浮船泵站在先鋒露天煤礦的應(yīng)用

何以劍，肖國(guó)強(qiáng)，鄒志剛，王 然，毛永祥

（1.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650000；2.云南先鋒煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，云南 昆明 650224）

我國(guó)南方露天煤礦主要分布于云南省，具有代表性的礦山如：云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局布沼壩露天礦，規(guī)模1 400萬(wàn)t/a；山心村露天煤礦，規(guī)模500萬(wàn)t/a；先鋒露天煤礦，規(guī)模300 t/a等。受季風(fēng)氣候影響，南方露天礦山采掘場(chǎng)排水特點(diǎn)：旱、雨兩季排水極不均衡，旱季時(shí)排水量極少或不排、雨季時(shí)大量排水。目前礦山基本采用半固定泵站排水，暴雨或特大暴雨時(shí)常出現(xiàn)淹泵事件。

近年來(lái)個(gè)別礦山開(kāi)始探索浮船泵站排水，但因制造過(guò)于簡(jiǎn)單粗糙，曾發(fā)生進(jìn)水沉沒(méi)，使用存在風(fēng)險(xiǎn)，且浮船缺少與岸邊的連接通道，系統(tǒng)不健全，造成許多不便。

以先鋒露天煤礦為例對(duì)礦山采用的半固定泵站排水存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)浮船泵站在露天煤礦采掘場(chǎng)排水中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)分析總結(jié)，浮船泵站在提高制造水平、完善系統(tǒng)組成的情況下，在露天煤礦采掘場(chǎng)排水中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，可徹底解決礦山淹泵事件，保障礦山正常安全生產(chǎn)。

1 礦山概況

先鋒露天煤礦位于云南省昆明市尋甸回族、彝族自治縣境內(nèi)，該區(qū)為亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū)，干濕季分明，雨量多集中在5—9月間，約占全年降雨量的81%。年平均降雨量為1 018.6 mm，年最高降雨量1 328.3 mm，日最大降雨量為142.4 mm，長(zhǎng)歷時(shí)降雨天數(shù)為25 d，降雨量為292.6 mm。2018年前礦山采用半固定泵站排水，因泥沙淤積嚴(yán)重水倉(cāng)有效容積不足，暴雨時(shí)大量降雨匯水涌入礦坑，曾出現(xiàn)數(shù)次淹沒(méi)泵房事件。

為避免泵房淹沒(méi)，礦山曾采取提高泵房標(biāo)高，增大坑底水倉(cāng)有效容積的辦法解決。由于礦山泥沙淤積速度達(dá)2.23萬(wàn)m3/a，且難以清淤，水倉(cāng)有效容積呈快速減小態(tài)勢(shì)，暴雨淹泵問(wèn)題始終困擾礦山生產(chǎn)。2017年應(yīng)礦山委托昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院對(duì)浮船泵站在先鋒露天煤礦的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，2018年浮船泵站正式投入礦山使用，至今歷時(shí)2個(gè)雨季和數(shù)次暴雨考驗(yàn)，礦山未發(fā)生淹泵事件。

2 半固定泵站排水方式及存在的問(wèn)題

2.1 半固定泵站排水方式

先鋒露天煤礦采掘場(chǎng)半固定泵站[1]排水方式工藝系統(tǒng)由坑底水倉(cāng)、半固定泵站、離心泵、排水管路及供配電系統(tǒng)組成，先鋒露天煤礦采掘場(chǎng)半固定泵站排水工藝示意圖如圖1。

圖1 先鋒露天煤礦采掘場(chǎng)半固定泵站排水工藝示意圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：于采掘場(chǎng)最低洼位置開(kāi)挖水倉(cāng)儲(chǔ)水，岸邊擋墻支護(hù)后設(shè)置半固定泵站及配電室，離心泵安裝于半固定泵站內(nèi)，離心泵通過(guò)吸水管吸水后加壓由排水管排出采場(chǎng)。正常生產(chǎn)時(shí)采場(chǎng)每年需降深10 m，半固定泵站需隨采場(chǎng)降深每2年移設(shè)1次。

