礦井排水系統的優化問題探討

張智樞

（廣元楊家巖煤業有限責任公司，四川 廣元 628000）

我國是資源消耗大國，尤其是對于煤炭的需求量，更是有增無減，那么在煤礦開采的過程中，會受到種種因素的制約，其操作的危險性非常大，容易出現事故，在眾多誘發因素中，透水以及瓦斯的威脅是最大的。在我國很多煤礦開采過程中，因為透水以及涌水、瓦斯保障引發的事故，屢見不鮮。針對透水這個問題來說，利用排水泵就能夠有效解決，現階段我國煤礦排水泵以結構形式來劃分，主要有兩種：一種是干式水多級泵、就是礦用防爆電動機通過連軸器驅動的常規臥式多級泵；另一種是濕式泵，是利用潛水電動機來作為驅動的排水泵。

一、排水系統優化

1 提出問題

由于煤礦資源具有一定的隱蔽性，它們通常都是埋藏在很深的地下，并且在不同礦山，礦產所埋藏的深度也不同，因此，還具有一定的差異性，不同地域，其滲水、涌水量也不盡相同，這就要求在使用排水泵的時候，要因此質疑，根據當地煤礦排水系統的設計要充分結合當地的地質條件進行。通常來說，煤礦排水系統的排水量要根據礦井的實際涌水量為依據，如果實際涌水量地域預期數值的時候，那么工作人員就應該減少水泵的數量、縮短開機時間。而排水壓力則要根據泵站的標準高度作為基礎。即以開采深度加上一定的余量作為泵的排出壓力。在煤礦給排水設計的過程中，相關規范要求選型楊程為排水高度為1.1～1.35倍。除此之外，在設計泵站的時候，必然都要進行水倉的設計，水倉具有一定的容量，合理的設計容量，能夠有效環節泵站排水量以及用水量之間的矛盾。問題就由此產生，以上方法必須要具有合理性以及可行性，它既關系到排水系統的安全，還關系到排水系統的經濟性、關系到系統的能效問題。

2 管路系統的優化

在泵的選型問題上，完全可以依據以上原則進行，但是針對泵的揚程部分，其中很多問題還需要進行深入討論，因為現有方法針對泵揚程方面的計算會比較簡單，這樣就會導致誤差偏大的問題，泵站的位置標高是測量出來的沒有問題，但隨便取個系數得出泵揚程是不妥的。不管是管路鉆孔個直排還是沿坑道布置，都會對管路系統的排水能力產生影響。那么如果采用揚程高的水泵，又會帶來經濟消耗過大的問題，這個時候能源消耗也會過大，與此同時，管道系統往往還會存在排水量不足以及無法滿足實際需求的問題，工作人員應該選擇鉆孔的方式進行管道布設、立管直排的方法來進行排水管的安裝，這樣才能夠最大限度的減少管路的長度以及彎頭，從而達到管道的排水阻力，節約電能。在進行施工設計的時候，如果單管無法滿足經濟流速需求量，那么工作人員則應該多加鉆幾個空洞，采用管理安排的方法來解決管徑較小的問題。當然，這是條件允許的情況下，如果條件不允許，那么就應該沿坑道布置管道，并且還要使用口徑大的無縫管線，這樣才能做到低流速、小損耗。

3 泵的選型

圖1 MD450-60泵優化設計的效率曲線

在選擇水泵型號的時候，需要注意的問題也有很多方面，首先，就是要在條件允許的情況下，盡量選擇節能效果好的產品，并且產品的各項性能要與實際的使用要求相符合，具備齊全的證書。選擇的水泵，高校區部分應該相對較寬，這樣才能夠保障其工作效率與質量。并且，在礦井中所使用的水泵，在剛剛使用的時候，都會產生一定的安全余量，那么如果是無閥控制的時候，水泵初期必然是在流量偏大的狀態下運行的。如圖1所示，其為MD450-60泵水力優化的效果示意圖，改泵的額定水流量為450m3/h、單級揚程為60m，因為煤礦排水泵站現場偏離工況運行的問題，因此需要對泵的水力部件進行設計和優化，目的在于要提高大流量區域的水里效率，同時加寬了高效區，預測這樣會更加適合煤礦排水要求，除此之外，還要對水泵的富余揚程進行合理調節，通常來說，煤礦所采用的水泵一般為多級離心泵，這種泵的富余揚程相對較大，那么如果將中間級的葉輪用軸套取代，能夠緩解這個問題，如果是在富余揚程較小的時候，可以采用切割葉輪的方式，使得泵揚程更加負荷管路系統的要求，從而達到節約電能的目的。

然而，如果在長時期的使用之后，泵的口環以及節流襯套等部分就會有不同程度的磨損，這個時候，泵自然就會匯到額定點運行。初此之外，通常情況下，管路阻力的計算都已最大用水量為準的，如此而來，流過排水管的水量并不會很多，這樣的情況下，在實際的阻力與計算時的相比，就會偏小，進而產生揚程富余，從而導致水泵是在大流量狀態下運行的。最后，在選擇水泵型號的時候，切記不可選擇滿揚程、滿流量的型號，要選擇富余揚程在5%左右的水平。這樣做的目的就是為了在需要提高揚程的時候，工作人員可以采用更換葉輪的方式來實現揚程的增加，進而達到實際使用要求。

圖2 傳統階段式多節泵

圖3 對稱型無平衡盤節段式多級泵

圖4 對稱型蝸殼式多級泵

二、泵本身的優化問題

目前煤礦排水使用的傳統節段式多級泵，如圖2所示。如D型、MD型、PJ型泵都是平衡盤形式的節段式泵，在使用中存在一些問題需要改進。如平衡盤在輸送含煤粉較多的礦井水時，受煤灰影響，平衡盤容易磨損而失效。建議推廣應用如圖3所示的對稱式無平衡盤的多級泵。另一方面，許多泵型汽蝕性能較差需要改進。對流量大于300m3/h的排水泵，最好是低轉速、首級葉輪雙吸，輪轂直徑D0=130mm，葉輪進口直徑D0=260mm，進口系數弱=4.7。可想而知，流量580m3/h時，汽蝕性能多差。后將葉輪進口直徑D0=300mm，進口系數%提高到5.65，新制葉輪替換，解決此問題。對流量大干300 m3/h的排水泵，最好是低轉速、首級葉輪雙吸，達有利于提高泵的汽蝕性能，擴大泵對工況的適應性。對經濟條件較好的礦井推薦使用如圖4所示的對稱型蝸殼式多級泵，首級葉輪雙吸。這種蝸殼式多級泵造價高一點，但汽蝕性能好、檢修工作量大大降低，如將采購成本和使用成本一起考慮的話，與節段泵的成本總體是持平的，該形式泵在油品長輸管線上應用廣泛。

結語

對于礦井施工來說，排水系統是非常重要的部分，由于礦井施工非常復雜，并且具有極高的危險性，尤其是涌水以及瓦斯引發的事故頻發，因此，排水系統的重要性就更加凸顯。目前，我國各個生產領域中，都在大力倡導節能環保的生產理念，礦井生產也是如此，針對傳統的水泵進行全面優化，這樣才能夠達到提高排水系統工作效率與工作質量的目的，文章從四個方面對礦井排水系統的優化問題進行了研究和分析，希望能夠為我國礦井開采工程盡一份綿薄之力。

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