煤礦井下大型抗災排水泵房優化設計

魏 洋，張迎春，盛朝輝

(1．中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054；2．陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著高產高效大型礦井的發展，煤礦井下水害已成為嚴重影響煤礦安全、高效生產的重大關鍵問題之一，尤其水文地質條件復雜、極復雜或有突水淹井危險性的礦井。為有效遏制煤礦開采過程中由于透水等水災事故對井下生產安全和人員的危害，在水災事故發生時，保證礦井救災排水系統及時啟動，強行排水[1-3]，在礦井設置抗災排水系統已經成為必不可少的水害防治手段。

1 工程概況

納林河二號井田位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗境內，行政區劃隸屬烏審旗無定河鎮管轄。西北約63 km處為烏審旗政府所在地嘎魯圖鎮，向東40 km可達陜西省榆林市橫山縣，從橫山縣向東北約60 km可至陜西省榆林市。礦井設計生產能力8.0 Mt/a，裝備一個3-1煤大采高綜采工作面，一個3-1上煤綜采工作面，2個連掘工作面，2個掘錨工作面；服務年限61.6 a。礦井水文地質條件復雜，礦井正常涌水量912 m3/h，礦井最大涌水量1 140 m3/h。抗災排水系統中排水設備設置在井下31盤區排水泵房附近，排水管路沿排水鉆孔敷設。抗災排水量1 180 m3/h，排水垂高609 m，排水距離約820 m。

2 井下抗災排水泵房工藝布置設計

2.1 傳統抗災泵房布置

抗災排水泵多采用大功率礦用潛水泵，其安裝布置方式主要有立式、平臥式和斜臥式安裝等3種形式。立式安裝方式，潛水泵受力較好，最有利于水泵運行，但吸水井與運輸巷道需要有較大的落差，吸水井深度較大時不利于水泵的安裝和檢修；平臥式安裝方式較立式安裝方式井巷工程量較小，但對潛水泵軸的受力不利。尤其是在抗災時期，潛水泵長時間高負荷運行時，易使潛水泵的軸產生不利撓度，使其軸承既受水平推力又受徑向支撐力，從而大大縮短了潛水泵的使用壽命；斜臥式安裝方式在受力方面和使用壽命上不如立式安裝方式，但其優于水平安裝方式，在巷道工程量方面，斜臥式安裝方式較立式安裝方式巷道工程量少，投資更省，且更易于施工，與水平安裝方式接近[4-8]。綜上所述，立式、平臥式和斜臥式安裝方式的優缺點對比見表1。

表1 潛水泵各安裝方式優缺點對比Table 1 Comparison of various installation methods of submersible pump

依據GB/T 50451—2017 《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》5.1.4 中：“泵井布置方式采用立式或斜臥式”。斜臥式布置方式有諸多優點，近年來多數煤礦抗災排水系統采用斜臥式布置。采用斜臥式安裝的強排泵房由潛水泵井、試驗水源配水巷道、絞車硐室等組成。潛水泵井設計傾角約20°左右，設置用于固定潛水泵的軌道，側邊設有人行臺階；試驗水源配水巷道與泵井連接處設置有配水閘閥；潛水泵井附近沒有用于提升、下放及檢修用的潛水泵絞車硐室[4]。

2.2 納林河二號礦井抗災排水泵房設計

2.2.1 原設計概況

納林河二號礦井水文地質類型為復雜型，《煤礦安全規程》第308條規定：水文地質條件復雜、極復雜或有突水危險的礦井，應當在井底車場周圍設置防水閘門或者在正常排水系統基礎上另外安設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。礦井選用防水閘門能夠起到分區隔離、減少礦井水害損失的作用，但防水閘門在制造、安裝和使用過程中也存在以下缺點：防水閘門要求有較好的抗壓及防水密封性能，該設備投資成本較高；礦井發生突水透水事故后，要在多處同時關閉防水閘門，然而在透水發生時，一般來水非常快、水量極大，井下根本無法實現多處同時關閉防水閘門，且日常管理復雜；防水閘門主動搶險排水能力差。

