深井高效排水系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張智斌

摘 要：井下排水是礦山生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，排水系統(tǒng)的好壞關(guān)系到礦山能否正常、安全生產(chǎn)。排水設(shè)備消耗的電能，一般居全礦之首，占整個(gè)礦井生產(chǎn)的15%～25%，而對(duì)一些涌水量大的深井礦山，排水設(shè)備消耗的電能甚至在30%以上。所以，如何建立一種安全、自動(dòng)化、投資少、高效和節(jié)能的排水系統(tǒng)，對(duì)于礦山高效、低耗生產(chǎn)，顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：安全；自動(dòng)化；投資少；高效；節(jié)能

引言

井下排水是礦山生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，排水系統(tǒng)的好壞關(guān)系到礦山能否正常、安全生產(chǎn)。涌水量大、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，突然涌水，可能淹沒礦井，導(dǎo)致礦井停產(chǎn)，造成人員傷亡或重大經(jīng)濟(jì)損失。另外，排水設(shè)備消耗的電能，一般居全礦之首，占整個(gè)礦井生產(chǎn)的15%～25%，而對(duì)一些涌水量大的深井礦山，排水設(shè)備消耗的電能甚至在30%以上。所以，如何建立一種安全、高效、節(jié)能、先進(jìn)和投資少的排水系統(tǒng)，對(duì)于礦山高效、低耗生產(chǎn)，顯的尤為重要。

礦井排水系統(tǒng)主要由：排水設(shè)備、排水設(shè)備的供、配電系統(tǒng)、排水管路以及排水設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)等組成。本文是以山東某黃金礦業(yè)深井排水（正常涌水量：21557m3/d（898 m3/h），最大涌水量：30180m3/d（1257.5m3/h），排水幾何高差685m、排水管路單條長度1600m，沿30度斜井敷設(shè)）設(shè)計(jì)選型進(jìn)行論述。

1 排水設(shè)備、設(shè)施的選型及標(biāo)準(zhǔn)

（1）符合：GB50830-2013冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范。井下主要排水設(shè)備應(yīng)至少由同型號(hào)的三臺(tái)泵組成，工作水泵應(yīng)能在20h內(nèi)排水出一晝夜的正常涌水量；除檢修泵外，其他水泵應(yīng)能在20h內(nèi)排出一晝夜的最大涌水量；

（2）避峰填谷。井下主排水泵房內(nèi)的排水設(shè)備應(yīng)盡量考慮排水設(shè)備能在用電谷段、平段排水，降低企業(yè)排水成本，達(dá)到經(jīng)濟(jì)排水。

2 排水設(shè)備、設(shè)施的選型

2.1 排水水泵的選擇

現(xiàn)深井排水設(shè)備主要是臥式多級(jí)離心泵。臥式多級(jí)離心泵又分臥式多級(jí)離心泵和臥式多級(jí)自平衡式泵。臥式多級(jí)自平衡式泵，是在傳統(tǒng)多級(jí)離心泵的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了創(chuàng)新，泵效率比同類別多級(jí)泵提高5-14%，無故障運(yùn)行時(shí)間是普通泵的3倍以上。

對(duì)于深井排水建議采用臥式多級(jí)自平衡式泵。

2.2 排水設(shè)備、設(shè)施具體型號(hào)選擇

正常情況下（工作水泵應(yīng)能在20 h內(nèi)排出一晝夜的正常涌水量；除檢修泵外，其它水泵應(yīng)能在20 h內(nèi)排出一晝夜的最大涌水量）。2.2.1 水泵排水能力計(jì)算

設(shè)備需要排出的正常排水量21557 m3/d÷20 h=1078m3/h；

設(shè)備需要排出的最大排水量30180 m3/d÷20 h=1509m3/h。

2.2.2 水泵型號(hào)、數(shù)量

初步選擇DF（P）580型水泵。數(shù)量4臺(tái)（2用1備1檢修），正常情況下，2臺(tái)泵同時(shí)排水時(shí)，排水能力為1160m3/h>1078m3/h（正常需排水量）。

