大涌水量千米深井主排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

于功江

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

隨著礦井開采深度的不斷增加，建設(shè)了越來(lái)越多的千米深井，部分深井涌水量巨大，水溫高且礦井涌水有腐蝕性。礦井很深、涌水量大、排水溫度高及水質(zhì)差等均為排水設(shè)計(jì)的惡劣工況，這些不利工況給礦井的主排水設(shè)計(jì)帶來(lái)了種種困難。尤其是在數(shù)個(gè)惡劣工況并存的條件下，排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更需考慮和注意各個(gè)環(huán)節(jié)可能存在的問(wèn)題，特別是水泵選擇、泵房散熱、管路選擇及安裝等方面應(yīng)在設(shè)計(jì)和施工中加以注意，方能保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

1 設(shè)計(jì)注意問(wèn)題探討

1.1 水泵選擇

針對(duì)千米深井、大涌水量的礦井，推薦首選高揚(yáng)程、大流量水泵，這樣可以減少水泵臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)直排，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)的目的。但針對(duì)礦井不同條件，水泵的選型需考慮不同因素對(duì)選型設(shè)計(jì)的影響[1，2]。

1.1.1 高水溫

深井排水往往伴隨著地?zé)?，水溫較高，勢(shì)必會(huì)影響水泵的吸程，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，除了海拔，還應(yīng)將水溫對(duì)水泵吸程的影響考慮進(jìn)去。選擇常規(guī)的水泵，吸程很低，水泵很容易造成氣蝕，影響水泵運(yùn)行壽命。通過(guò)降低水倉(cāng)高度來(lái)滿足水泵吸水高度會(huì)造成水倉(cāng)面積過(guò)大，增加投資太多，極不經(jīng)濟(jì)[3]。因此提高水泵的吸水高度是理想的做法，提高吸程通常有兩種方法：①水泵選型時(shí)應(yīng)選擇必需氣蝕余量小、吸程高的水泵，水泵可選擇雙吸泵或采用帶有誘導(dǎo)輪的水泵，提高抗氣蝕性能；②采用子母泵的方式，即在臥泵的吸水口前加裝潛水泵給臥泵喂水，解決水泵吸程較低的問(wèn)題。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了射流泵系統(tǒng)，但這種方式需子母泵密切配合，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了配電控制系統(tǒng)的投資，同時(shí)降低了系統(tǒng)的可靠性。以上兩種方式都可以幫助解決水泵吸程問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況確定方案。在兩種方式都能滿足的情況下，建議使用方法①，這樣可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。

1.1.2 礦井水質(zhì)

水泵的選擇同時(shí)應(yīng)考慮礦井涌水水質(zhì)問(wèn)題，在對(duì)水質(zhì)酸堿度較高的礦井進(jìn)行調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)水泵的使用壽命在兩三個(gè)月，主要損害原因是水質(zhì)酸堿度過(guò)高對(duì)水泵葉輪的腐蝕，造成水泵的損壞。在這個(gè)過(guò)程中往往伴隨著水泵效率的降低，增加電耗等問(wèn)題。因此在水泵的材質(zhì)上應(yīng)根據(jù)礦井水質(zhì)情況有針對(duì)性的選取，這樣雖然初期投資會(huì)提高，但使用壽命會(huì)明顯增加，大大減少水泵檢修和更換次數(shù)，增加礦井排水的安全性。同時(shí)水泵的效率降低較慢，比普通材質(zhì)水泵節(jié)能效果明顯，綜合經(jīng)濟(jì)效益同樣明顯提升[4]。

1.1.3 電機(jī)匹配

大涌水量的礦井，選擇大排量水泵可以減小水泵臺(tái)數(shù)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，同時(shí)大排量水泵的效率通常比小涌水量的水泵要高，有很好的節(jié)能降耗效果，但水泵的設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)注意和電機(jī)相配合，綜合選取。由于大功率電機(jī)使用并不是很多，取得煤安證的隔爆型電動(dòng)機(jī)最大功率在3000kW左右，所以選用更大水泵時(shí)，也受電機(jī)功率限制，因此建議水泵選型過(guò)程中，匹配電機(jī)最大功率建議控制在3000kW左右，如特殊情況需要選擇更大電機(jī)，應(yīng)和生產(chǎn)廠家溝通解決[5]。

