應(yīng)急排水系統(tǒng)在章村礦-200 水平的設(shè)計研究

安勇燁

（煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050051）

0 引 言

章村礦位于河北省邢臺地區(qū)沙河市白塔鎮(zhèn)與邯鄲地區(qū)武安市邑城鎮(zhèn)交界地帶，目前章村礦開采位置位于-200 水平的4226 采區(qū)和4231 采區(qū)，主要開采2 號煤層及2 下煤層，頂板砂巖為主要含水層。

2021 年章村礦礦井正常涌水量為604 m3/h，最大涌水量為646 m3/h，水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。根據(jù)2022 年1 月《涌水量預(yù)測報告》審查結(jié)論，礦井未來可采期（8～10 a） 正常涌水量為717.72 m3/h，最大涌水量為789.49 m3/h。該數(shù)據(jù)符合礦井實(shí)際，可作為礦井排水系統(tǒng)設(shè)防依據(jù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，礦井需建設(shè)防水閘門或應(yīng)急排水系統(tǒng)以提高礦井抗災(zāi)能力。

1 抗災(zāi)方式

1.1 抗災(zāi)方式的種類

《煤礦安全規(guī)程》第三百零八條規(guī)定：水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜或者有突水淹井危險的礦井，應(yīng)當(dāng)在井底車場周圍設(shè)置防水閘門或者在正常排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上另外安設(shè)由地面直接供電控制，且排水能力不小于最大涌水量的潛水泵。

《煤礦防治水細(xì)則》第九十六條規(guī)定：水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜或者有突水淹井危險的礦井，應(yīng)當(dāng)在井底車場周圍設(shè)置防水閘門或者在正常排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上另外安設(shè)由地面直接供電控制，且排水能力不小于最大涌水量的潛水泵排水系統(tǒng)。

水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井建立防水閘門或抗災(zāi)性強(qiáng)排系統(tǒng)是必要的，對保障礦井安全生產(chǎn)起著不可忽視的作用[4]。

1.2 抗災(zāi)方式分析

1.2.1 防水閘門

-200 水平車場附近均為采空區(qū)，與采空區(qū)相連通的巷道數(shù)量眾多，且附近發(fā)育4 條斷層，設(shè)置防水閘門難以實(shí)現(xiàn)有效隔離。根據(jù)《煤炭礦井防治水設(shè)計規(guī)范》 防水閘門不應(yīng)設(shè)于巖溶、斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育的破碎地帶[5]規(guī)定，-200 水平車場附近不具備設(shè)置防水閘門的條件。

1.2.2 強(qiáng)排系統(tǒng)

當(dāng)煤礦發(fā)生突水事故時，瞬間涌水量極大，往往超過泵房最大排水能力，排量不足時可造成泵房被淹，排水系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致淹井事故。鑒于此，對于有突水危害或者局部突水嚴(yán)重難以有效治理的礦井，為了有效地預(yù)防和搶險救災(zāi)，有必要建設(shè)強(qiáng)排系統(tǒng)[6]。

1.3 抗災(zāi)方式的確定

礦用潛水泵不僅排水量大、揚(yáng)程高，而且能在地面控制，泵房淹沒后仍能正常工作。因此在有突水淹井危險的礦井中建立潛水泵強(qiáng)排系統(tǒng)或采用臥泵加潛水泵排水系統(tǒng)的方案，變防水閘門被動堵水為主動排水，對避免淹井、抗災(zāi)搶險有著極其重要的意義[7-8]。

按照《煤礦安全規(guī)程》《煤礦防治水細(xì)則》對有突水淹井危險的礦井增建潛水泵強(qiáng)排系統(tǒng)的規(guī)定，設(shè)計在合適地點(diǎn)增加潛水泵的排水系統(tǒng)是解決礦井正常排水和抗災(zāi)搶險排水的有效方案。

根據(jù)國家礦山安全監(jiān)察局《關(guān)于煤礦抗災(zāi)潛水泵排水系統(tǒng)設(shè)置問題的復(fù)函》精神，為了保證抗災(zāi)排水系統(tǒng)在發(fā)生災(zāi)害時能發(fā)揮應(yīng)有的作用，保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全，推薦水害抗災(zāi)方式為潛水泵強(qiáng)排系統(tǒng)。

