某井下礦山擴建期間排水系統的研究

〔摘 要〕針對礦山排水系統改擴建項目普遍存在的難點，結合國內某金屬礦山工程現狀，對該礦目前已有的Ⅱ礦區主排水系統進行分析，認為存在排水能力與排水需求不匹配的問題。分別對Ⅰ礦區新建排水系統的排水管網設計及Ⅱ礦區排水系統的改造方案進行了詳細計算分析和分析。針對Ⅰ礦區新建排水系統輸送距離長、路徑復雜，易受到停泵水錘的沖擊，設置了消除水錘的防護緩沖系統。分析認為，該水錘防護系統可以有效保護泵房內的設備設施。

〔關鍵詞〕井下排水系統；改造方案；排水管網；水錘；緩沖裝置

中圖分類號： TD862；TU992 " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）06-0015-06

Study on the Water Drainage System during the Expansion of a Certain Underground Mine

MA Haiyu

（Jiangxi Tongrui Project Management Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" For the difficulties commonly existed in the water drainage upgrading of the expansion mine project， and based on the current situation of a metal mine project in China， this article analyzes the existing main drainage system of mine area II and considers that there is a mismatch between the drainage capacity and the drainage demand. This article provides a detailed analysis and calculation on the drainage network design of the new drainage system in mine area I and the renovation plan of the drainage system in mine area II respectively. The new drainage system in mine area I has a long conveying distance and a particularly complex path， which is very susceptible to the impact of water hammer caused by pump stoppage， so a protective buffer system is set to eliminate water hammer， and hydraulic calculation and implementation effect of the drainage pipe network were analyzed. The analysis shows that the water hammer protection system can effectively protect the equipment and facilities in the pump room.

Keywords" "underground drainage system; renovation scheme; drainage pipe network; water hammer; buffer device

部分改擴建的井下開采的礦山，由于生產歷史較長，前期生產規劃不全面，導致現場生產系統混亂、排水系統分散。在改擴建過程中，新的生產系統和排水系統往往需利用老系統，這對生產系統造成了較大的影響。為了防止改擴建期間，新礦體揭露導致中段排水量增大，影響礦山正常生產，必須對排水系統進行改造。改造過程中，須設置消除水錘的緩沖裝置，以防止排水系統遭到破壞，避免淹井事故的發生。

1" "礦山排水系統現狀

１.1" 礦山概況

國內某金屬礦山經過20余年的生產，開采深度從近地表延伸至地下近千米。為保證礦山的持續生產，該礦決定進行擴建改造，預計擴建工程從施工到投產需要4 a左右。擴建期間，為了不影響礦山的正常生產，保持現有的采礦能力，須對Ⅰ礦區-715～965 m的礦體以及相距約4 km的Ⅱ礦區-715～1 065 m礦體進行穩定產量的工程改造。

1.2" 現有排水系統

Ⅰ礦區為新建礦區，目前施工了1條深度近千米的明豎井至井底-915 m中段，及進風管纜井，同時在-915 m中段施工了1條聯絡大巷與Ⅱ礦區相通，井下未形成正式排水系統。

Ⅱ礦區為老礦區，井下現有排水系統由-365 m、-615 m、-915 m排水系統組成， 其中-365 m和-915 m排水系統為主排水系統，承擔Ⅱ礦區井下絕大部分排水任務。該排水系統屬于臨時排水系統，僅供臨時排水使用，這里不再贅述。

１）-365 m排水系統。-365 m水泵房內配置2臺額定流量為280 m3/h的多級泵和1臺額定流量為155 m3/h的多級泵。架設2根219 mm×10 mm的排水管，經泵房管子斜道至明豎井，沿井筒敷設至地表后，進入地表沉淀池。經初步核算，該排水系統現有排水能力約為8 700 m3/d。

２）-915 m排水系統。-965 m水泵房內配置2臺額定流量為280 m3/h的多級泵和2臺額定流量為155 m3/h的多級泵。架設2根45 mm×12 mm的排水管，經泵房管子斜道至盲豎井，沿井筒敷設至-365 m中段后，沿巷道進入-365 m水倉。經初步核算，該排水系統現有排水能力約為11 800 m3/d。

