煤礦井下水泵房布置方案探討

盛朝輝

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

煤炭資源與地下水相伴而生[1]。隨著開采深度不斷增加，深部煤層底板承壓水水壓高，作業(yè)過程中發(fā)生透水事故的概率也加大[2-3]。若井下大量涌水不能及時(shí)排出，將極大威脅煤炭生產(chǎn)和井下工作人員的生命安全[4-5]。礦井排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)過程中十分重要的環(huán)節(jié)[6]，其運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件有非常高的要求。在水泵房的設(shè)計(jì)過程中，往往僅根據(jù)設(shè)備安裝需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，忽略了礦井自身煤巖條件、水泵房有效空間利用、硐室施工工藝等因素的影響，造成水泵房施工成本及難度增大、吸（配）水井壁龕通風(fēng)效果不佳等。

1 概況

大海則礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10.0 Mt/a，水文地質(zhì)類型為復(fù)雜礦井。礦井盤區(qū)正常涌水量為770 m3/h，最大涌水量為1145 m3/h。根據(jù)盤區(qū)泵房排水條件，設(shè)計(jì)選用5 臺(tái)MD600 型礦用耐磨多級(jí)離心式水泵、3趟無縫鋼管排水管路作為本礦井的盤區(qū)排水系統(tǒng)。正常涌水量時(shí)，2 臺(tái)水泵、2 趟排水管路同時(shí)工作，其余2 臺(tái)水泵、1 趟排水管路作為備用，1 臺(tái)水泵檢修；最大涌水量時(shí)，3 臺(tái)水泵、3 趟排水管路同時(shí)工作，其余1 臺(tái)水泵作為備用、1 臺(tái)水泵檢修。根據(jù)盤區(qū)水泵房排水設(shè)施最大排水水量，選用4 個(gè)DN1400 型電動(dòng)配水閘閥用于水倉(cāng)排水調(diào)配。主（副）水倉(cāng)與水泵房配水井連接處各設(shè)置1 個(gè)配水閘閥，配水巷與兩配水井相接處分別設(shè)置1 個(gè)配水閘閥。

2 水泵房布置方案及對(duì)比分析

2.1 水泵房布置方案

根據(jù)水泵房的排水設(shè)備選型結(jié)果，通過吸（配）水井及主（副）水倉(cāng)的多種組合方式、多個(gè)配水閘閥的不同布置形式，提出三種水泵房布置方案。

方案一：根據(jù)排水設(shè)備設(shè)計(jì)選型結(jié)果，水泵房?jī)?nèi)共設(shè)計(jì)5 個(gè)吸（配）水井配合水泵排水。水泵（一）、水泵（三）、水泵（五）吸水管處分別設(shè)置一個(gè)吸水井；水泵（二）、水泵（四）吸水管處分別設(shè)置配水井（一）、配水井（二），每一個(gè)配水井內(nèi)均安裝兩個(gè)配水閘閥，且均為縱列布置，水倉(cāng)（一）、水倉(cāng)（二）分別與配水井（一）、配水井（二）相接。如圖1。

圖1 水泵房平面布置（方案一）

方案二：根據(jù)排水設(shè)備設(shè)計(jì)選型結(jié)果，水泵房?jī)?nèi)共設(shè)計(jì)5 個(gè)吸（配）水井配合水泵排水。水泵（一）、水泵（三）、水泵（五）吸水管處分別設(shè)置一個(gè)吸水井；水泵（二）、水泵（四）吸水管處分別設(shè)置配水井（一）、配水井（二），每一個(gè)配水井內(nèi)均安裝兩個(gè)配水閘閥，且均為并排布置，水倉(cāng)（一）、水倉(cāng)（二）分別與配水井（一）、配水井（二）相接。如圖2。

圖2 水泵房平面布置（方案二）

方案三：根據(jù)排水設(shè)備設(shè)計(jì)選型結(jié)果，水泵房?jī)?nèi)共設(shè)計(jì)5 個(gè)吸（配）水井配合水泵排水。水泵（三）吸水管處配套設(shè)置一個(gè)吸水井；水泵（一）、水泵（二）、水泵（四）、水泵（五）吸水管處分別配套設(shè)置配水井（一）、配水井（二）、配水井（三）、配水井（四），每一個(gè)配水井內(nèi)僅設(shè)置一個(gè)配水閘閥，水倉(cāng)（一）、水倉(cāng)（二）分別與配水井（一）、配水井（四）相接。吸（配）水井壁龕斷面尺寸一致，如圖3。

