寸草塔二礦新邊界3—1煤中央排水泵房設計分析

摘 要：根據神東煤炭集團寸草塔二礦新邊界3-1煤生產接續的要求以及地測公司對3-1煤開采時的涌水量預估，結合《煤礦安全規程》第二百七十八條的規定，對寸草塔二礦新邊界3-1煤中央排水泵房的設備型號進行計算選型。

關鍵詞：離心泵；自動控制；中央排水泵房

前言

寸草塔二礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗的東南、東勝煤田寸草塔礦區井田東北部，距伊金霍洛旗約30km，隸屬于烏蘭木倫鎮。地下水以孔隙潛水和裂隙承壓水兩種形式賦存，根據《煤礦防治水規定》，該礦水文地質條件為簡單-中等型。依照《煤礦安全規程》第二百七十八條的規定，寸草塔二礦新邊界3-1煤的主要排水設備應符合：必須有工作、備用和檢修的水泵。工作水泵的能力，應能在20h內排出礦井24h的正常涌水量（包括充填水及其他用水）。備用水泵的能力應不小于工作水泵能力的70%。工作和備用水泵的總能力，應能在20h內排出礦井24h的最大涌水量。檢修水泵的能力應不小于工作水泵的25%。水文地質條件復雜的礦井，可在主泵房內預留安裝一定數量水泵的位置。

1 設計指導思想

（1）比較優選設計方案，以本質安全思想為核心，提高礦井安全生產的可靠性。（2）利用礦井原有排水設施，以經濟效益為中心，秉承“投資少、質量高、效益好、見效快”的設計原則。（3）在充分利用煤礦已經形成的排水系統基礎上，綜合考慮本次設計泵房的排水方案。（4）盡可能簡化、優化布置水倉及泵房硐室，減少礦建工程的施工難度。

2 礦井排水現狀

現在寸草塔二礦主斜井井底附近設有2-2煤中央排水泵房，主要負責2-2煤的總排水任務。泵房內安裝三臺MD280-43×5型礦用耐磨離心泵與兩趟DN250排水管路。正常涌水時，一臺工作，一臺備用，一臺檢修，管路一趟工作，一趟備用；最大涌水時，兩臺工作，一臺檢修/備用，管路兩趟同時工作。正常涌水時，一臺工作，一臺備用，一臺檢修，管路一趟工作，一趟備用a；最大涌水時，兩臺工作，一臺檢修/備用，管路兩趟工作。管路排水路線為：2-2煤中央水泵房——主斜井——地面污水處理站。

3 排水系統方案設計

3.1 排水設備選型

根據礦井布置、地測公司提供的涌水量資料并結合礦井現有排水系統，提出兩種排水系統方案。

方案一：采取接力排水方案，在3-1煤設二水平中央排水泵房。

在利用原2-2煤中央水泵房，同時新建3-1煤二水平中央排水泵房，泵房內安裝三臺MD280-43×2型礦用離心泵，配YB2-4/132KW/10KV防爆電動機，電機轉速1488r/min。設備投資費用約105萬元。泵房及井筒內敷設兩趟DN250排水管路。工作制度為：正常涌水量時，水泵一臺工作，一臺備用，一臺檢修，管路一趟工作，一趟備用；最大涌水量時：水泵兩臺工作，一臺備用/檢修，兩趟管路同時工作。排水路線為：順槽與巷道臨時中轉水倉——3-1煤中央排水泵房——2-2煤中央水排水泵房——地面污水處理廠調節池。

方案二：在3-1煤暗副斜井井底新建3-1煤中央排水泵房，采用清污分離的排水方式，將3-1煤二水平的污水與清水直接排至地面污水處理廠。

新建3-1煤中央排水泵房及中央水倉，其中央水倉實現清污分離，3-1煤探放水及污水（工作面涌水及巷道淋水）自流或利用局部潛水泵排至相應的清水倉或污水倉。泵房內安裝五臺MD280-43×5型礦用離心泵，其中兩臺負責排清水，兩臺負責排污水，一臺作為共用水泵。水泵額定流量為280m3/h，揚程215m，配YB2-4/315KW/10KV防爆電動機，電機轉速1488r/min。設備投資費用約100萬元。泵房及井筒內敷設兩趟DN250排水管路及一趟DN300排水管路。泵房水泵及配套管路工作制度為：3-1煤開采前期主要以探放水為主。因此正常涌水量時，水泵兩臺工作（一臺排清水、一臺排污水），兩臺備用，一臺檢修，兩趟DN250管路工作（其中3-1煤和2-2煤共用一趟污水管），一趟DN300管路備用；最大涌水量時，水泵三臺工作（其中兩臺排清水、一臺排污水），兩臺備用/檢修，一趟DN300管路排清水，另外兩趟DN250管路分別作為3-1煤和2-2煤的污水排放管路。排水路線為：巷道內臨時排水管路——3-1煤中央排水泵房——主斜井——地面污水處理廠調節池。