先鋒露天煤礦坑底水倉(cāng)開(kāi)挖于2014年，水倉(cāng)底標(biāo)高為＋2 061.5 m，排水泵房布置于＋2 072.5 m水平，坑底水倉(cāng)儲(chǔ)水容積為20萬(wàn)m3。因泥沙淤積，2017年雨季前水倉(cāng)容積減少至13.46萬(wàn)m3。因離心泵吸水高度限制，水倉(cāng)容積13.46萬(wàn)m3中，有效容積僅為9.43萬(wàn)m3（最低吸水標(biāo)高+2 068.5 m水平以上），無(wú)效容積為4.03萬(wàn)m3（最低吸水標(biāo)高＋2 068.5 m水平以下）。

2.2 存在的問(wèn)題

2017年9月14日，礦區(qū)突降特大暴雨，水倉(cāng)水位快速上漲，其中凌晨3—4時(shí)上漲最快，僅1 h內(nèi)匯入水倉(cāng)的水量達(dá)6萬(wàn)m3，最終淹沒(méi)坑下排水泵房，淹沒(méi)標(biāo)高為＋2 073.2 m，淹沒(méi)高度達(dá)0.7 m。

2.2.1 暴雨時(shí)半固定泵站淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)較高

為判斷現(xiàn)有半固定泵站淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)程度，對(duì)99%、50%、20%、10%、5%、2%等不同暴雨頻率下，采掘場(chǎng)坑下最大積水Qj為[2]：

式中：Qj為采掘場(chǎng)積水量；m3；Qa為采掘場(chǎng)地下涌水量，m3；Qb為采掘場(chǎng)暴雨匯水量，m3；Qp為水泵排水量，m3。

1）采掘場(chǎng)地下涌水量Qa。根據(jù)礦山生產(chǎn)實(shí)際，采掘場(chǎng)地下涌水量3 082 m3／d，Qa=3 082-T，式中：T為排水天數(shù)。

2）采掘場(chǎng)暴雨匯水量。參考云南省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集，根據(jù)皮爾遜Ⅲ（P—Ⅲ）型曲線確定99%、50%、20%、10%、5%、2%等不同暴雨頻率下。

采場(chǎng)暴雨匯水量[3]Qb為：

式中：Qb為坑內(nèi)T日暴雨匯水量，m3；F為目前采場(chǎng)匯水面積，F(xiàn)=2.345×106m2；HT為設(shè)計(jì)暴雨頻率下降雨歷時(shí)T天內(nèi)暴雨量，HT=H1×Ta；H1為設(shè)計(jì)暴雨頻率下1 d暴雨量值；T為長(zhǎng)歷時(shí)暴雨天數(shù)；a為長(zhǎng)歷時(shí)暴雨衰減系數(shù)；αb為暴雨徑流系數(shù)，按煤-泥巖選取，長(zhǎng)歷時(shí)選取暴雨αb=0.5。

3）水泵排水量。礦山現(xiàn)有3臺(tái)DFSS200-670型離心泵和2臺(tái)DFSS200-520A型離心泵排水，現(xiàn)有的5臺(tái)離心泵總額定排水能力3 371 m3/h，受設(shè)備老舊磨損及排水管路結(jié)垢等影響，水泵實(shí)際排水能力已降效?，F(xiàn)有離心泵排水能力約為2 696.8 m3/h。煤礦利用現(xiàn)有5臺(tái)離心泵全開(kāi)排水，排水2 696.8 m3/h，日排水20 h。水泵排水量Qp=2 696.8×20×T=5 3936·T。

4）采掘場(chǎng)坑下積水計(jì)算。Qj=Qa＋Qb-Qp=3 082T＋2.345×106·H1·Ta·0.5·5 3936·T。通過(guò)對(duì)函數(shù)Qj求導(dǎo)得Qj’，令Qj’=0，得到極值點(diǎn)時(shí)變量T取值，代入函數(shù)Qj計(jì)算得出相應(yīng)暴雨頻率下坑下積水的最大值。尋甸地區(qū)不同暴雨頻率降雨量值見(jiàn)表1。

表1 尋甸地區(qū)不同暴雨頻率降雨量值

先鋒露天煤礦坑底水倉(cāng)容積13.46萬(wàn)m3中，有效容積僅為9.43萬(wàn)m3，根據(jù)表1計(jì)算出現(xiàn)20年一遇及以上暴雨時(shí)即會(huì)出現(xiàn)淹泵危險(xiǎn)。