2 排水方案的確定

2.1 排水方案的比選

本文對在不同區(qū)域增設(shè)潛水泵房的方案進(jìn)行比選，同時對新設(shè)排水管路、利用礦井已有排水管路進(jìn)行方案比較。

方案一：在-200 水平泵房附近設(shè)潛水泵硐室，利用-200 水平排水系統(tǒng)的排水管路φ325 mm×10 mm 排至南風(fēng)井地面水處理站。選用2 臺BQ550-425/5-1000-S 潛水泵，工況點(diǎn)流量為509 m3/h，揚(yáng)程為438 m。該方案系統(tǒng)簡單，利用已有管路，電機(jī)功率低，設(shè)備投資較低。

方案二：在-200 水平泵房附近設(shè)潛水泵硐室，并新設(shè)φ650 排水鉆孔，排水管路直接通過直 排 鉆 孔 排 至 地 面 。 選 用 2 臺BQ550-425/5-1000-S 潛水泵，2 趟φ325 mm×10 mm 排水管路。工況點(diǎn)流量544 m3/h，揚(yáng)程427 m。該方案系統(tǒng)簡單，電機(jī)功率較低，設(shè)備投資較低；缺點(diǎn)是地面需另行征地，管路損壞無法修復(fù)，后續(xù)不確定性較大。

方案三：在-350 區(qū)域泵房附近設(shè)潛水泵硐室，均利用已有排水管路，沿-350 區(qū)域排水系統(tǒng)的排水管路至-200 水平附近，再利用-200 水平排水系統(tǒng)的排水管路排至風(fēng)井地面水處理站。選用2 臺BQ550-680/8-1600-S 潛水泵。工況點(diǎn)流量563 m3/h，揚(yáng)程671 m。該方案利用了部分已有排水管路，節(jié)省投資；缺點(diǎn)是-350 區(qū)域泵房至-200水倉附近已有排水管路φ325 mm×10 mm 需更換為φ325 mm×15 mm ，長度2 100 m，且電機(jī)功率較大。

方案四：在-350 區(qū)域泵房附近設(shè)潛水泵硐室，并新設(shè)φ650 排水鉆孔，排水管路直接通過直排鉆孔排至地面水處理站。 選用 2 臺BQ550-595/7-1400-S 潛水泵，2 趟φ325 mm×14 mm 排水管路。工況點(diǎn)流量563 m3/h，揚(yáng)程588 m。該方案優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單；缺點(diǎn)是電機(jī)功率較大，另需要新打排水鉆孔，地面需另行征地。

安裝工程估算價值見表2。

采用直排環(huán)節(jié)少，但另行征地后續(xù)不確定性較大；在-350 區(qū)域泵房附近設(shè)潛水泵房，排水距離長、揚(yáng)程大、設(shè)備功率較大，對設(shè)備管路要求略高，而且需要更換-350 區(qū)域泵房至-200 水平的已有排水管路，長度約2 100 m，投資較大。

方案一較-350 水平中轉(zhuǎn)減少一級，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)、排水效率高。同時具有排水距離較短、揚(yáng)程小、利用已有管路進(jìn)行排水，對管路設(shè)備要求低，有利于節(jié)能、排水系統(tǒng)運(yùn)行安全、對現(xiàn)有系統(tǒng)影響小等優(yōu)點(diǎn)，故推薦方案一。

表2 安裝工程估算價值Table 2 Estimated value table of installation project

2.2 排水系統(tǒng)布置方式及設(shè)備選型

2.2.1 應(yīng)急排水泵的布置方式

應(yīng)急排水泵布置形式主要有兩大類，即立式、臥式[9]，優(yōu)缺點(diǎn)如下。

（1） 連接及安裝。

臥式泵采用聯(lián)軸器與電機(jī)連接，需要定期找正。立式泵電動機(jī)水泵體是子口連接。臥式泵安裝時要保證絕對的水平安裝，在安裝后進(jìn)行精度調(diào)整。立式泵整體連接，安裝容易。

（2） 維修及使用壽命。

立式泵檢修難度大。立式泵葉輪檢修時，需將上部全部移去且起吊后方能進(jìn)行，并需及時更換滑動軸承，否則將導(dǎo)致軸離心力增大，軸跳動值變大，易形成機(jī)械事故。臥式泵效率高于立式泵。臥式泵維修和維護(hù)相對容易，運(yùn)行平穩(wěn)，對管路沖擊較小，使用壽命長[6]。

