煤礦井下強(qiáng)排泵房設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

朱文翔

(國(guó)能鄂爾多斯市工程設(shè)計(jì)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

1 抗災(zāi)排水系統(tǒng)

礦井的水文地質(zhì)類(lèi)型，依據(jù)相關(guān)規(guī)定，劃分為簡(jiǎn)單、中等、復(fù)雜和極復(fù)雜4 個(gè)等級(jí)，其具體劃分依據(jù)詳見(jiàn)《煤礦防治水細(xì)則》。同時(shí)《煤礦安全規(guī)程》第三百零八條要求：“在水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜或者有突水淹井危險(xiǎn)的礦井，應(yīng)當(dāng)在井底車(chē)場(chǎng)周?chē)O(shè)置防水閘門(mén)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?！痹谒牡刭|(zhì)類(lèi)型復(fù)雜、極復(fù)雜類(lèi)型的礦井中井下抗災(zāi)排水系統(tǒng)作為水災(zāi)防治的重要組成部分，與礦井正常排水系統(tǒng)相結(jié)合，可以為煤礦井下的設(shè)備和人員安全提供進(jìn)一步的安全保障。

2 煤礦井下強(qiáng)排泵房

以神東補(bǔ)連塔煤礦為例，根據(jù)最新的涌水量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，井下正常涌水量預(yù)測(cè)約為852.7 m3/h，最大涌水量預(yù)測(cè)約為1 382.8 m3/h。根據(jù)礦井水文地質(zhì)類(lèi)型劃分，補(bǔ)連塔煤礦屬于水文地質(zhì)復(fù)雜礦井，且在井底車(chē)場(chǎng)周?chē)丛O(shè)置有防水閘門(mén)，根據(jù)要求，需要在正常排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加抗災(zāi)排水系統(tǒng)，且這套新增的抗災(zāi)排水系統(tǒng)的能力不能小于1 382.8 m3/h。

本文對(duì)神東補(bǔ)連塔煤礦井下強(qiáng)排泵房的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行簡(jiǎn)單探討。

2.1 礦井排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

神東補(bǔ)連塔煤礦目前主要開(kāi)采1-2 煤和2-2 煤，以2-2煤四盤(pán)區(qū)為主?，F(xiàn)井下設(shè)有4 個(gè)主要排水泵房，分別是：+1 055 m水平大巷處1 號(hào)排水泵房、2-2 煤二盤(pán)區(qū)2 號(hào)排水泵房、2-2 煤制油大巷3 號(hào)排水泵房和2-2 煤四盤(pán)區(qū)4 號(hào)排水泵房。4號(hào)排水泵房正在進(jìn)行擴(kuò)容改造，改造完成后這4 個(gè)排水泵房共安裝MD450 型離心泵9 臺(tái)，MD280 型離心泵9 臺(tái)，MD155 型離心泵3 臺(tái)，全礦井的外排能力最大將達(dá)到7 035m3/h，在不發(fā)生災(zāi)害性突水的情況下完全滿足礦井最大涌水量時(shí)的排水要求。

2.2 強(qiáng)排系統(tǒng)方案

根據(jù)礦井開(kāi)拓開(kāi)采接續(xù)情況和井下排水系統(tǒng)布置，并結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范中的設(shè)計(jì)要求，關(guān)于強(qiáng)排系統(tǒng)的設(shè)置，提出了以下兩個(gè)方案。

方案一：在呼和烏素進(jìn)風(fēng)立井井底設(shè)置強(qiáng)排泵房，選用2 臺(tái)725 m3/h 的潛水電泵，水泵直接起泵。在地面設(shè)置配電系統(tǒng)，電源從地面風(fēng)井場(chǎng)區(qū)110 kV 變電站取出，通過(guò)鉆孔將電纜接入泵房。泵房?jī)?nèi)安裝兩趟φ377 mm 管路，一泵一管，管路分別經(jīng)鉆孔至地面，在地面并成一趟φ710 mm 管路排至考考烏素溝。