圖3 水泵房平面布置（方案三）

2.2 方案對(duì)比分析

根據(jù)前述三種可行的水泵房平面布置特點(diǎn)，從配水閘閥的布置方式、吸（配）水井壁龕斷面尺寸及配水井設(shè)計(jì)數(shù)量三個(gè)方面進(jìn)行深入剖析。

2.2.1 配水閘閥布置影響分析

在井下水泵房的設(shè)計(jì)中， 為實(shí)現(xiàn)水泵輪換運(yùn)行，主（副）水倉(cāng)定期清淤，保障井下涌水順利排至地面，需控制水倉(cāng)及水泵房配水巷內(nèi)礦井水流向，在水倉(cāng)和水泵房之間、吸水井和配水井之間均需裝設(shè)配水閘閥。因此，配水閘閥是水倉(cāng)和水泵房配水井之間連通的重要設(shè)備[7]。配水閘閥的布置對(duì)水泵房設(shè)計(jì)存在一定的影響。方案一，水泵房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)兩個(gè)配水井、三個(gè)吸水井，單個(gè)配水井內(nèi)縱列布置兩個(gè)配水閘閥。為保證兩個(gè)配水閘閥間距既能保證工作人員順利通行，又能滿足設(shè)備檢修空間需求，配水井壁龕縱向尺寸設(shè)計(jì)較長(zhǎng)，進(jìn)深往往超過6 m，此方案不利于壁龕內(nèi)自然擴(kuò)散通風(fēng)，雖可采用水倉(cāng)與水泵房配水井壁龕通過通風(fēng)管路接通等方式解決壁龕內(nèi)通風(fēng)問題，但往往效果不佳。方案二，水泵房?jī)?nèi)同樣設(shè)計(jì)兩個(gè)配水井、三個(gè)吸水井，采用單個(gè)配水井內(nèi)兩個(gè)配水閘閥并排布置方式，兩個(gè)配水閘閥由縱向布置調(diào)整為橫向布置。配水井壁龕僅需增加寬度，縱向尺寸設(shè)計(jì)較短，可避免壁龕進(jìn)深超過6 m，自然擴(kuò)散通風(fēng)效果良好。方案三，水泵房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)四個(gè)配水井、一個(gè)吸水井，選用的四個(gè)配水閘閥分別獨(dú)立設(shè)置于四個(gè)配水井內(nèi)，可保證配水井壁龕進(jìn)深不超過6 m，滿足壁龕內(nèi)自然擴(kuò)散通風(fēng)要求。

2.2.2 吸（配）水井壁龕斷面影響分析

水泵房?jī)?nèi)吸（配）水井壁龕是工作人員操作配水閘閥、定期清理水井淤泥的主要場(chǎng)所，其斷面通常設(shè)計(jì)為圓拱頂形。井下水泵房施工時(shí)一般在一次錨網(wǎng)噴支護(hù)后都需要進(jìn)行二次混凝土襯砌施工[8]。水泵房硐室開挖后圍巖必然存在松動(dòng)圈，松動(dòng)圈的發(fā)育范圍越大，圍巖整體穩(wěn)定性越差，巷道表面變形量越大，支護(hù)越困難[9]。井下硐室施工時(shí)通常需要制作硐室邊墻及頂拱型鋼模板便于支護(hù)施工，由于方案一及方案二水泵房的吸（配）水井壁龕斷面尺寸不統(tǒng)一，施工前需制作兩套邊墻及頂拱的型鋼模板。方案三水泵房的吸（配）水井壁龕斷面尺寸統(tǒng)一，施工前僅需制作一套邊墻及頂拱的型鋼模板?；诒邶愰_鑿后硐室支護(hù)施工工藝分析，此方案不僅可節(jié)約壁龕施工輔助材料量，縮短壁龕施工周期，還能節(jié)約壁龕施工成本。因方案一及方案三水泵房的吸（配）水井壁龕斷面尺寸寬度較窄，相較方案三水泵房壁龕的頂部無效空間小，可節(jié)約水泵房硐室開鑿、支護(hù)等施工成本。方案三水泵房配水井壁龕寬度較寬，開挖后圍巖松動(dòng)圈范圍大，煤巖壓力大，壁龕砌碹易開裂，支護(hù)厚度較厚，施工成本及難度較方案一及方案三高。