（3） 施工難易程度及工程量。

立式泵方案需要新設(shè)直徑4 m、深15 m 的潛水泵井，新設(shè)高8 m 的潛水泵壁龕供起吊用，需由專業(yè)的施工隊(duì)伍施工；潛水泵硐室、潛水泵井、潛水泵水窩、潛水泵配水井、潛水泵壁龕、潛水泵配水巷等工程量較大，施工工期較長。立式泵方案布置形式如圖1 所示。

臥式泵方案需要新設(shè)19 m×2.5 m×5.4 m 潛水泵井，新設(shè)高3 m 的潛水泵壁龕供起吊用，可由煤礦內(nèi)部施工隊(duì)伍施工；潛水泵井、潛水泵配水井、潛水泵壁龕、潛水泵配水巷等工程量較小，施工工期較短。臥式泵方案布置形式如圖2 所示。

經(jīng)比較，推薦臥式泵方案。

2.2.2 應(yīng)急排水系統(tǒng)設(shè)備選型

根據(jù)礦井最大涌水量、排水高度及管路系統(tǒng)，設(shè)計選用BQ550-425/5-1000/W-S 型礦用防爆潛水泵2 臺，其技術(shù)參數(shù)：流量550 m3/h，揚(yáng)程425 m，配套電動機(jī)功率1 000 kW，電壓6 kV，2 臺工作即可滿足規(guī)范抗災(zāi)要求。

BQ550-425/5-1000/W-S 型水泵主要性能參數(shù)見表3。

圖1 立泵布置方式示意Fig.1 The layout of vertical pump

圖2 臥泵布置方式示意Fig.2 Layout of horizontal pump

表3 BQ550-425/5-1000/W-S 型水泵主要性能參數(shù)Table 3 Main performance parameters of BQ550-425/5-1000/W-S pump

2.3 排水系統(tǒng)硐室

經(jīng)現(xiàn)場考察，設(shè)計將位于-200 泵房附近的底橫貫進(jìn)行維修擴(kuò)砌后作為潛水泵排水硐室。該工程主要含潛水泵吸水井、潛水泵配水井、潛水泵配水井壁龕、配水巷等井巷工程，井巷工程量共計55.5 m/1 077.25 m3。

潛水泵排水系統(tǒng)工程均采用錨網(wǎng)索+鋼筋混凝土聯(lián)合支護(hù)方式。為減少底鼓，潛水泵吸水井、潛水泵配水井、潛水泵配水巷等硐室采用反底拱一次性澆筑底板的支護(hù)方式，從而減小因底鼓造成的維修費(fèi)用。施工時在潛水泵吸水井井壁預(yù)留注漿管，以備壁后注漿使用。

2.4 概算投資

章村礦-200 水平建設(shè)潛水泵強(qiáng)排應(yīng)急排水系統(tǒng)工程總投資1 657.50 萬元，見表4。

表4 概算投資Table 4 Estimated investment

3 結(jié) 論

（1） 對在不同區(qū)域增設(shè)潛水泵房的方案進(jìn)行比選，同時對新設(shè)排水管路、利用礦井已有排水管路進(jìn)行方案比較，最終確定在-200 水平泵房附近設(shè)潛水泵硐室，利用-200 水平排水系統(tǒng)的排水管路φ325 mm×10 mm 排至南風(fēng)井地面水處理站的應(yīng)急排水方案。

（2） 應(yīng)急排水泵布置形式經(jīng)連接及安裝方式、維修方式、使用壽命、施工難易程度及工程量大小等多方面比較后，確定選擇臥式泵方案。

（3） 設(shè)計選用BQ550-425/5-1000/W-S 型礦用防爆潛水泵2 臺。將位于-200 泵房附近的底橫貫進(jìn)行維修擴(kuò)砌后作為潛水泵排水硐室，井巷工程量共計55.5 m/1 077.25 m3。

（4） 章村礦-200 水平建設(shè)潛水泵強(qiáng)排應(yīng)急排水系統(tǒng)工程總投資1 657.50 萬元。