2.3 排水管路型號(hào)及數(shù)量選擇

2.3.1 管徑計(jì)算

d=

d=0.432m

Q：流量m3/h（按580 m?/h計(jì)算）

d：排水管所需的管徑m

n：向排水管中輸水的水泵臺(tái)數(shù)（按2臺(tái)泵同時(shí)向一條管路排水）

V：排水管中的經(jīng)濟(jì)流速，隨管徑、管材和地區(qū)電價(jià)而定，取2.2m/s

2.3.2 排水管路型號(hào)及數(shù)量

經(jīng)計(jì)算管徑可選：d=φ480型無縫鋼管，管路數(shù)量：2根（1用1備），1根管路可滿足2臺(tái)泵同時(shí)排水。

2.4 揚(yáng)程計(jì)算

d=0.423m

H=?H+Hf+Hi+?P

H-----------清水揚(yáng)程（m）

?H----------幾何高差（m）

Hf-----------沿程阻力折算揚(yáng)程（m）

Hf=f*（L/d）*V2/2g

f—通常取0.014-0.019

L—管路長度（m）（2285m）

d—管路內(nèi)徑（m）

g—取9.8

Hi----------局部阻力折算揚(yáng)程（m）

每個(gè)彎頭考慮0.1米或更少，以7個(gè)彎頭、3個(gè)閥門來計(jì)算。

?P----------泵出口余壓折算揚(yáng)程（m）。

?H=630-270=360m

Hf=0.016*（1600/432*10-3）*2.2/2/9.8≈7m

Hi：以24個(gè)彎頭、3個(gè)閥門來計(jì)算

Hi=（24+3）*0.1=2.7

H=685+7+2.7=694.7m

經(jīng)計(jì)算，正常情況下，排水設(shè)備、設(shè)施具體參數(shù)：臥式多級(jí)自平衡式泵：型號(hào)：DF（P）580-95*8，流量：580m3/h、揚(yáng)程：760m，電壓：6000V，功率：1800kw，數(shù)量：4臺(tái)，管路：φ480型無縫鋼管，數(shù)量 2條。

2.5 避峰填谷，降低排水成本

企業(yè)要想降低排水成本，只有讓設(shè)備在谷段和平段電費(fèi)較低時(shí)間進(jìn)行排水。依據(jù)山東省物價(jià)局與山東省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)2015年4月24日下發(fā)的《關(guān)于完完善峰谷分時(shí)電價(jià)政策的通知》，用電峰平谷段時(shí)間及電價(jià)可知，全天谷段時(shí)間長8小時(shí)，排水電費(fèi)最底為0.44025元，平段時(shí)間長也為8小時(shí)，排水電費(fèi)為0.7305元，峰段時(shí)間長5小時(shí)，排水電費(fèi)為1.02075元，尖峰段時(shí)間長5小時(shí)，排水電費(fèi)為1.3685元。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析及方案對(duì)比

3.1 正常情況下每年排水費(fèi)用

3.1.1 排水時(shí)間

采用DF（P）580-95×8型水泵，同時(shí)開啟2臺(tái)，每天排21557 m3正常涌水量，則需：21557÷（580*2）=18.58h，需每天在谷段8h、平段8h和峰段2.58h排水。

3.1.2 每年的排水費(fèi)用

每年谷段排水電耗=1800×2×0.8×0.44025×8×365=370.23萬元

每年平段排水電耗=1800×2×0.8×0.7305×8×365=614.32萬元

每年平段排水電耗=1800×2×0.8×1.02075×2.58×365=276.84萬元

每年排水費(fèi)用=370.23+614.32+276.84=1261.39萬元

3.2 避峰填谷，每年的排水費(fèi)用

3.2.1 排水時(shí)間

采用DF（P）580-95×8型水泵， 同時(shí)開啟3臺(tái)，在調(diào)整峰平谷排水的情況下，每天排21557 m3正常涌水量，水泵開啟時(shí)間為：

3.2.2 每天在谷段的排水時(shí)間

谷段排水能力580/h*3臺(tái)*8h=13920 m3

21557 m3>13920 m3，谷段8小時(shí)需全部開啟

3.2.3 每天在平段的排水時(shí)間

（21557m3-13920 m3）÷（580/h*3臺(tái)）=4.39h

3.2.4 峰平谷調(diào)整情況下，每年的排水費(fèi)用

每年谷段排水電耗=1800×3×0.8×0.44025×8×365=555.35萬元

每年平段排水電耗=1800×3×0.8×0.7305×4.39×365=505.66萬元

每年排水費(fèi)用=370.23+614.32+107.3=1061.01萬元

經(jīng)計(jì)算，正常情況下每年的排水費(fèi)用為1261.39萬元，采用避峰填谷排水，每年的排水費(fèi)用為1061.01萬元。

3.3 每年減少排水費(fèi)用

1261.39萬元-1061.01萬元=200.38萬元

從以上對(duì)比，選擇避峰填谷排水，每年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益200.38萬元。

4 系統(tǒng)自動(dòng)化

現(xiàn)代化的排水系統(tǒng)應(yīng)采用現(xiàn)場層（遠(yuǎn)程IO），控制層（PLC）和管理層（工業(yè)計(jì)算機(jī)）組成的三級(jí)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。工業(yè)計(jì)算機(jī)利用人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，PLC 作為控制器完成邏輯處理和控制任務(wù)，遠(yuǎn)程IO 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和上傳。

5 結(jié)語

深井排水系統(tǒng)的建設(shè)，需從安全、自動(dòng)化、投資、使用、管理、運(yùn)行成本等方面進(jìn)行綜合考慮，通過多方面的對(duì)比，建立一種安全、自動(dòng)化、投資少、高效和節(jié)能的排水系統(tǒng)。