2.2.2 礦用潛水泵選型及布置

相比防水閘門，抗災潛水泵排水量大、水泵揚程高，而且能實現遠程和就地控制，泵房淹沒后仍能正常工作，較防水閘門變被動堵水為主動排水，對避免淹井有著極其重要的意義[7-10]。納林河二號礦井地處蒙陜礦區，該區域開采深度大，主采煤層受多層含水層威脅[11]。考慮到礦井開采深度對于設備選型的影響，為了煤礦抗災排水系統的安全可靠運行，提高抗災排水的主動性，對比防水閘門和抗災潛水泵方案，本礦井設計考慮在正常排水系統基礎上增加抗災潛水泵方案。根據抗災排水量、排水垂高和排水距離等條件，設計選用2臺BQ1100-680/8-3150/W-S礦井潛水泵，2臺同時工作[12-13]，水泵主要技術參數見表2。本礦井抗災排水泵采用斜臥式布置，為減少礦建工程量，水泵吸水井采用矩形深井，底部采用傾斜水泵支架固定，水泵泵體與吸水井底板成一定傾角，吸水井與主排水泵房配水巷連接，配水閘閥控制引水，用于水泵的定期試運行。抗災排水泵房設起吊梁，采用單軌小車配合手拉葫蘆進行安裝、檢修。

表2 礦用潛水泵主要技術參數Table 2 Main technical parameters of mine submersible pump

2.2.3 實施方案

設計過程中，根據現場實際，主水倉入口目前有1#、2#這2個水倉入口，水倉入口段坡度形式如圖1所示。根據礦井最新水文地質資料和礦井涌水量，經核算一個水倉入口即可滿足匯水需要。結合水倉施工現狀，為減少抗災泵房礦建工程量，經方案論證，設計確定利用水倉1#入口段改造為抗災潛水泵房硐室。對比傳統形式，對原設計進行優化，抗災排水泵房及水泵安裝形式如圖2所示，優化主要表現在抗災排水泵房采用“4°～9°”變角度形式布置；在抗災排水泵房與水倉連接處設置擋墻，吸水井中設置集泥坑；抗災水泵房硐室出口設置檢修絞車硐室；潛水泵采用“并作錯位”布置。

圖1 水倉入口段坡度形式示意Fig.1 Schematic diagram of slope at inlet section of sump

圖2 抗災排水泵房及水泵安裝示意Fig.2 Disaster resistant drainage pump room and pump installation

3 實施方案優化分析

3.1 抗災排水泵房技術經濟合理性分析

吸水井上段對原水倉6°斜坡起底至9°，作為抗災排水泵房設備安裝的運輸通道，待進入原水倉底部2‰坡度時，起底改造為4°坡。技術方面，該方案保證了水泵的斜臥式安裝，確保水泵運行安全可靠；經濟方面，該方案采用“4°～9°”變角度布置較全程采用9°節省工程量為147.3 m3，墻高降低0～1.47 m，減少了礦建工程量，更易于支護。

3.2 抗災排水泵房吸水井合理性分析

抗災排水泵房與水倉連接處設置擋墻代替配水閘閥，擋墻具有隔斷水倉的作為，并且可以實現水倉的一次擋淤，防止水倉內的雜污進入吸水井。吸水井清理前，降低水倉水位，通過水倉上部水位下降后水倉巷道頂部形成空隙解決通風問題，保證抗災排水泵房內有足夠空氣，確保工作人員安全。吸水井清理工作也可與水倉清理同步進行，避免水倉水位降低工作的重復。吸水井中設置集泥坑，保證抗災潛水泵入口處水流充分沉淀，便于集中清理。

3.3 抗災排水泵維護檢修便捷性分析

在抗災水泵房硐室出口設置檢修絞車硐室，取消起吊設備，采用“絞車-軌道”形式提升檢修。硐室開鑿時，可以采用絞車便捷、安全、高效地將硐室掘進碎石通過礦車運出；水泵檢修時，可以利用絞車將抗災水泵提升至檢修平段，檢修結束后，下放水泵并固定，鋼絲繩可以不拆除。

3.4 抗災排水泵運行安全性分析

抗災水泵的跳閘水位傳感器與水倉底板平齊，擋墻高出跳閘水位傳感器1 m，保證了水泵運行達到安全水位線，確保水泵的正常啟停，避免水泵脫水運行。水泵布置中心距2.1 m，前后錯位2.0 m，排水管路沿運輸通道懸臂固定。潛水泵采用“并排錯位”布置方式，加大了水泵吸水口間距，保證硐室斷面的充分利用，有效避免了吸水口的搶水現象，保證水泵正常吸水。

4 結論

(1)在設計階段，提出了“施工便捷化、安裝簡單化、維護方便化、運行可靠化”設計思路，突破了傳統抗災排水泵房的布置方式，取消了起吊設備、優化了吸水井實施方案、優化了吸水井的通風方式，提高了抗災水泵房硐室的利用率和使用環境。

(2)設計優化后的抗災潛水泵房，在施工便捷、安全運行、設備檢修、工作環境等方面取得了顯著的效果，對國內抗災排水泵房的設計與應用有一定的借鑒和指導意義。