礦井斜巷排水使用PE管可行性分析及應用

孫興林

摘 要：本文首先從PE管的抗壓強度進行分析，得出在斜巷可使用PE管進行排水的理論依據，根據PE管耐壓強度，在斜巷坡度一定時，可得出斜巷內使用PE管排水長度，而對于斜巷長度超過使用界限的，可進行分級排水，降低材料成本消耗。其次，通過對排水泵輸出壓力進行驗證，PE管用于排水管是能滿足要求的。最后通過排水管路成本分析，提出煤礦斜巷排水時，使用PE管代替傳統鋼管在成本上有很大優勢，可在煤礦斜巷施工中推廣使用。

關鍵詞：排水;耐壓強度;可行性分析;成本消耗

1.概述

隨著煤礦精益化管理水平的提高，成本的管控逐步深入。如何在滿足安全生產需要的前提下，最大限度的降低成本的消耗，是現在礦山生產過程中當前亟需解決的問題之一。在礦井生產中，下山掘進過程必須提前做好出排水設計，配置足夠的排水設施以及滿足排水能力的管路。通過技術經濟比較分析，可得出理論上的可行性方案，選取出滿足需要的方案設計，并進行經濟成本分析，可最大程度降低成本消耗，提高經濟效益。

2.理論計算

斜巷巷道從下往上排水時，水對管壁的壓力計算可簡化為圖1所示理論模型，其中o點處水對管壁壓力最大。

O點處管壁壓力計算公式為：

ρ表示液體密度;g表示重力加速度，9.8m/s2;h表示巷道的垂深，單位為m;l表示巷道斜長，單位為m;α表示巷道坡度;P表示為o點處壓力

假設排水管路最大耐壓強度為P管只有當時（K為安全系數），排水管路即能滿足排水壓力的需要，根據式（1）可得排水垂直高度h為：

ρ表示液體密度;g表示重力加速度;h表示液體垂直深度，單位為m;k表示安全系數;

3.現場應用分析

3.1 工程概況

十八采區膠帶巷斜巷段設計長度約550m，工作面沿16°下山施工，工作面正常掘進時最大涌水量為180m3/h，為避免不可預知的水文地質災害，設計配置排水泵最大排水能力為180m3/h，斜巷段配置排水管路最大排水能力為300m3/h，設計為一趟4吋、兩趟六吋排水管路。

3.2 PE管可行性分析

當前斜巷段施工約300m，配備的排水管路分別為4吋、6吋PE管，該PE管耐壓強度行業標準為不低于1.6MPa，即：

ρ表示液體密度，取1×103kg/m3;g表示重力加速度，9.8m/s2;h表示液體垂直深度，單位為m;k表示安全系數，根據經驗取1.2

帶入數據得：

巷道為16°下山施工。由式（2）可得：

帶入數據得：

通過以上理論計算，由式（9）可知，巷道坡度在16°時，排水鋪設PE管最大可鋪設493m。

根據十八采區膠帶巷設計，巷道垂高150m，直接鋪設聚乙烯PE管進行排水，管壁壓力不能滿足排水需要。如果在巷道斜巷段不大于493m處布置聯巷，將永久泵坑布置在聯巷內，采用二級排水，上下兩段則均可以使用聚乙烯排水管。

3.3 排水泵輸出壓力計算

根據設計要求，十八采區主要使用MD85-45×3型多級泵和BQS80-80/37N排沙泵。

其中多級泵最大揚程為135m，流量為85m3/h，帶入式（1）多級泵輸出壓力為：

排沙泵最大揚程為80m，流量為80m3/h，帶入式（1）計算為：

由式（12）可知，多級泵和排沙泵輸出的最大壓力均小于PE管的最小耐壓強度，從排水泵的配置情況來看，使用PE管能夠滿足排水需要。

4.技術經濟分析

根據十八采區膠帶巷排水設計，該斜巷需鋪設三趟排水管路，一趟4吋，兩趟6吋，亦能滿足排水需要。

目前礦井采用的排水管路材質有兩種，一種是鋼管，一種是PE管。4吋鋼管、PE管規格均為Φ108×4.5m，6吋鋼管、PE管規格為Φ159×6m。根據4吋鋼管價格為160元/節， 4吋PE管價格為70元/節，在滿足排水設計需要的情況下，使用PE管排水每節省90元。

6吋鋼管價格為320元/節， 6吋PE管價格為160元/節，在滿足排水設計需要的情況下，使用6吋PE管排水每節省160元。

從以上分析可知，在滿足排水設計需要的情況下，使用PE管比使用鋼管在材料成本上有很大的優勢。

5.小結

通過上述理論計算可知，十八采區膠帶巷在沿16°下山施工期間，當斜巷長度不大于493m時，根據PE管耐壓強度方面分析，鋪設PE管用于排水在理論可行的。從十八采區膠帶巷配備的排水泵型號計算，使用PE管能滿足排水需要。目前十八采區膠帶巷施工至斜巷段300m，使用MD85-45×3型多級泵和BQS80-80/37N排沙泵，配合4吋、6吋PE排水管進行排水，現場使用情況來看，6吋聚乙烯PE管能夠滿足排水需要。

在經濟技術成本上進行分析，使用PE管進行排水時，每節4吋排水管在成本上可節余90元，每節6吋排水管在成本上可節余160元，在300m斜巷中布置一趟4吋、兩趟6吋PE管排水管路，可節約22030元，成本節約空間較大。

在斜巷大于493m時，一次使用PE管作為排水管不能滿足需要時，可采用分級排水，讓每級排水長度均小于493m，這樣就可以在每級排水時使用PE管，從而能夠降低排水管布置的成本，此外，由于PE管較為輕便，在搬運、安裝、拆除等環節中均較為方便，尤其在斜巷中使用，安全系數高，能大大提高工人施工安全系數。

參考文獻：

[1]吳開興，李晨娟，張惠民. 礦井排水設備選型系統的設計與實現[J]. 煤炭工程，2011，（03）：20-22. [2017-09-14].

[2]張栓文，馬海君，景娟紅，張保民. 淺談礦井排水系統的本質安全設計[J]. 煤，2014，23（05）：54-55. [2017-09-14].

[3]馬存義，王煥才. 礦井排水設備選型設計與節能[J]. 華北礦業高等專科學校學報，2000，（04）：7-13. [2017-09-14].

（永城煤電控股集團有限公司，河南 永城 476600）