煤礦井下水泵房布置方案探討

盛朝輝

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054）

煤炭資源與地下水相伴而生[1]。隨著開采深度不斷增加，深部煤層底板承壓水水壓高，作業過程中發生透水事故的概率也加大[2-3]。若井下大量涌水不能及時排出，將極大威脅煤炭生產和井下工作人員的生命安全[4-5]。礦井排水系統是煤礦生產過程中十分重要的環節[6]，其運行的可靠性、穩定性及應對突發事件有非常高的要求。在水泵房的設計過程中，往往僅根據設備安裝需要進行設計，忽略了礦井自身煤巖條件、水泵房有效空間利用、硐室施工工藝等因素的影響，造成水泵房施工成本及難度增大、吸（配）水井壁龕通風效果不佳等。

1 概況

大海則礦井設計生產能力為10.0 Mt/a，水文地質類型為復雜礦井。礦井盤區正常涌水量為770 m3/h，最大涌水量為1145 m3/h。根據盤區泵房排水條件，設計選用5 臺MD600 型礦用耐磨多級離心式水泵、3趟無縫鋼管排水管路作為本礦井的盤區排水系統。正常涌水量時，2 臺水泵、2 趟排水管路同時工作，其余2 臺水泵、1 趟排水管路作為備用，1 臺水泵檢修；最大涌水量時，3 臺水泵、3 趟排水管路同時工作，其余1 臺水泵作為備用、1 臺水泵檢修。根據盤區水泵房排水設施最大排水水量，選用4 個DN1400 型電動配水閘閥用于水倉排水調配。主（副）水倉與水泵房配水井連接處各設置1 個配水閘閥，配水巷與兩配水井相接處分別設置1 個配水閘閥。

2 水泵房布置方案及對比分析

2.1 水泵房布置方案

根據水泵房的排水設備選型結果，通過吸（配）水井及主（副）水倉的多種組合方式、多個配水閘閥的不同布置形式，提出三種水泵房布置方案。

方案一：根據排水設備設計選型結果，水泵房內共設計5 個吸（配）水井配合水泵排水。水泵（一）、水泵（三）、水泵（五）吸水管處分別設置一個吸水井；水泵（二）、水泵（四）吸水管處分別設置配水井（一）、配水井（二），每一個配水井內均安裝兩個配水閘閥，且均為縱列布置，水倉（一）、水倉（二）分別與配水井（一）、配水井（二）相接。如圖1。

圖1 水泵房平面布置（方案一）

方案二：根據排水設備設計選型結果，水泵房內共設計5 個吸（配）水井配合水泵排水。水泵（一）、水泵（三）、水泵（五）吸水管處分別設置一個吸水井；水泵（二）、水泵（四）吸水管處分別設置配水井（一）、配水井（二），每一個配水井內均安裝兩個配水閘閥，且均為并排布置，水倉（一）、水倉（二）分別與配水井（一）、配水井（二）相接。如圖2。

圖2 水泵房平面布置（方案二）

方案三：根據排水設備設計選型結果，水泵房內共設計5 個吸（配）水井配合水泵排水。水泵（三）吸水管處配套設置一個吸水井；水泵（一）、水泵（二）、水泵（四）、水泵（五）吸水管處分別配套設置配水井（一）、配水井（二）、配水井（三）、配水井（四），每一個配水井內僅設置一個配水閘閥，水倉（一）、水倉（二）分別與配水井（一）、配水井（四）相接。吸（配）水井壁龕斷面尺寸一致，如圖3。

圖3 水泵房平面布置（方案三）

2.2 方案對比分析

根據前述三種可行的水泵房平面布置特點，從配水閘閥的布置方式、吸（配）水井壁龕斷面尺寸及配水井設計數量三個方面進行深入剖析。

2.2.1 配水閘閥布置影響分析

在井下水泵房的設計中， 為實現水泵輪換運行，主（副）水倉定期清淤，保障井下涌水順利排至地面，需控制水倉及水泵房配水巷內礦井水流向，在水倉和水泵房之間、吸水井和配水井之間均需裝設配水閘閥。因此，配水閘閥是水倉和水泵房配水井之間連通的重要設備[7]。配水閘閥的布置對水泵房設計存在一定的影響。方案一，水泵房內設計兩個配水井、三個吸水井，單個配水井內縱列布置兩個配水閘閥。為保證兩個配水閘閥間距既能保證工作人員順利通行，又能滿足設備檢修空間需求，配水井壁龕縱向尺寸設計較長，進深往往超過6 m，此方案不利于壁龕內自然擴散通風，雖可采用水倉與水泵房配水井壁龕通過通風管路接通等方式解決壁龕內通風問題，但往往效果不佳。方案二，水泵房內同樣設計兩個配水井、三個吸水井，采用單個配水井內兩個配水閘閥并排布置方式，兩個配水閘閥由縱向布置調整為橫向布置。配水井壁龕僅需增加寬度，縱向尺寸設計較短，可避免壁龕進深超過6 m，自然擴散通風效果良好。方案三，水泵房內設計四個配水井、一個吸水井，選用的四個配水閘閥分別獨立設置于四個配水井內，可保證配水井壁龕進深不超過6 m，滿足壁龕內自然擴散通風要求。