2.2.2 泥沙淤積嚴(yán)重影響水倉(cāng)有效儲(chǔ)水

先鋒露天煤礦煤系地層為第三系中新統(tǒng)小龍?zhí)督M地層，該地層巖體軟弱，礦山開(kāi)采揭露后，在風(fēng)化作用下巖體結(jié)構(gòu)被破壞變成散體狀態(tài)。雨季時(shí)在雨水沖刷、攜帶下，大量泥沙進(jìn)入水倉(cāng)，造成水倉(cāng)淤積。據(jù)水倉(cāng)實(shí)測(cè)圖，2014—2017年3年間水倉(cāng)累計(jì)淤積泥沙達(dá)6.6萬(wàn)m3，平均年淤積泥沙量為2.23萬(wàn)m3，截止2017年雨季前水倉(cāng)有效容積降至9.43萬(wàn)m3。隨著時(shí)間推移，泥沙將進(jìn)一步淤積，水倉(cāng)有效容積還將繼續(xù)減小，今后發(fā)生5年一遇、10年一遇等較高頻率暴雨均可能導(dǎo)致半固定泵站淹沒(méi)。

2.2.3 受水泵吸水高度限制及水倉(cāng)容積利用率低

水泵固定安裝于＋2 072.5 m水平半固定泵站，受水泵吸水高度影響[4-6]，水倉(cāng)總?cè)莘e13.46萬(wàn)m3中，有效容積僅為9.43萬(wàn)m3（最低吸水標(biāo)高＋2 068.5 m水平以上），無(wú)效容積為4.03萬(wàn)m3（最低吸水標(biāo)高＋2 068.5 m水平以下），水倉(cāng)容積有效利用率僅為70%，水倉(cāng)容積利用率低，不利于排水。

1）泵站頻繁建設(shè)，建設(shè)成本高。其它排水泵站為半固定泵站，隨著生產(chǎn)降深泵站需每2年移設(shè)1次，泵站需頻繁建設(shè)、安裝，成本較高。

2）隨著礦山開(kāi)采泵站淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步提高。隨著礦山開(kāi)采降深，今后采場(chǎng)匯水面積將不斷增大，最大時(shí)將達(dá)5.21 km2，相比目前的2.345 km2增加，暴雨匯水量將大大增加，暴雨時(shí)泵站被淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)較高。

3）管理水平及供電可靠性直接關(guān)系泵站安全。暴雨時(shí)保證設(shè)備完好正常運(yùn)行和及時(shí)開(kāi)啟水泵排水直接關(guān)系到泵站安全，半固定泵站對(duì)礦山管理水平要求較高。同時(shí)泵站容易受停電等外在不可控因素影響，供電可靠性直接影響泵站安全。

綜上，傳統(tǒng)半固定泵站排水，泵站安全受水倉(cāng)有效容積、暴雨量、匯水面積、管理水平、供電可靠性等因素影響，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題均可能發(fā)生淹泵事故，且泵站頻繁建設(shè)，使用成本相對(duì)較高。

3 浮船泵站排水方式

為解決半固定泵站排水存在的隱患，對(duì)浮船移動(dòng)泵站排水進(jìn)行了研究。浮船移動(dòng)泵站排水方式工藝系統(tǒng)由坑底水倉(cāng)、泵船、浮橋、離心泵、排水管路及供配電系統(tǒng)組成[7]，露天煤礦采掘場(chǎng)浮船移動(dòng)泵站排水工藝示意圖如圖2。

圖2 露天煤礦采掘場(chǎng)浮船移動(dòng)泵站排水工藝示意圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：礦山于采掘場(chǎng)最低洼位置開(kāi)挖水倉(cāng)儲(chǔ)水，水泵置于浮船上，吸水管深入水中，排水管及電纜通過(guò)浮橋于岸邊相連，離心泵通過(guò)吸水管吸水后加壓由排水管排出采場(chǎng)。

