礦井排水系統(tǒng)的優(yōu)化問題探討

張智樞

（廣元楊家?guī)r煤業(yè)有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000）

我國是資源消耗大國，尤其是對于煤炭的需求量，更是有增無減，那么在煤礦開采的過程中，會受到種種因素的制約，其操作的危險(xiǎn)性非常大，容易出現(xiàn)事故，在眾多誘發(fā)因素中，透水以及瓦斯的威脅是最大的。在我國很多煤礦開采過程中，因?yàn)橥杆约坝克?、瓦斯保障引發(fā)的事故，屢見不鮮。針對透水這個(gè)問題來說，利用排水泵就能夠有效解決，現(xiàn)階段我國煤礦排水泵以結(jié)構(gòu)形式來劃分，主要有兩種：一種是干式水多級泵、就是礦用防爆電動機(jī)通過連軸器驅(qū)動的常規(guī)臥式多級泵；另一種是濕式泵，是利用潛水電動機(jī)來作為驅(qū)動的排水泵。

一、排水系統(tǒng)優(yōu)化

1 提出問題

由于煤礦資源具有一定的隱蔽性，它們通常都是埋藏在很深的地下，并且在不同礦山，礦產(chǎn)所埋藏的深度也不同，因此，還具有一定的差異性，不同地域，其滲水、涌水量也不盡相同，這就要求在使用排水泵的時(shí)候，要因此質(zhì)疑，根據(jù)當(dāng)?shù)孛旱V排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件進(jìn)行。通常來說，煤礦排水系統(tǒng)的排水量要根據(jù)礦井的實(shí)際涌水量為依據(jù)，如果實(shí)際涌水量地域預(yù)期數(shù)值的時(shí)候，那么工作人員就應(yīng)該減少水泵的數(shù)量、縮短開機(jī)時(shí)間。而排水壓力則要根據(jù)泵站的標(biāo)準(zhǔn)高度作為基礎(chǔ)。即以開采深度加上一定的余量作為泵的排出壓力。在煤礦給排水設(shè)計(jì)的過程中，相關(guān)規(guī)范要求選型楊程為排水高度為1.1～1.35倍。除此之外，在設(shè)計(jì)泵站的時(shí)候，必然都要進(jìn)行水倉的設(shè)計(jì)，水倉具有一定的容量，合理的設(shè)計(jì)容量，能夠有效環(huán)節(jié)泵站排水量以及用水量之間的矛盾。問題就由此產(chǎn)生，以上方法必須要具有合理性以及可行性，它既關(guān)系到排水系統(tǒng)的安全，還關(guān)系到排水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、關(guān)系到系統(tǒng)的能效問題。

2 管路系統(tǒng)的優(yōu)化

在泵的選型問題上，完全可以依據(jù)以上原則進(jìn)行，但是針對泵的揚(yáng)程部分，其中很多問題還需要進(jìn)行深入討論，因?yàn)楝F(xiàn)有方法針對泵揚(yáng)程方面的計(jì)算會比較簡單，這樣就會導(dǎo)致誤差偏大的問題，泵站的位置標(biāo)高是測量出來的沒有問題，但隨便取個(gè)系數(shù)得出泵揚(yáng)程是不妥的。不管是管路鉆孔個(gè)直排還是沿坑道布置，都會對管路系統(tǒng)的排水能力產(chǎn)生影響。那么如果采用揚(yáng)程高的水泵，又會帶來經(jīng)濟(jì)消耗過大的問題，這個(gè)時(shí)候能源消耗也會過大，與此同時(shí)，管道系統(tǒng)往往還會存在排水量不足以及無法滿足實(shí)際需求的問題，工作人員應(yīng)該選擇鉆孔的方式進(jìn)行管道布設(shè)、立管直排的方法來進(jìn)行排水管的安裝，這樣才能夠最大限度的減少管路的長度以及彎頭，從而達(dá)到管道的排水阻力，節(jié)約電能。在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果單管無法滿足經(jīng)濟(jì)流速需求量，那么工作人員則應(yīng)該多加鉆幾個(gè)空洞，采用管理安排的方法來解決管徑較小的問題。當(dāng)然，這是條件允許的情況下，如果條件不允許，那么就應(yīng)該沿坑道布置管道，并且還要使用口徑大的無縫管線，這樣才能做到低流速、小損耗。

