礦井排水泵選型優(yōu)化設(shè)計

張秋霞 趙傳奇

【摘 要】煤礦井下開拓掘進巷道、采煤工作面回采時會出現(xiàn)淋水或涌水，如果不及時采取合理的排水措施，將對煤礦安全生產(chǎn)帶來威脅。由于礦井每個出水點水量不同，因此所選的排水泵的類型也有所不同。通常采用實驗法、計算法，效率低下、計算煩瑣。針對此狀況，根據(jù)文獻法、實驗法、對比法設(shè)計出符合煤礦生產(chǎn)實際所需的排水泵優(yōu)化選型系統(tǒng)。設(shè)計好程序和軟件后，將煩瑣的計算轉(zhuǎn)化成簡單的參數(shù)輸入，最后進行優(yōu)化，操作方便明了，計算選型快速準(zhǔn)確。使用該系統(tǒng)可完成井下各個排水點泵體的快速選型，大大提高煤礦設(shè)備使用率和排水效率。

【關(guān)鍵詞】煤礦;排水泵;選型;優(yōu)化設(shè)計

【中圖分類號】TD744 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）09-0037-02

0 前言

煤礦井下開拓掘進巷道、采煤工作面回采時靠近含水層、水?dāng)鄬?、老空積水區(qū)、陷落柱與敞開隔離煤柱時會出現(xiàn)大量涌水，不僅影響井下生產(chǎn)和人身安全，而且會對井下的機械設(shè)備、設(shè)施產(chǎn)生較強的腐蝕作用，大大縮短設(shè)備的使用壽命。因此，煤礦井下排水設(shè)備在整個煤礦開采系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。由于礦井每個出水點水量不同，因此所選的排水泵的類型也有所不同。通常采取經(jīng)驗法選擇，易導(dǎo)致排水泵流量和揚長不符合要求。選型過小會導(dǎo)致水泵水壓不足，造成巷道或泵窩內(nèi)水不能及時排除;過大會浪費耗電量，導(dǎo)致成本增加。因此，排水泵的選型對于井下生產(chǎn)非常重要。針對這一突出狀況，根據(jù)文獻法、實驗法設(shè)計并編制出符合煤礦生產(chǎn)實際的排水泵Excel輔助優(yōu)化選型系統(tǒng)。本設(shè)計以新莊煤礦26051風(fēng)巷排水地點為例，使用Excel軟件建立數(shù)據(jù)庫，對排水泵選型進行編程優(yōu)化設(shè)計，實用性很強，可供其他排水點借鑒。

1 26051風(fēng)巷排水點簡介

神火集團新莊煤礦26051風(fēng)巷：正常的涌水量為60 m3/h，最大涌水量為90 m3/h?！睹旱V安全規(guī)程》第82條規(guī)定，如果超過50 m3/h時的預(yù)計涌水量，那么臨時水倉的容積必須超過8 h的正常涌水量，而且要求水倉容積的設(shè)計能力不能小于480 m3[1]。該水倉實際容積為500 m3，能滿足正常涌水量要求;水倉至排水點垂直高度為35 m，目前排水距離為460 m。

2 排水管路選型

26051風(fēng)巷單臺潛水泵的流量不得小于72 m3/h，管內(nèi)流體流量為72 m3/h，考慮管路損耗結(jié)合現(xiàn)場實際排水能力，選擇DN150管路最為適宜，該管路最大流速V≈2.45 m/s，最大流量為43 L/s（154.8 m3/h）。

3 排水泵流量計算

《煤礦安全規(guī)程》第82條規(guī)定，要是在井下排完24 h的正常涌水量，那么投入工作的水泵排水能力需在20 h內(nèi)完成，且備用排水泵的排水能力應(yīng)大于且等于正在工作的排水泵排水能力的70%[1]，即

工作水泵與備用水泵的總能力，能在20 h內(nèi)排完24 h的最大涌水量，即

式中，qz為正常的涌水量，qmax為最大的涌水量，QB為工作水泵需要的排水能力，QBmax為工作泵與備用泵所需要的排水能力總和[2]。26051風(fēng)巷QB=1.2×60 m3/h=72 m3/h。