浮船移動(dòng)泵站核心為浮船和連接岸邊的浮橋。浮船負(fù)責(zé)承載水泵、管路、供配電設(shè)備（可置于岸邊）、船上構(gòu)筑物、作業(yè)人員、管道中的水，浮船無(wú)需配置動(dòng)力系統(tǒng)，建造重點(diǎn)為密封及防腐。浮橋負(fù)責(zé)連接岸邊與浮船，是人員和設(shè)備進(jìn)入浮船作業(yè)、排水管路和電纜走行的通道，其隨水面升降而浮起落下，為鉸接浮橋。浮橋與岸邊的搭接點(diǎn)位置決定了浮船運(yùn)行的最高標(biāo)高，搭接點(diǎn)位置越高浮船服務(wù)的范圍越大，其允許的水倉(cāng)儲(chǔ)水容積越大[8]。

浮船移動(dòng)泵站排水方式，存在如下優(yōu)點(diǎn)：①采掘場(chǎng)坑底水倉(cāng)水面平穩(wěn)、寬闊，水中無(wú)漂浮物，較適合泵船使用；②浮船無(wú)需配置動(dòng)力系統(tǒng)，建造工藝簡(jiǎn)單，可自行或外委建造，造價(jià)低；③浮船移動(dòng)泵站無(wú)需建擋墻，泵站建設(shè)投資少；④水泵置于浮船之上，隨船上下浮動(dòng)，任何暴雨工況水泵均不存在淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)；⑤離心泵吸水管始終處于水面下一定位置，水泵作業(yè)時(shí)汽蝕小，吸水工況好，有利于發(fā)揮水泵效率；⑥吸水管隨水位降低而降低，水倉(cāng)儲(chǔ)水基本可全部排出，水倉(cāng)容積利用率高；⑦隨著生產(chǎn)降深，僅水倉(cāng)須兩年建設(shè)一次，泵船及浮橋隨之移動(dòng)，無(wú)需新建設(shè)泵站；⑧設(shè)備故障、未及時(shí)開(kāi)啟水泵排水、停電等因素對(duì)泵站安全影響小，泵站的運(yùn)行對(duì)礦山管理水平要求一般。

針對(duì)個(gè)別礦山曾出現(xiàn)的進(jìn)水沉沒(méi)問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，分析認(rèn)為泵船沉沒(méi)原因?yàn)榇w制造過(guò)于簡(jiǎn)單粗糙，未做密封。今后制造過(guò)程中，通過(guò)將船體設(shè)置多個(gè)密封倉(cāng)，可解決進(jìn)水沉沒(méi)危險(xiǎn)。

浮船移動(dòng)泵站排水方式缺點(diǎn)：管路沿浮橋鋪設(shè)，設(shè)柔性連接，連接位置水壓過(guò)大時(shí)容易損壞，須定期更換。

綜上，浮船移動(dòng)泵站在南方露天礦山實(shí)用性好、工藝簡(jiǎn)單、建造成本低，受泥沙淤積影響小、水泵效率高、水倉(cāng)容積利用好、管理簡(jiǎn)單、可徹底解決半固定泵站淹泵風(fēng)險(xiǎn)，在降雨量豐富，暴雨頻發(fā)的南方露天煤礦采掘場(chǎng)排水中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

先鋒露天煤礦目前采用的半固定泵站，水泵為固定安裝，排水泵站安全受水倉(cāng)有效容積、暴雨量、匯水面積、管理水平、供電可靠性等因素影響，任何一個(gè)因素出現(xiàn)問(wèn)題均可能發(fā)生淹泵危險(xiǎn)，且泵站頻繁建設(shè)，使用成本相對(duì)較高。

浮船移動(dòng)泵站，水泵隨船上下浮動(dòng)，破除了半固定泵站受吸水高度影響的限制，泵站服務(wù)的水倉(cāng)容積可極大放大，泵站對(duì)降雨不均衡、單點(diǎn)暴雨反應(yīng)不靈敏，對(duì)供電可靠性、管理水平要求不高，可解決傳統(tǒng)半固定泵站排水淹泵風(fēng)險(xiǎn)，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資小、建造容易，是一種良好的排水方式，適合南方降雨不均衡、暴雨量大、降深速度快的露天礦采掘場(chǎng)排水。