1.2 泵房散熱

大涌水量礦井，水泵臺(tái)數(shù)多，配套電機(jī)也多，且功率大。所以水泵運(yùn)行時(shí)電機(jī)總發(fā)熱量很大，水泵房的溫度非常高，如果還伴隨著地?zé)釂?wèn)題，問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重，如不妥善解決，會(huì)造成設(shè)備溫度過(guò)高而停止運(yùn)轉(zhuǎn)，危及礦井生產(chǎn)安全。對(duì)于安裝有多臺(tái)大功率電機(jī)的水泵房，解決散熱問(wèn)題主要采用兩種方式，一是通過(guò)加大泵房通風(fēng)量，主要是通過(guò)增加局部通風(fēng)機(jī)的方式增加水泵房通風(fēng)量。還有就是將冷卻電機(jī)出來(lái)的熱風(fēng)通過(guò)管道的方式直接排至大巷中，然后通過(guò)主通風(fēng)系統(tǒng)將熱量帶走。在實(shí)際應(yīng)用中，采用以上兩種方式配合使用，效果會(huì)更好。但設(shè)計(jì)初期應(yīng)和礦井通風(fēng)系統(tǒng)密切配合，將電機(jī)散熱量與系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)配合，增加通風(fēng)量，滿足散熱要求。

采用管道將熱量送出泵房的這種方式，在電機(jī)的訂貨要求中，應(yīng)提前要求電機(jī)帶有出風(fēng)口法蘭，這樣便于將熱風(fēng)導(dǎo)風(fēng)通道安裝在電機(jī)出風(fēng)口處，方便熱風(fēng)導(dǎo)出。

在有地?zé)釣?zāi)害的礦井中，通常礦井會(huì)設(shè)有井下降溫系統(tǒng)，可考慮將冷風(fēng)送入泵房的方式給泵房降溫，效果更好。

1.3 管路選擇及安裝

通常設(shè)計(jì)中，水泵運(yùn)行采用單泵對(duì)單管的運(yùn)行方式。這樣設(shè)計(jì)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行工況最好，因此在條件允許的情況下建議優(yōu)先選用單泵對(duì)單管的運(yùn)行方式。但對(duì)于涌水量大的礦井，單泵單管運(yùn)行方式的問(wèn)題是管路數(shù)量過(guò)多，需要增加井筒直徑。但在深井的情況下，井筒設(shè)計(jì)要盡量縮小井筒直徑，可減小投資。特別是地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，增大井筒直徑直接增加了鉆井的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性。因此井筒的大小和排水管路的選擇方式成為了一對(duì)矛盾。

為了減少管路數(shù)量，縮小井筒直徑，設(shè)計(jì)可采用兩泵一管并聯(lián)運(yùn)行的方式，這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)就是管路直徑較大，帶來(lái)了管重，水重，管路溫度力等都非常的大等問(wèn)題，常規(guī)設(shè)計(jì)的話，直管座采用托架梁進(jìn)行支撐非常困難。所以針對(duì)這樣排水系統(tǒng)復(fù)雜的礦井，建議設(shè)計(jì)初應(yīng)做好系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，井筒施工時(shí)留好梁窩，直管座梁在條件允許的情況下采用預(yù)埋的方式。如果受到井筒施工的限制，如井筒的施工方法采用凍結(jié)施工等，必須采用托架支撐，則需要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低托架受力，滿足托架的承載要求。

減小托架承載力的方法如下：

1)提高管路材質(zhì)減小溫度力。管路的材料通常采用20號(hào)鋼，千米深井的管路，由于壓力比較大，且管徑也大，壁厚會(huì)非常厚，管重和溫度力都會(huì)非常大，針對(duì)這種情況，建議提高管路材質(zhì)，如選用Q345的鋼材，這樣會(huì)大大降低管路壁厚，減小管重和溫度力，效果明顯。

