煤矿排水系统设计.docx
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煤矿排水系统设计
主排水泵选型计算设计
一、概述
本矿井采用主斜井、副立井、回风立井综合开拓方式，主斜井井口标高为+922m，副立井、回风立井井口标高均为+1195m，副立井、回风立井落底标高均为+220m，主斜井与暗主斜井斜交，暗主斜井落底标高为+206m，初期大巷最低点标高为+205m。
根据地质报告，本矿井正常涌水量807m3/h，最大涌水量为1234m3/h，正常涌水量大于120m3/h，最大涌水量大于600m3/h，对照现行《煤矿防治水规定》，属水文地质条件复杂矿井。
按照现行《煤矿防治水规定》及《煤矿安全规程》要求，本矿井应当在井底车场周围设置防水闸门，或者在正常排水系统基础上安装配备排水能力不小于最大涌水量的潜水电泵排水系统。
根据本矿井开拓方式，结合现有成熟的防水闸门产品参数，设置防水闸门抗灾暂无合适的设备，因此设计在正常排水系统基础上配备潜水电泵抗灾排水系统。
二、矿井主排水
（一）设计依据
地质报告提供矿井正常涌水量807m3/h，最大涌水量为1234m3/h，考虑矿井井下洒水和黄泥灌浆析出水增加50m3/h的排水量，因此在设备选型时按正常涌水量857m3/h，最大涌水量为1284m3/h计算；矿井水处理所需要增加15m扬程。
（二）排水系统方案
根据本矿井的开拓布置，矿井涌水量和排水高度等资料，设计对本矿井的排水系统方案进行了比较：
方案一：
主排水泵房设置在初期大巷最低点，排水管路沿副立井井筒敷设，将矿井涌水排至地面副立井工业场地，在副立井工业场地设置水处理站。
该方案虽然排水管路相对较短，降低了管路投资，但是由于副立井较主井井口标高高出约273m，年排水电费约增加560余万元，且送往井下的洒水管路水压大，需增加管路壁厚，管路投资增加约100万元，综合运营费用较高。
方案二：
主排水泵房设置在初期大巷最低点，排水管路沿西大巷→主斜井井筒敷设，将矿井涌水排至主井场地。
该方案虽然排水管路较长，管路损失较大，但主井较副立井井口低273m，排水设备工况扬程低，水泵级数少，设备投资省，电耗低。
经上述综合分析比较，设计推荐本矿井排水系统采用布置合理，综合运营费用低的方案二，即主排水泵房设置在初期大巷最低点，井下涌水由主井排出方案。
（三）矿井主排水泵房排水设备
1、设计依据
根据确定的排水系统方案，本矿井主排水泵房设置在+205m水平副立井井底车场附近的初期大巷最低点，排水管路经管子道、沿主斜井井筒敷设至地面。
地质报告提供矿井正常涌水量807m3/h，最大涌水量为1234m3/h，考虑矿井井下洒水和黄泥灌浆渗水增加水量50m3/h，因此在设备选型时按正常涌水期排水量857m3/h，最大涌水期排水量为1284m3/h计算；初期大巷最低点标高+205m，主斜井井口标高+922m，排水垂高715m，考虑矿井水处理所需要增加的15m扬程后，排水总垂高为732m，排水管路敷设长度约5800m。
2、排水设备方案
水泵及管路的初选
（1）泵应具有的排水能力：
正常涌水量Q1=×857=1028.4m3/h;
最大涌水量Q2=×1284=1540.8m3/h
排水扬程H=×（717+5）=830.3m
（2）排水设备初选
MDS420-96系列矿用耐磨离心式排水泵，其额定扬程应不小于830.3m。
（3）排水管路初选
D=（4×420/××3600）1/2=0.287m取DN=0.30m即DN300mm
排水管路选用D325型复合钢管，吸水管路选用D377型复合钢管。
（4）排水系统阻力系数
排水管阻力损失：
式中：
－－速度压头系数，1；
－－直管阻力系数，
－－弯管阻力系数，～；
－－闸阀阻力系数，～；
－－逆止阀阻力系数，5～14；
－－管子焊缝阻力系数，；
－－弯管数量，个；
－－闸阀数量，个；
－－逆止阀数量，个；
－－管子焊缝数量，个；
－－水与管壁的阻力系数；
－－排水管路总长度，m；
－－排水管流速，m/s；