方案二：在五、六盤(pán)區(qū)井底泵房水倉(cāng)內(nèi)設(shè)置強(qiáng)排泵房，設(shè)備選用2 臺(tái)725 m3/h 的潛水電泵，直接起泵、配電系統(tǒng)設(shè)在地面，電源取自地面呼和烏素回風(fēng)立井場(chǎng)區(qū)變電站，電纜通過(guò)鉆孔接入泵房。管路從五、六盤(pán)區(qū)井底泵房經(jīng)巷道敷設(shè)至呼和烏素回風(fēng)立井，與呼和烏素回風(fēng)立井內(nèi)的原有兩趟φ377 mm 管路對(duì)接后將水排至地面。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，兩個(gè)方案均可滿足補(bǔ)連塔煤礦所需要的不小于1 382.8 m3/h 的設(shè)防要求，也均可滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。方案二不需要新掘水倉(cāng)，礦建工程比較少，地面不需要征地，但由于強(qiáng)排泵房位置略高，位置較偏，如二、三盤(pán)區(qū)發(fā)生水害時(shí)，這里無(wú)法輻射整個(gè)礦井；呼和烏素進(jìn)風(fēng)立井的位置位于目前井下開(kāi)采煤層的較低點(diǎn)，有利于發(fā)揮強(qiáng)排泵房的排水能力，附近的空間也比較寬裕，利于施工，因此，推薦方案一。

由于強(qiáng)排泵房設(shè)置于全礦井采區(qū)較低點(diǎn)，為了防止突然發(fā)生水災(zāi)，井下水流卷著各種雜物沖擊水泵而導(dǎo)致排水設(shè)施損壞或水泵進(jìn)水口堵塞，需要在泵房入口處巷道的兩側(cè)建設(shè)防護(hù)擋墻(約2 m 高），并在泵房?jī)?nèi)兩臺(tái)潛水電泵的前后設(shè)置水倉(cāng)篦子用以抵擋雜物。

2.3 潛水電泵的選型方案和依據(jù)

2.3.1 選型方案

根據(jù)選定的強(qiáng)排系統(tǒng)設(shè)置方案，對(duì)泵房?jī)?nèi)潛水電泵做出如下的選型方案： 在呼和烏素進(jìn)風(fēng)立井井底附近設(shè)置強(qiáng)排泵房，設(shè)備選用可以直接起泵的潛水電泵，泵房的配電系統(tǒng)按規(guī)定設(shè)在地面，電源取自地面呼和烏素進(jìn)風(fēng)立井場(chǎng)區(qū)110 kV 變電站，電纜通過(guò)鉆孔接入泵房，水泵選擇2 臺(tái)BQ725-344/13-1 000/W-S 潛水電泵，主要參數(shù)：額定流量Q=725 m3/h、揚(yáng)程H=344 m，配套防爆電機(jī)功率1 000 kW、電壓等級(jí)10 kV。

強(qiáng)排系統(tǒng)的排水能力為725×2=1 450 m3/h＞1 382.8 m3/h。符合規(guī)程規(guī)范的設(shè)計(jì)要求[1]。

2.3.2 主排水設(shè)備選型依據(jù)

1）《煤礦安全規(guī)程》第三百零八條規(guī)定：抗災(zāi)排水系統(tǒng)的排水能力不小于礦井的最大涌水量。

2）相關(guān)部門(mén)提供的井下涌水量數(shù)據(jù)，礦井的正常涌水量為852.7 m3/h，最大涌水量為1 382.8 m3/h。由涌水量數(shù)據(jù)可知，本次井下設(shè)置的強(qiáng)排系統(tǒng)的能力不能低于1 382.8 m3/h。因此，設(shè)計(jì)強(qiáng)排泵房的排水能力為1 450 m3/h。

2.4 設(shè)備選型計(jì)算

2.4.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

呼和烏素進(jìn)風(fēng)立井井底強(qiáng)排泵房水倉(cāng)底板標(biāo)高：+1024.1m。

呼和烏素進(jìn)風(fēng)立井井口標(biāo)高：+1 326.8 m。

強(qiáng)排泵房排水路線：強(qiáng)排泵房—與北風(fēng)井的兩趟φ377 mm×10 mm 管路對(duì)接—地面風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)—φ710 mm 排水管路—考考烏素溝。

2.4.2 設(shè)備的選型計(jì)算

1）管路阻力系數(shù)