2)加裝管路伸縮器的方式減小溫度力。為減小溫度力，可采用加裝了管路伸縮器的方式清除溫度力。常規(guī)做法是在每個(gè)直管座梁的下方加裝伸縮器，但考慮到伸縮器的價(jià)格非常貴，同時(shí)壓力很大的伸縮器產(chǎn)品可靠性有待驗(yàn)證，因此可以在井筒最上部溫度變化大的位置加裝。同時(shí)應(yīng)同采礦專業(yè)配合，確定地質(zhì)層變形較大的部位應(yīng)給與加裝。在調(diào)研發(fā)現(xiàn)有的礦井地質(zhì)層沉降較大，會(huì)出現(xiàn)局部變形，造成管路彎曲幅度很大，影響罐籠或箕斗的運(yùn)行，所以應(yīng)在此層加裝，抵消井筒沉降對(duì)管路的影響。

3)分散直管座管路支撐，減輕支撐梁的受力。直管座支撐管路時(shí)，管路對(duì)直管座的受力不是很大的情況下，通常采用條梁支撐多個(gè)管路的設(shè)計(jì)，但對(duì)于管路受力很大的情況，往往設(shè)計(jì)托架不能滿足過(guò)大的受力，這時(shí)候可采用減少直管座量支撐管路數(shù)量和增加直管座梁的數(shù)量來(lái)解決。達(dá)到降低托架受力，使得托架支撐能滿足要求。

2 實(shí)際設(shè)計(jì)案例

北京華宇工程有限公司設(shè)計(jì)的甘肅慶陽(yáng)煤電新莊煤礦就是這樣一個(gè)數(shù)種不利工況并存的礦井。

2.1 新莊礦井排水系統(tǒng)基礎(chǔ)條件

新莊礦井屬于水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，主排水采用直接排水系統(tǒng)，在副立井井底車場(chǎng)附近設(shè)有水倉(cāng)及主排水泵房。新莊礦井設(shè)有在主井工業(yè)場(chǎng)地和副井工業(yè)場(chǎng)地，兩個(gè)場(chǎng)地相距約3km。由于場(chǎng)地限制，井下水處理站只能設(shè)置在副井工業(yè)場(chǎng)地，因此，管路只能在副立井內(nèi)敷設(shè)。由于地質(zhì)條件原因，新莊礦井副立井提升采用凍結(jié)法施工，井筒尺寸在條件允許的情況下要盡量小。

2.2 新莊礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用MD600-118×9型礦用多級(jí)離心泵8臺(tái)，配YB800M1-4型(2800kW、10kV、1480r/min)礦用隔爆異步電動(dòng)機(jī)，正常涌水時(shí)每2臺(tái)1組并聯(lián)1趟管路運(yùn)行，共4臺(tái)(2組)同時(shí)工作，3臺(tái)備用，1臺(tái)檢修；最大涌水時(shí)共6臺(tái)(3組)同時(shí)工作。排水管路選用DN450無(wú)縫鋼管3趟，2趟工作，1趟備用，沿副立井井筒敷設(shè)，井筒管路分段選擇壁厚，排水系統(tǒng)如圖1所示。工況點(diǎn)參數(shù)：

新管(并聯(lián))：流量1261.6m3/h、揚(yáng)程1030.0m、效率76.5%、軸功率4767.0kW(單趟管路兩臺(tái)水泵)。

舊管(并聯(lián))：流量1225.9m3/h、揚(yáng)程1048.9m、效率76.6%、軸功率4710.2kW(單趟管路兩臺(tái)水泵)。

新莊礦井設(shè)有主井工業(yè)場(chǎng)地和副井工業(yè)場(chǎng)地，兩個(gè)場(chǎng)地相距約3km。由于場(chǎng)地限制，井下水處理站只能設(shè)置在副井工業(yè)場(chǎng)地，因此，管路只能延副立井敷設(shè)。由于地質(zhì)條件原因，新莊礦井副立井采用凍結(jié)法施工，井筒尺寸在條件允許的情況下要盡量小。綜合以上原因，如果采用單泵單管運(yùn)行方式，主排水要6趟管路，再加上強(qiáng)排系統(tǒng)管路，管路過(guò)多，井筒直徑過(guò)大，不僅不好布置，且井筒施工困難增大，綜合考慮放棄了單泵單管的方案。

