(Q₀)于Ⅳ点, 此点对应流量为离心水泵工作流量Q_0m。过Ⅳ点做垂直线交η₀=fη₀(Q₀)于Ⅴ点, 交离心泵允许吸水真空高度H₀= fH_s0(Q₀)于Ⅵ点。Ⅴ点对应效率为离心泵工作效率η_0m, Ⅵ点对应值为离心泵允许吸水真空高度H_s0m。这样, 装置工况就全确定了。

水射流式炮孔排水装置只要控制开始排水炮孔积水高为H_t和积水排干(炮孔积水高为零)两种工况, 中间排水过程即在两者之间。为此, 只需按吸水高度为零和负H_t来作出两条吸水管阻力特性的两个工况, 将两者控制在规定合理工作区, 能确保装置安全经济运行。

装置的合理工作区是考虑到经济运行和可靠运行两个方面。经济运行主要考虑离心水泵工况效率η_0m在最高效率的80%范围内, 以确保装置运行效率。水射流泵效率通常不予考虑。可靠运行主要考虑离心泵和水射流泵不发生汽蚀。水射流泵不发生汽蚀只要保证其安装在水下, 通常能防止汽蚀发生; 离心水泵不发生汽蚀, 当炮孔深为h的工作装置水射流泵扬程为H_sm, 离心水泵允许吸水真空高度工况为H_s0m时, 只要保证H_s0m> (h-H_sm+△H'), △H'为离心泵吸水阻力。保证上述几个方面, 装置的工作就属合理。装置运行合理工况, 就是要保证排水初期和快排干时两个工况符合上述几项要求。

3 装置的压气灌水和压气排水

装置(如图 1示)起动前要灌满水, 否则起动不了。由于装置有两个软管伸入孔底, 灌水量大若用手工无压灌水, 虽然能满足要求, 但灌水时间太长且不很可靠, 因为有时在软管拐弯处会有气段排不出来, 使水灌不满。为此采用压气水箱将高压水灌入, 能在几十秒钟内完全灌好水。

炮孔积水排完时, 伸入孔内的两条水管都有水, 重约40kg, 为上提方便迅速, 节省辅助时间, 采用压气将水从管内快速吹出。

压气灌水和压气排.水控制原理见图 4。压力灌水时, 将阀③、⑦的连接软管断开, 把阀①、④用软管接通, 打开阀③、②、⑤、①、④, 压气经阀⑤进入压力水箱上部, 水箱3中的压力水经阀④、①、泵2、管5注满整个装置, 当阀③有压力水冒出时, 说明整个系统己灌满水, 立即关阀③开泵抽水。现场使用时, 把水注满整个装置只需几十秒钟, 比手工无压灌水缩短了十几倍时间。

压气排水是在上述压力灌水的基础上进行的。如图 4所示, 将阀③、⑦用软管接通, 把阀①、④之间连接软管断开, 关闭阀②、④、⑤, 打开阀③、⑦。压气经阀⑦、③, 工作水管4, 喷射泵1, 将软管(伸入孔内输水管)中积水经水泵2、阀①排出。经多次现场测定证实, 可将软管中90%的水排出。

压气灌水和压气排水, 直接利用矿山采场的压缩空气网中的压缩空气, 使用方便, 大大减轻了劳动强度, 缩短了辅助时间, 提高了水射流式炮孔排水装置的使用效率。

4 结语

将无运动部件体积极小的水射流泵潜入炮孔底部与在孔外的离心水泵联合成的炮孔排水装置, 解决了炮孔排水易卡、堵、塞和泵的吸程小于炮孔深度的两个难关, 能顺利地将孔内积水排干。

孔内积水排干后经济效益十分明显。首先是充分利用了整个炮孔。以前孔内存在积水, 使得防水炸药装不到底部, 有时只能装到一半的孔深。这不但浪费了有效炮孔, 还严重影响爆破用药量的分配, 造成爆破效果不佳和大块量增加。孔内排干水后, 可严格执行预定的分配药量和装药深度, 大大提高爆破效果和降低大决率以及开采单位矿石炸药消耗量。东北某金犷实践表明, 炸药单耗可降低13%, 大块可降低30%。抽干孔内积水后还可以改用价廉的粉状炸药, 也可进一步降低生产成本。此外, 还大大改善了装药的劳动条件, 加快了装药速度。