2.2.2 吸（配）水井壁龕斷面影響分析

水泵房內吸（配）水井壁龕是工作人員操作配水閘閥、定期清理水井淤泥的主要場所，其斷面通常設計為圓拱頂形。井下水泵房施工時一般在一次錨網噴支護后都需要進行二次混凝土襯砌施工[8]。水泵房硐室開挖后圍巖必然存在松動圈，松動圈的發育范圍越大，圍巖整體穩定性越差，巷道表面變形量越大，支護越困難[9]。井下硐室施工時通常需要制作硐室邊墻及頂拱型鋼模板便于支護施工，由于方案一及方案二水泵房的吸（配）水井壁龕斷面尺寸不統一，施工前需制作兩套邊墻及頂拱的型鋼模板。方案三水泵房的吸（配）水井壁龕斷面尺寸統一，施工前僅需制作一套邊墻及頂拱的型鋼模板。基于壁龕開鑿后硐室支護施工工藝分析，此方案不僅可節約壁龕施工輔助材料量，縮短壁龕施工周期，還能節約壁龕施工成本。因方案一及方案三水泵房的吸（配）水井壁龕斷面尺寸寬度較窄，相較方案三水泵房壁龕的頂部無效空間小，可節約水泵房硐室開鑿、支護等施工成本。方案三水泵房配水井壁龕寬度較寬，開挖后圍巖松動圈范圍大，煤巖壓力大，壁龕砌碹易開裂，支護厚度較厚，施工成本及難度較方案一及方案三高。

2.2.3 配水井數量影響分析

配水井作為水泵房的重要組成部分，主要用來安裝配水閘閥，控制水流方向，便于水倉清淤及運行水泵的調整。方案一及方案二水泵房的配水井設計數量均為兩個，方案三水泵房的配水井設計數量為四個。由于設計選用的為電動配水閘閥，方案一及方案二配水閘閥布置更為集中，配水閘閥電動裝置引線可集中布置，既可減少供電及控制線纜敷設趟數，又能減少工作人員巡檢工作量。由于配水井安裝有配水閘閥，設計底部空間較大便于水井清淤，吸水井設計底部空間較小，不利于水井清淤。方案三較方案一及方案二水泵房的配水井數量更多，更加有利于工作人員對水泵房吸（配）水井淤泥進行清理。當水泵房內安裝3 臺水泵時，水泵房通常設計一個配水井、兩個吸水井，主、副水倉在與水泵房接口處合并成一個較大斷面的巷道接入配水井，此方案施工難度較大，主（副）水倉間也存在一定的影響。由于配水井斷面橫向尺寸較大，水泵機組間間距一般設計為定值，導致配水井一側與相鄰吸水井間距較小，壁龕間圍巖應力相互干擾[10]，增加了壁龕支護難度。若為避免此種情況發生，需要增大配水井及吸水井間距，導致水泵房硐室加長，成本增大。

綜上所述，結合大海則煤礦井下開鑿情況、巷道支護工藝及排水系統自動化控制需求等因素，方案二更為適合本礦井水泵房設計。

3 結論

（1）井下水泵房設計時，不僅需要根據礦井井下涌水及排水設備選擇情況確定吸（配）水井及主（副）水倉合理的匹配關系，還需考慮硐室自然通風、硐室支護，施工工藝等因素。

（2）井下涌水量較大、自動化控制集中程度高的大型礦井井下水泵房設計可參照方案二。配水井設置于水泵房中部水泵吸水管處，吸水井壁龕斷面尺寸較配水井壁龕斷面尺寸小，尤其適用于水泵臺數較多的水泵房設計，可大大減少施工工程量，降低建造成本。另外，對于自動化程度較高的礦井，配水閘閥均為電動控制，方案二配水閘閥并排布置，較為集中，既解決了硐室自然擴散通風不暢問題，也有利于實現礦井井下排水自動化集中控制。

（3）井下涌水量小、排水設備設計數量少的水泵房設計可參照方案三。水泵房內吸（配）水井按同一斷面設計，同時主（副）水倉與水泵房接口可設置于水泵房兩端水泵配水井處，其間形成一定間隔、獨立設置，尤其當水泵房內設置3 臺水泵時，方案三更為合適。

（4）當井下涌水量適中時，由于對水泵房排水能力需求適中，配水閘閥尺寸較小，呈縱列布置時，配水井壁龕進深可滿足井下硐室自然擴散通風需求，方案一及方案二均可選擇，需通過經濟技術分析來確定最終方案。