2.2.3 配水井?dāng)?shù)量影響分析

配水井作為水泵房的重要組成部分，主要用來安裝配水閘閥，控制水流方向，便于水倉(cāng)清淤及運(yùn)行水泵的調(diào)整。方案一及方案二水泵房的配水井設(shè)計(jì)數(shù)量均為兩個(gè)，方案三水泵房的配水井設(shè)計(jì)數(shù)量為四個(gè)。由于設(shè)計(jì)選用的為電動(dòng)配水閘閥，方案一及方案二配水閘閥布置更為集中，配水閘閥電動(dòng)裝置引線可集中布置，既可減少供電及控制線纜敷設(shè)趟數(shù)，又能減少工作人員巡檢工作量。由于配水井安裝有配水閘閥，設(shè)計(jì)底部空間較大便于水井清淤，吸水井設(shè)計(jì)底部空間較小，不利于水井清淤。方案三較方案一及方案二水泵房的配水井?dāng)?shù)量更多，更加有利于工作人員對(duì)水泵房吸（配）水井淤泥進(jìn)行清理。當(dāng)水泵房?jī)?nèi)安裝3 臺(tái)水泵時(shí)，水泵房通常設(shè)計(jì)一個(gè)配水井、兩個(gè)吸水井，主、副水倉(cāng)在與水泵房接口處合并成一個(gè)較大斷面的巷道接入配水井，此方案施工難度較大，主（副）水倉(cāng)間也存在一定的影響。由于配水井?dāng)嗝鏅M向尺寸較大，水泵機(jī)組間間距一般設(shè)計(jì)為定值，導(dǎo)致配水井一側(cè)與相鄰吸水井間距較小，壁龕間圍巖應(yīng)力相互干擾[10]，增加了壁龕支護(hù)難度。若為避免此種情況發(fā)生，需要增大配水井及吸水井間距，導(dǎo)致水泵房硐室加長(zhǎng)，成本增大。

綜上所述，結(jié)合大海則煤礦井下開鑿情況、巷道支護(hù)工藝及排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制需求等因素，方案二更為適合本礦井水泵房設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

（1）井下水泵房設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要根據(jù)礦井井下涌水及排水設(shè)備選擇情況確定吸（配）水井及主（副）水倉(cāng)合理的匹配關(guān)系，還需考慮硐室自然通風(fēng)、硐室支護(hù)，施工工藝等因素。

（2）井下涌水量較大、自動(dòng)化控制集中程度高的大型礦井井下水泵房設(shè)計(jì)可參照方案二。配水井設(shè)置于水泵房中部水泵吸水管處，吸水井壁龕斷面尺寸較配水井壁龕斷面尺寸小，尤其適用于水泵臺(tái)數(shù)較多的水泵房設(shè)計(jì)，可大大減少施工工程量，降低建造成本。另外，對(duì)于自動(dòng)化程度較高的礦井，配水閘閥均為電動(dòng)控制，方案二配水閘閥并排布置，較為集中，既解決了硐室自然擴(kuò)散通風(fēng)不暢問題，也有利于實(shí)現(xiàn)礦井井下排水自動(dòng)化集中控制。

（3）井下涌水量小、排水設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)量少的水泵房設(shè)計(jì)可參照方案三。水泵房?jī)?nèi)吸（配）水井按同一斷面設(shè)計(jì)，同時(shí)主（副）水倉(cāng)與水泵房接口可設(shè)置于水泵房?jī)啥怂门渌?，其間形成一定間隔、獨(dú)立設(shè)置，尤其當(dāng)水泵房?jī)?nèi)設(shè)置3 臺(tái)水泵時(shí)，方案三更為合適。

（4）當(dāng)井下涌水量適中時(shí)，由于對(duì)水泵房排水能力需求適中，配水閘閥尺寸較小，呈縱列布置時(shí)，配水井壁龕進(jìn)深可滿足井下硐室自然擴(kuò)散通風(fēng)需求，方案一及方案二均可選擇，需通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析來確定最終方案。