旧管时：
吸水管路及局部水头损失之和
：
式中：
－－直管阻力系数，
－－弯管阻力系数，～；
－－滤水器阻力系数，2～3；
－－偏心异径管阻力系数，～；
－－弯管数量，个；
－－水与管壁的阻力系数；
－－吸水管路总长度，m；
－－吸水管流速，m/s；
旧管时：
排水系统阻力系数
则排水系统Q-H特性曲线方程为H=722+×10-4Q2
3、水泵及管路的计算机优化
根据矿井排水系统和参数，经我院通过部级鉴定的《矿井排水设备选型优化设计计算程序》设计计算，选出了适合本矿井主排水泵房的3个排水设备方案，其技术经济参数详见表7-3-1。
从方案表中可以看出，方案三所选排水系统设备，排水能力大，但水泵运行工况效率低，年电耗高，基建投资多，年综合营运费用也较高，故设计不予推荐；方案二所选排水系统设备，虽然电动机容量较小，但水泵台数多，年电耗较高，基建投资也较多，因水泵运行工况效率低、综合营运费用也较高，设计也不予推荐；方案一所选排水系统设备，基建投资低，水泵运行工况点效率高，年电耗少，年综合运行费用最低。
故设计推荐方案一作为本矿井主排水设备方案。
矿井主排水设备选型方案比较表
表7-3-1
内容
单
位
技术参数
方案一
方案二
方案三
设计依据
矿井正常涌量
m3/h
857
矿井最大涌量
m3/h
1284
排水垂高
m
732
排
水
设
备
水泵型号
MDS420-96×9
MD360-92×9
MD420-96×9
（原PJ200系列）
水泵台数
台
7
8
7
电机型号
YB2系列4极
YB2系列4极
YB2系列4极
电机参数
10kV,1600kW
10kV,1250kW
10kV,1600kW
排水管路
4-D325×21
5-D325×18
4-D325×21
正
常
涌
水
期
工
况
水泵工作台数
台
3
4
3
排水管工作趟数
3
4
3
流量
m3/h
343
扬程
m
效率
%
吸程
m
轴功率
kW
1050
日排水时间
h/d
最
大
涌
水
期
工
况
水泵工作台数
台
4
5
4
排水管工作趟数
4
5
4
流量
m3/h
343
扬程
m
效率
%
吸程
m
轴功率
kW
1050
日排水时间
h/d
年电耗
kWh/a
×104
×104
×104
吨水百米电耗kWh/（t·hm）
基建投资
万元
综合营运费用
万元/a
注：
电价按元/度。
基建投资仅作为方案比选使用。
（1）排水管路壁厚按下式计算：
式中：
δ－－排水管路管壁计算厚度，cm；
P－－管路最大工作压力，设计取为；
DW－－管路管材外径，cm；
ψ－－管路焊缝系数，无缝钢管取1；
[σ]－－管材需用应力，MPa；
本公式已计入管材的制造误差及腐蚀附加厚度。
代入各参数后：
则排水管路壁厚选择为21mm。
排水管路选用2趟D325×21型聚乙烯复合钢管（基材为无缝钢管），分段选择壁厚。
排水管路由+205m水平主排水泵房→管子道→主斜井井筒敷设至地面。
正常涌水期3泵3管运行，最大涌水期4泵4管运行。
（2）选定方案的设备及运行工况
经计算机优化，并结合前期可研设计时专家的评审建议，本矿井主排水系统设备选用MDS420-96×9型矿用耐磨离心式主排水泵7台，每台水泵配套1台YB2系列4极10kV1600kW矿用隔爆电动机。
正常涌水期3台工作，3台备用，1台检修，最大涌水期4台水泵工作。
鉴于本矿井的涌水水质较差，考虑到延长排水管路的使用寿命，减小管路维护工作量，主排水管路选用4趟D325矿用聚乙烯复合钢管（基材为无缝钢管），分段选择壁厚。
排水管路经管子道、主斜井井筒敷设至地面。
正常涌水期3泵3管运行，最大涌水期4泵4管运行。
矿井排水设备运行特性曲线详见图7-3-1。
矿井排水系统布置详见图7-3-2。
矿井排水设备运行工况详见表7-3-2。
水泵运行工况点参数表
表7-3-2
参数
管路
运行
方式
流量
Q（m3/h）
扬程
H1（m）
效率
η（%）
计算轴功率
Nφ（kW）
理论最大
吸水高度
Hs（m）
日排水
时间
t（h/d）
正常
涌水期
新管