3-1煤回采期間礦井主要以污水為主，礦方可根據清污水量變化合理分配水泵及管路工作制度。

綜上所述，兩排水方案均可滿足3-1煤開采時的排水需要，但兩廂對比，方案一需要對現有的2-2煤中央泵房進行改造，施工難度較大，且無法實現清污分離排水；3-1煤二水平中央泵房的擴建量雖然較小，但設備所需的投資、年耗電量都相對方案二較大而且管理環節較多，兩泵房如有一處泵房出現故障均會影響礦井安全生產。相比之下方案二在3-1煤開采時現有2-2煤中央排水泵房后期可停止使用或拆除，產生的費用較小，3-1煤排水時只需要投入3-1煤中央水泵房即可，后期維護成本也相對較低。同時方案二可實行清污分離排放，降低了地面污水處理廠負荷，有利于節能環保。因此經比較后，設計推薦采用方案二。

3.2 推薦方案設備選型計算

3.2.1 設計依據

a.遵循《煤炭工業礦井設計規范》、《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》（GB 50451-2008）及《煤礦安全規程》的相關要求。

b.根據地測公司提供的涌水資料顯示，3-1煤開采時，礦井正常涌水量201m3/h，最大涌水量320m3/h。因此設備需要按照礦井正常涌水時排水量241.2m3/h，最大涌水時排水量384m3/h計算。

c.新建3-1煤中央排水泵房底板標高：+1030m，地面水處理調節池標高：+1188m，垂高158m。單趟排水管路長度約3400m。

3.2.2 排水設備選擇

根據礦井現有的礦井規劃與排水系統，初步設計了三種設備選型方案。

方案一：選用MD280-43×5型礦用離心泵五臺，水泵額定流量為280m3/h，揚程215m，配YB2-4/315kW/10kV防爆電動機，電機轉速1488r/min；同時配兩真空泵，一用一備。泵房及井筒內敷設兩趟DN250及一趟DN300無縫鋼管。工作制度為：正常涌水量時：水泵兩臺工作，兩臺備用，一臺檢修，管路兩趟DN250工作，一趟DN300備用；最大涌水量時：水泵三臺工作，兩臺備用/檢修，管路三趟工作。

方案二：選用BQ275-230/6-280/W-S型礦用潛水電泵五臺，水泵額定流量為275 m3/h，揚程230m，配280kW/10kV防爆電動機，電機轉速1488r/min，配電室可設在地面。泵房及井筒內敷設兩趟DN250及一趟DN300無縫鋼管。工作制度為：正常涌水量時：水泵兩臺工作，兩臺備用，一臺檢修，管路兩趟DN250工作，一趟DN300備用；最大涌水量時：水泵三臺工作，兩臺備用/檢修、管路三趟工作。

方案三：選用MD280-65×4型礦用離心泵五臺，水泵額定流量為280m3/h，揚程260m，配YB2-4/400kW/10kV防爆電動機，電機轉速1488r/min；同時配兩真空泵，一用一備。泵房及井筒內敷設兩趟DN250及一趟DN300無縫鋼管。工作制度為：正常涌水量時：水泵兩臺工作，兩臺備用，一臺檢修，管路兩趟DN250工作，一趟DN300備用；最大涌水量時：水泵三臺工作，兩臺備用/檢修、管路三趟工作。

綜合表1，三種選型方案中，方案一和方案三使用的離心泵汽蝕性能好，運行平穩可靠。方案二所選潛水電泵，配電室設在地面，提高了礦井排水可靠性，但設備投資費用較高，檢修不方便。同時潛水電泵的揚程富余較大，需選擇較小的排水管徑來滿足水泵的穩定運行。而且從水泵的軸功率、揚程、年電耗量及設備總投資方面綜合考慮，方案二及方案三所選水泵電機功率大于方案一所選水泵的電機功率，能耗較大、排水效率較低。故設計推薦采用方案一。