因此，26051風(fēng)巷設(shè)計兩臺同等能力的排水泵（一用一備）。所選單臺潛水泵的流量不得小于72 m3/h，能滿足《煤礦安全規(guī)程》第82條對工作泵和備用泵的要求。

4 排水泵揚程計算

4.1 彎管、閘閥、逆止閥、底閥損耗計算

巷道共設(shè)計n1個彎管，n2個全開閘閥，n3個逆止閥，n4個底閥。彎管、全開閘閥、逆止閥折、底閥按照合成直管后計算[2]。管路的內(nèi)徑為D，根據(jù)表1得，每個閥及彎管折合長度如下。？譹？訛n1個彎管折合成25倍直徑：L1=25×D×n1。？譺？訛n2個全開閘閥折合15倍直徑：L2=15×D×n2。？譻？訛n3個逆止閥折合成100倍直徑：L3=100×D×n3。？譼？訛n4個底閥折合成100倍直徑：L4=100×D×1。L總1=L1+L2+L3+L4。

在新莊煤礦26051風(fēng)巷中共設(shè)計2個彎管、1個全開閘閥、1個逆止閥和1個底閥。查表1得出需采用的管路內(nèi)徑為DN150，彎管、全開閘閥、逆止閥折合成直管計算。? L1=25×150×2=7.5 m，L2=15×150×1=2.3 m，L3=100×150×1=15m，L4=100×150×1=15 m;L總1=7.5+2.3+15+15=39.8 m≈40 m。

4.2 管路揚程損耗確定

管路內(nèi)徑為DN150，管內(nèi)流體流量為72 m3/h，轉(zhuǎn)換為20 L/s，查表揚程損失為HV=1.1 m/100 m（每100 m管長損失1.1 m），見表2。

26051風(fēng)巷敷設(shè)管路長度為460 m，各類彎管、閘閥、逆止閥、底閥損耗總損耗計算結(jié)果為40 m，管路總長度折合為460+40=500 m，DN150排水管路100 m損耗為1.1 m，折合成垂直高度（損失揚程）≈5.5 m。

4.3 排水泵總揚程計算

總揚程計算公式如下：

上式中，Ha為實際吸水揚程，HL為損失揚程。Hc為垂直標(biāo)高。

故H=3（吸水揚程）+5.5（損失揚程）+35（排水揚程）=43.5 m。選型揚程=1.1H=1.1×43.5 m=47.85 m。

5 排水泵選型優(yōu)化設(shè)計

把上面的計算公式在Excel軟件中進行編程定義，然后在Excel設(shè)計軟件中輸入管徑、閘閥、逆止閥、彎管、管路長度、百米損耗數(shù)值、巷道排水垂直高度、流量等參數(shù)。將所有的數(shù)據(jù)和參數(shù)利用一系列函數(shù)關(guān)系，最終快速、準(zhǔn)確地計算出排水泵的實際揚程（2 min可計算出結(jié)果）。同時，可根據(jù)流量校驗并選定管路。新莊礦井排水泵的選型優(yōu)化設(shè)計見表3。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，26051風(fēng)巷排水管路根據(jù)排水泵流量和揚程參數(shù)，選用2臺（1備1用）BQS120-50-30型排水泵（流量為120 m3/h，揚程為50 h，功率為30 kW）即能滿足該排水點的需要。

6 結(jié)語

排水泵選型時，不能盲目選擇，只有經(jīng)過計算、繪制特性曲線、選取最佳工況點并進行合理分析各要素后，才能達到節(jié)能效果，計算較多[3]。本項目研究設(shè)計的礦用排水泵Excel輔助優(yōu)化選型系統(tǒng)，根據(jù)煤礦實際情況，將煩瑣的計算公式轉(zhuǎn)化成簡單的參數(shù)輸入形式。解決礦井排水泵及管路選型計算繁、慢、存在誤差等問題，杜絕選型過程出現(xiàn)流量、揚程、管路等不符合現(xiàn)場使用要求。在煤礦企業(yè)，它是一種優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，適用于礦井所有排水點，具有可推廣性。

參 考 文 獻

[1]國家煤礦安全監(jiān)察局，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2016：19.

[2]張榮立，何國緯，李鋒.采礦工程設(shè)計手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005：2305-2307.

[3]孔繁德.礦井排水泵特性分析及選型計算[J].煤炭技術(shù)，2010，29（2）：10-11.