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，抗災(zāi)排水設(shè)備的管路應(yīng)該以不利情況的水泵工況計(jì)算，即管路淤積時(shí)，其附加阻力系數(shù)可取1.7[2]。從水泵運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)表(見(jiàn)表1）和水泵及管路特性曲線圖(見(jiàn)圖1）可知，新管時(shí)，揚(yáng)程Hn=384.80 m；舊管時(shí)，揚(yáng)程Ho=396.99 m。

表1 水泵運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)表

2）電動(dòng)機(jī)容量的計(jì)算

式中，Q 為水泵流量，m3/h；H1為水泵揚(yáng)程，m；η 為水泵效率；ηw為傳動(dòng)效率，取0.98。

潛水電泵選用2 臺(tái)1 000 kW 防爆電動(dòng)機(jī)、電壓等級(jí)10 kV、電機(jī)轉(zhuǎn)速1 488 r/min。

3）校驗(yàn)水泵的穩(wěn)定性

水泵揚(yáng)程應(yīng)滿足：

式中，H0為水泵零流量時(shí)的額定揚(yáng)程，m；HC為水泵的排水高度，m。

代入得：0.9×344=309.6m＞HC=302.7 m，滿足揚(yáng)程要求。

4）排水管路壁厚的計(jì)算

排水管路選擇無(wú)縫鋼管，根據(jù)鋼管管壁厚度計(jì)算公式：

故δ=0.65+0.25=0.90 cm。

式中，δ 為計(jì)入附加厚度后的管壁計(jì)算厚度，cm；δ′為管子計(jì)算壁厚，cm；c 為計(jì)入制造負(fù)偏差和腐蝕的附加厚度，cm；P 為計(jì)算管段的最大工作壓力，MPa；Dw為管子外徑，cm；[σ]為管材許用應(yīng)力，MPa，無(wú)縫鋼管一般取85MPa；φ 為管子焊縫系數(shù)，無(wú)縫鋼管取1。

結(jié)合礦井現(xiàn)有管路情況，選擇敷設(shè)兩趟φ377 mm×10 mm無(wú)縫鋼管，法蘭壓力PN=4.0MPa。

(5）電耗的計(jì)算

式中，T 為設(shè)備工作小時(shí)，h；ηc為電網(wǎng)傳動(dòng)效率，取0.94。

2.5 強(qiáng)排泵房的布置

依據(jù)GB/T 50451—2017 《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中的規(guī)定和解釋?zhuān)瑥?qiáng)排泵房中潛水電泵的布置方式采用立式布置或斜臥式布置。這兩種不同的布置方式適用于不同的情況，各有優(yōu)劣。立式布置節(jié)省了礦建工程的掘進(jìn)長(zhǎng)度，但由于潛水電泵機(jī)身較長(zhǎng)，水倉(cāng)的深度較深。同時(shí)，為了保證潛水電泵后期的檢修維護(hù)，泵井的頂板高度也需要適當(dāng)增高，泵房的整體施工難度大，檢修、更換水泵時(shí)也比較麻煩。斜臥式布置需要的泵井較長(zhǎng)，對(duì)潛水電泵布置的位置有一定角度要求，但不需要對(duì)巷道進(jìn)行太多挑頂和深掘的工程。結(jié)合補(bǔ)連塔煤礦的實(shí)際情況，選擇強(qiáng)排泵房布置方式為斜臥式布置，布置方式見(jiàn)圖2和圖3。

3 結(jié)語(yǔ)

煤礦的抗災(zāi)排水系統(tǒng)首先要考慮的永遠(yuǎn)是系統(tǒng)的可靠性，它是井下發(fā)生水災(zāi)時(shí)最關(guān)鍵的一道防線，是保證井下人員和財(cái)產(chǎn)安全不可忽視的重要組成。本文論述的強(qiáng)排泵房設(shè)計(jì)，在實(shí)際試運(yùn)行中運(yùn)行穩(wěn)定，符合國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)要求，希望通過(guò)本文的論文能為井下強(qiáng)排泵房的設(shè)計(jì)提供一些思路，為其他需要設(shè)置井下強(qiáng)排泵房的礦井提供參考借鑒。