3.2.3 推薦設備的選型計算

（1）排水設備能力。

礦井正常涌水時排水量為241.2m3/h。

根據計算所得，當流量為240m3/h，管路公稱管徑為250mm（壁厚7mm）時，流速為1.34 m/s，水力坡度為i=0.0116。

則水泵必須的楊程為：

HB=L×i+HC=3400×0.0116×1.1+158+5=206.38m

式中：HB-水泵的必須揚程 m；

L-單趟管路的長度 m；

i-水力坡度 i=0.0116；

HC-測地高度 m。

（2）管路阻力系數（考慮新管和結垢后的管路）。

從圖1水泵特性及管路特性曲線中，知：

新管時，揚程，H=213.4；

舊管時，揚程，H=224.9。

（3）水泵運行工況點。

水泵運行工況點參數表，見表2。

表2 水泵運行工況點參數表

（4）電動機容量的計算：

新管N=■×1.1=250KW

舊管N=■×1.1=227.8KW

選擇用防爆電動機YB2-4/315kW/10kV，電機轉速1488r/min。

（5）校驗水泵的穩定性。

滿足0.9H0>HC條件：

式中：H0-DIU 零流量時的揚程；

代入得：0.9×215=193.5>HC=158m

可見滿足要求。

（6）排水管路壁厚的計算。

管子壁厚δ=（P×D）/（2×σ/S）

其中：S為安全系數；

σ為材料的抗拉強度；

P為管路承受的壓力；

D為管路外徑。

計算得出DN250管路壁厚為5.9mm，選擇壁厚7mm。DN300管路壁厚為6.7mm，選擇壁厚9mm。

（7）排水能力的核校驗。

舊管：正常涌水時：啟動2臺水泵 T=24×400/240/2=20 （h）

最大涌水時：啟動3臺水泵 T=24×480/240/3=16 （h）

（8）電耗的計算（含噸水百米電耗）。

年電耗E=■×2=321.7KW

4 系統功能

4.1 實現了獨立的排水系統及配套的供電系統

本次設計的離心泵排水系統可作為礦井正常排水系統，對礦井的生產及排水能力提供了可靠保障。當礦井發生水災事故時，此離心泵排水系統可有效運轉并保障井下安全。

4.2 實現了自動化控制

通過數據傳輸功能實現遠程控制監測。根據水位自動啟、停水泵，自動實現水泵的輪換工作，便于在各種情況下做出合理調度。

4.3 設備自我保護診斷功能

當水位降低到停泵水位線時，可通過吸水口處的水位控制系統自動斷電，實現水泵自我保護。主要設備還提供自檢及診斷功能，設備故障時可以自動報警。主要故障類型還可以自我診斷，幫助工作人員進行設備維護和修理。

5 使用注意事項

5.1 配水巷定期清理

礦方應該根據配水巷、吸水井的淤積情況定期清理配水巷與吸水井，防止水泵吸水口堵塞而無法正常工作。

5.2 定期試水試驗

離心泵做每兩做月做半小時的試水實驗（其試水實驗的水源通過配水閘閥來自中央水倉），以保證水泵隨時可以正常運作。長期停機不用時，應清洗泵內流道并切斷電源。

5.3 水泵和真空泵的定期維護

隨著設備的長時間運轉，水泵和真空泵運轉情況會日益惡劣，需要定期對設備進行維護。檢查設備內部的泵油、濾網、墊片等易損元件，并按照廠家說明的要求對其進行更換或維護。

5.4 維護排水泵管路及儀表、閘閥

隨著泵房使用時間增加，泵房內的排水管路及各儀表、閘閥隨著壓力長的作用，易造成管路汽蝕、開關閥時力矩過大以及正壓表磨損易壞，必須在采用高質量抗震產品的同時，對排水泵管路及儀表、閘閥進行定期維護、更換。

6 結束語

煤礦井下排水系統始終伴隨著礦井的建設、生產進行工作，是礦井建設和生產不可缺少的組成部分，它對煤礦的安全生產有著不可忽視的作用。本次設計泵房采用離心泵與真空泵混合布置的排水系統，系統設計完善，可以有效提高礦井的排水能力和生產可靠性，為礦井安全高效益產提供了有力保障。