新莊礦井選用MD600-118×9型氣蝕性能好的水泵，標(biāo)準(zhǔn)流量下的必需氣蝕余量為3.5m，考慮海拔和溫度影響后水泵的允許安裝高度為5.5m，滿足礦井排水要求，同時(shí)由于新莊礦井涌水有較強(qiáng)的腐蝕性，根據(jù)水質(zhì)情況，水泵設(shè)計(jì)采用不銹鋼材質(zhì)。水泵配套電機(jī)選用YBKK型(2800kW、10kV、1480r/min)礦用隔爆異步電動(dòng)機(jī)，有滿足井下排水使用的電機(jī)。

對(duì)于泵房散熱問(wèn)題，考慮到礦井有降溫系統(tǒng)，采用將冷風(fēng)送入泵房的方式給泵房降溫，效果更好，因此采用這種方式給泵房降溫。同時(shí)為增加主排水泵房的安全運(yùn)行系數(shù)，在電機(jī)的訂貨要求中，要求電機(jī)帶有出風(fēng)口法蘭，便于將熱風(fēng)到導(dǎo)出，幫助泵房降溫，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。

由于新莊礦井井筒采用凍結(jié)法施工，除了底部均無(wú)法預(yù)留梁窩，因此設(shè)計(jì)盡量減小支撐梁的受力，以滿足托架受力要求。新莊礦井采用20號(hào)鋼時(shí)，井筒底部管路壁厚達(dá)到了30mm。針對(duì)這種情況，新莊礦井管路材質(zhì)選用Q345的鋼材，這樣會(huì)降低管路壁厚，換材料后，井筒底部底部管路壁厚25mm，大大減小管重和溫度力，效果明顯。

圖1 新莊主排水系統(tǒng)圖

為進(jìn)一步減小溫度力，新莊礦井在溫度變化最大的區(qū)域，井筒頂部管路支撐梁的底部加裝了管路伸縮器。設(shè)計(jì)同時(shí)考礦井上部黃土地層的厚度，在上部第二層支撐梁底部也加裝了管路伸縮器，用以抵消井筒沉降對(duì)管路的影響，同時(shí)可以減小溫度力的影響。

新莊礦井副井管路很多，敷設(shè)有3趟主排水管路、3趟應(yīng)急排水管路，同時(shí)還有壓風(fēng)管路、注漿管路、注氮管路及消防灑水管路等。在直管座梁的支撐管路的設(shè)計(jì)上，為減輕托架的支撐力，設(shè)計(jì)直管座支撐梁采用重管配輕管的原則，比如1個(gè)支撐梁支撐1趟排水管和1趟壓風(fēng)管，降低托架受力，使得托架支撐能滿足要求。

3 結(jié) 論

1)千米深井、涌水大、且伴有地?zé)岬葟?fù)雜工況排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮：海拔、水溫、水質(zhì)及電機(jī)功率對(duì)水泵選型的影響。

2)泵房的散熱問(wèn)題設(shè)計(jì)初期應(yīng)綜合考慮，提前考慮電機(jī)訂貨、泵房通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

3)井筒管路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮減小梁的受力，如采用提高管路材料強(qiáng)度，降低管路壁厚達(dá)到降低管重和溫度力，增加管路伸縮器及合理分配支撐梁支撐管路的方式。

同時(shí)設(shè)計(jì)初期應(yīng)系統(tǒng)考慮排水方案，結(jié)合排水系統(tǒng)合理性，地質(zhì)條件等，在整個(gè)礦井井筒動(dòng)工前同各個(gè)專業(yè)協(xié)商優(yōu)化方案，避免施工圖設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)配合不到位的問(wèn)題。