3泵3管
497
旧管
最大
涌水期
新管
4泵4管
497
旧管
备注
新管指管路未淤积时，旧管指管路淤积后。
水泵运行时，日排水时间均＜20h，排水能力满足要求；水泵所需轴功率（计算轴功率）均小于所配电动机容量1600kW，所选电动机容量满足水泵要求。
为了节约能源，设计选用ZPB-G型高压气液两用射流装置，使水泵实现无底阀运行。
射流泵接井下压缩空气管路作为备用能源。
设计选用MZ941H-100型矿用电动隔爆闸阀，实现水泵房自动化控制；选用JD745X-100型多功能水泵控制阀，减小水垂对排水系统的冲击。
泵房内设置起重梁，配置手动单轨小车和环链手拉葫芦，以便于设备安装和维修。
根据本矿井开拓方式及井下辅助运输无轨化的特点，传统的人工挖掘，清仓绞车清运水仓淤泥方法，效率低、劳动强度大，不适合本矿井高产高效的要求，同时煤泥（含有水）运输也不方便，还影响井下环境。
为此，设计考虑选用国内近几年开发的ZQ-ⅢY型水仓自动清挖系统1套，用于井下水仓清理。
该系统含有淤泥搅拌设备、MQB-Ⅱ型泥浆抽排泵、脱水设备、浓缩设备及装车系统，能将水仓淤积的煤泥转化为煤饼，装载到井下无轨胶轮车上，运到地面，操作方便，使用可靠，己在多对矿井中成功应用，反应较好。
ZQ-ⅢY型水仓自动清挖系统总装机容量约35kW。
（四）矿井主排水设备的供配电与控制
根据现行《矿山电力设计规范》、《煤矿安全规程》要求，井下主排水泵为一级负荷，主排水泵电机由井下中央变电所一对一供电，10kV高压电源线路采用MYJV-10kV3×70煤矿用交联聚乙烯电力电缆。
井下主排水泵电机，采用高压软起动。
同时，在水泵房设有就地操作箱。
主排水泵供电系统图详见附图C1361G1-261·2-1。
为了实现矿井井下主排水自动化，设计有自动化排水系统。
该系统采用防爆PLC控制，能根据井下水仓水位自动起停水泵，工作泵故障时，备用水泵自动投入。
现场控制器采用S7系列PLC，完成数据采集与控制功能。
并配置工业智能图形工作站，作为数据显示和操作监控设备。
系统控制点设于井下中央变电所中，为二合一控制站，即井下排水三遥系统和中央变电所三遥系统共用硬件平台。
1、操作方式：
系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。
2、程控功能：
PLC主要实现主排水系统的数据采集、动态显示及主排水泵自动启停、自动倒换等顺序控制功能。
3、监控功能：
具有故障自诊断、流量、压力、设备运行工况和在线设备性能等参数、控制系统状态、高、低压配电及MCC系统等的连续实时显示以及报表打印、数据存储功能。
4、水泵监控系统与井下控制网联网，实现在矿调度室进行三遥。
五、抗灾潜水电泵排水系统
（一）概述
本矿井正常涌水量807m3/h，最大涌水量为1234m3/h，对照现行《煤矿防治水规定》，水文地质类型为复杂，涌水量在西北地区较大，对采掘工程、矿井安全构成一定水害威胁。
为此设计考虑在井底车场周围设置防水闸门，或者在正常排水系统基础上安装配备排水能力不小于最大涌水量的潜水电泵排水系统。
鉴于本矿井井下水压大于6MPa，高压水闸门尚无定型设计产品，超高压防水闸门也还在研究阶段，考虑实际抗灾需要，以及目前潜水电泵设备发展状况，采用增加潜水电泵排水系统以增强矿井的抗灾排水能力，设计在井底车场主排水泵房水仓附近设潜水电泵系统，排水管路沿回风立井井筒敷设至地面。
（二）设计依据
本矿井回风立井井口标高为+1195m，井底车场主排水泵房水仓附近的标高为+205m，排水垂高990m。
在主排水泵房水仓附近设置潜水电泵硐室，潜水电泵硐室标高为+205m，排水管路沿西回风大巷转回风石门至回风立井井底，由回风立井井筒敷设至地面，井下水排出后留有3m水头。
矿井最大涌水量1234m3/h，总排水高度993m，排水管路长度1880m。
（三）抗灾潜水电泵选型
1、抗灾潜水电泵选型