3 泵的選型

圖1 MD450-60泵優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率曲線

在選擇水泵型號的時(shí)候，需要注意的問題也有很多方面，首先，就是要在條件允許的情況下，盡量選擇節(jié)能效果好的產(chǎn)品，并且產(chǎn)品的各項(xiàng)性能要與實(shí)際的使用要求相符合，具備齊全的證書。選擇的水泵，高校區(qū)部分應(yīng)該相對較寬，這樣才能夠保障其工作效率與質(zhì)量。并且，在礦井中所使用的水泵，在剛剛使用的時(shí)候，都會產(chǎn)生一定的安全余量，那么如果是無閥控制的時(shí)候，水泵初期必然是在流量偏大的狀態(tài)下運(yùn)行的。如圖1所示，其為MD450-60泵水力優(yōu)化的效果示意圖，改泵的額定水流量為450m3/h、單級揚(yáng)程為60m，因?yàn)槊旱V排水泵站現(xiàn)場偏離工況運(yùn)行的問題，因此需要對泵的水力部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，目的在于要提高大流量區(qū)域的水里效率，同時(shí)加寬了高效區(qū)，預(yù)測這樣會更加適合煤礦排水要求，除此之外，還要對水泵的富余揚(yáng)程進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，通常來說，煤礦所采用的水泵一般為多級離心泵，這種泵的富余揚(yáng)程相對較大，那么如果將中間級的葉輪用軸套取代，能夠緩解這個(gè)問題，如果是在富余揚(yáng)程較小的時(shí)候，可以采用切割葉輪的方式，使得泵揚(yáng)程更加負(fù)荷管路系統(tǒng)的要求，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。

然而，如果在長時(shí)期的使用之后，泵的口環(huán)以及節(jié)流襯套等部分就會有不同程度的磨損，這個(gè)時(shí)候，泵自然就會匯到額定點(diǎn)運(yùn)行。初此之外，通常情況下，管路阻力的計(jì)算都已最大用水量為準(zhǔn)的，如此而來，流過排水管的水量并不會很多，這樣的情況下，在實(shí)際的阻力與計(jì)算時(shí)的相比，就會偏小，進(jìn)而產(chǎn)生揚(yáng)程富余，從而導(dǎo)致水泵是在大流量狀態(tài)下運(yùn)行的。最后，在選擇水泵型號的時(shí)候，切記不可選擇滿揚(yáng)程、滿流量的型號，要選擇富余揚(yáng)程在5%左右的水平。這樣做的目的就是為了在需要提高揚(yáng)程的時(shí)候，工作人員可以采用更換葉輪的方式來實(shí)現(xiàn)揚(yáng)程的增加，進(jìn)而達(dá)到實(shí)際使用要求。

圖2 傳統(tǒng)階段式多節(jié)泵

圖3 對稱型無平衡盤節(jié)段式多級泵

圖4 對稱型蝸殼式多級泵

二、泵本身的優(yōu)化問題

目前煤礦排水使用的傳統(tǒng)節(jié)段式多級泵，如圖2所示。如D型、MD型、PJ型泵都是平衡盤形式的節(jié)段式泵，在使用中存在一些問題需要改進(jìn)。如平衡盤在輸送含煤粉較多的礦井水時(shí)，受煤灰影響，平衡盤容易磨損而失效。建議推廣應(yīng)用如圖3所示的對稱式無平衡盤的多級泵。另一方面，許多泵型汽蝕性能較差需要改進(jìn)。對流量大于300m3/h的排水泵，最好是低轉(zhuǎn)速、首級葉輪雙吸，輪轂直徑D0=130mm，葉輪進(jìn)口直徑D0=260mm，進(jìn)口系數(shù)弱=4.7。可想而知，流量580m3/h時(shí)，汽蝕性能多差。后將葉輪進(jìn)口直徑D0=300mm，進(jìn)口系數(shù)%提高到5.65，新制葉輪替換，解決此問題。對流量大干300 m3/h的排水泵，最好是低轉(zhuǎn)速、首級葉輪雙吸，達(dá)有利于提高泵的汽蝕性能，擴(kuò)大泵對工況的適應(yīng)性。對經(jīng)濟(jì)條件較好的礦井推薦使用如圖4所示的對稱型蝸殼式多級泵，首級葉輪雙吸。這種蝸殼式多級泵造價(jià)高一點(diǎn)，但汽蝕性能好、檢修工作量大大降低，如將采購成本和使用成本一起考慮的話，與節(jié)段泵的成本總體是持平的，該形式泵在油品長輸管線上應(yīng)用廣泛。

結(jié)語

對于礦井施工來說，排水系統(tǒng)是非常重要的部分，由于礦井施工非常復(fù)雜，并且具有極高的危險(xiǎn)性，尤其是涌水以及瓦斯引發(fā)的事故頻發(fā)，因此，排水系統(tǒng)的重要性就更加凸顯。目前，我國各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，都在大力倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)理念，礦井生產(chǎn)也是如此，針對傳統(tǒng)的水泵進(jìn)行全面優(yōu)化，這樣才能夠達(dá)到提高排水系統(tǒng)工作效率與工作質(zhì)量的目的，文章從四個(gè)方面對礦井排水系統(tǒng)的優(yōu)化問題進(jìn)行了研究和分析，希望能夠?yàn)槲覈V井開采工程盡一份綿薄之力。

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