根据排水能力要求、估算水泵扬程，本矿井抗灾潜水电泵排水系统选用3台BQ550-1105/13-2500/W-S型，额定流量550m3/h，额定扬程1105m的矿用隔爆卧式潜水电泵，当井下突水或涌水量增大时，3台水泵同时工作，每台水泵配用1台4极、10kV、2500kW矿用潜水泵专用隔爆型电动机。
2、排水管路选择
排水管路直径：
，取D=0.30m，公称直径为DN300mm。
式中：
—设计排水管流速，m/s。
结合所选水泵台数、水泵扬程，排水管路选用3趟外径为D325mm的聚乙烯复合钢管（基材为无缝钢管），分段选择壁厚。
当井下突水或涌水量增大时，3趟管路同时工作。
排水管路由卧式潜水泵硐室→管子道→回风大巷→回风石门→回风立井井筒敷设至地面。
3、管路阻力系数计算
（1）排水系统阻力系数
①排水管路中阻力损失
按下式计算：
式中：
—速度压头系数，取
=1；
—直管阻力系数，
—水与管壁的阻力系数，对于DN300mm管路，
=；
—排水管路总长度，本矿井抗灾排水系统为1880m；
—排水管路公称直径，本矿井抗灾排管路管径为0.30m；
—弯管阻力系数，～；
—弯管数量，个，本矿井抗灾排水管路系统为2个；
—闸阀阻力系数，～；
—闸阀数量，个，本矿井抗灾排水管路系统为2个；
—逆止阀阻力系数，5～14；
—排水管流速，m/s；
则，抗灾排水泵排水管路阻力损失：
抗灾排水管路旧管（淤积）时阻力损失：
②吸水管路及局部水头损失之和
，因潜水泵无吸水管，故可不考虑。
③排水系统阻力系数
新管（管路未淤积）时：
旧管（管路未淤积）时：
则排水系统新管（管路未淤积时）阻力特性方程为：
H=Ht+RQ2=993+×10-4Q2
旧管（管路未淤积时）阻力特性方程为：
H=Ht+R’Q2=993+×10-4Q2
式中：
Ht—吸水面至排水口几何高差，m；本排水系统Ht=993m。
4、水泵运行工况
按新管（管路未淤积时）阻力特性方程和旧管（管路未淤积时）阻力特性方程，在BQ550-1105/13型水泵特性曲线上绘出管路阻力特性曲线，得出水泵运行工况点。
矿井抗灾排水设备运行工况点详见表7-3-3。
抗灾水泵运行工况点参数表
表7-3-3
参数
管路
运行
方式
流量
Q（m3/h）
扬程
H1（m）
效率
η（%）
计算轴功率
Nφ（kW）
日排水
时间
t（h/d）
新管
3泵3管
593
1061
2204
旧管
559
1098
2145
备注新管指管路未淤积时，旧管指管路淤积后。
矿井抗灾潜水电泵运行特性曲线见图7-3-3。
由水泵运行工况点参数表可知，在排水新管（管路未淤积）时，潜水电泵工况流量593m3/h，工况扬程1061m，计算轴功率2204kW＜2500kW，抗灾排水潜水电泵配用的电动机容量满足水泵排水要求。
所选水泵采用高压软启动器起动，起动能力能够满足2500kW水泵电动机起动要求。
按抗灾排水管路系统最大工作压力状况，计算管路壁厚：
故所选外径D325mm、壁厚23mm的聚乙烯复合钢管（基材为D325×23型无缝钢管）满足排水要求。
5、电动机容量、管路壁厚及排水能力校验
由水泵运行工况点参数表可知，当井下突水或涌水量增大时，3趟D325×23型排水管路配合3台BQ550-1105/13-2500型潜水电泵工作。
管路淤积后潜水电泵工况流量559m3/h，工况扬程1098m，计算日排水时间，小于24h，抗灾排水潜水电泵的排水能力满足要求。
（四）抗灾潜水电泵的供配电与控制
根据现行《矿山电力设计规范》、《煤矿安全规程》要求，抗灾潜水泵为一级负荷，抗灾潜水泵电机，采用电气软起动方式，其10kV高压电源由地面抗灾潜水泵高压配电室一对一供电。
抗灾排水监控系统采用PLC完成数据采集与控制功能，能根据水害危险在地面控制点进行操控。
在潜水泵的出口管路安装有电动闸阀，总出水管路上安装压力与流量传感器。
抗灾潜水泵控制点设于地面抗灾潜水泵高压配电室，井下潜水泵自带的压力、流量等保护参数，通过4～20mA模拟量信号接入地面PLC中。
抗灾潜水泵10kV配电室供电系统图详见附图1361G。
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