由上述可見，該金礦Ⅱ礦區井下現有排水系統上下能力不匹配，無法滿足現在所需的排水需求。擴建后，Ⅰ礦區-915 m中段以下的井下涌水和生產廢水還會通過新建排水系統引至Ⅱ礦區，則Ⅱ礦區排水系統能力更無法滿足未來的生產要求，因此必須對現有排水系統進行升級改造。

2" "排水系統改造研究

2.1 Ⅰ礦區排水系統改造方案

為合理利用Ⅱ礦區的排水系統，Ⅰ礦區-915 m中段以下的井下涌水和生產廢水，通過新建-965 m的排水系統（井下排水泵房A），分別排至-915 m排水系統（井下排水泵房B）和Ⅱ礦區-615 m排水系統（井下排水泵房C），再由上述系統接力排出地表。正常涌水時，坑內排水量約為8 500 m3/d；最大涌水時，坑內排水量約為17 000 m3/d。-965 m排水系統管網路徑見圖1。

１）礦房設置。Ⅰ礦區-965 m排水泵房設在-965 m中段管纜斜井井底車場附近，采用吸入式配置。

２）水泵選型。根據規范要求，井下主要排水設備包括工作水泵、備用水泵和檢修水泵。工作水泵應能在20 h內排出一晝夜正常排水量；工作水泵和備用水泵應能在20 h內排出一晝夜的設計最大排水量。備用水泵能力不小于工作水泵能力的50%；檢修水泵能力不小于工作水泵能力的25%。只設3臺水泵時，水泵型號應相同[1]。因此，選用額定流量為155 m3/h和280 m3/h的多級泵各3臺。正常涌水時，1臺155 m3/h水泵和1臺280 m3/h水泵工作，其余的備用或檢修；最大涌水時，2臺155 m3/h水泵和2臺280 m3/h水泵同時工作，其余的備用或檢修。

經核算，正常排水時，2臺水泵工作18.4 h排完正常排水量，小于20 h（安全）；最大排水時，4臺水泵工作18.4 h排完最大排水量，小于20 h（安全）[1]。

３）排水路線。（１）A-B路徑。沿-965 m中段巷道引出2根219 mm×10 mm的排水管后，經-965～-915 m北翼進風管纜井至-915 m中段，再沿-915 m中段巷道敷設至Ⅱ礦區-915 m排水泵房B，單根管路總長度約為4.2 km。（2）A-C路徑。沿-965 m中段巷道引出2根273 mm×10 mm的排水管后，經-965～-915 m北翼進風管纜井至-915 m中段，再先后轉經-865 m中段、-715 m中段，至-615 m中段，最后沿-615 m中段巷道敷設至泵房C，單根管路總長度約4 km。

上述排水管網系統在國內地采礦山中尚屬首次，具有輸送距離長、路徑特別復雜的特點。由于系統的復雜性，若不采取特殊的技術措施，一旦發生停泵或斷電等特殊情況，管網中的水錘將接近10 MPa，屬于水錘壓力特別大的礦山排水系統。

2.2 Ⅱ礦區排水系統改造方案

根據排水系統的位置及井下聯絡通道等因素，統籌考慮-365 m、-615 m、-915 m中段排水系統。在對現有工程設施充分利用的基礎上，結合排產年限、水量、揚程及水泵單機裝機容量等因素，將改造方案設計為接力排水方案，即將-915 m現有排水系統改造為下部排水系統，擴建-615 m排水系統為中部排水系統，擴建-365 m排水系統為上部接力排水系統。

2.2.1" -915 m排水系統改造

正常涌水時，-915 m排水系統排水量包括Ⅰ礦區轉排的水量3 000 m3/d以及Ⅱ礦區正常涌水時的地下涌水和生產廢水正常排水量，正常排水量約17 500 m3/d。最大排水涌水時，包括Ⅰ礦區轉排的最大排水量6 000 m3/d以及Ⅱ礦區最大涌水時的地下涌水和生產廢水，約為正常排水量的1.3倍，即最大排水量為22 750 m3/d。

根據采礦工藝，改造-915 m中段現有排水泵房，-915 m以上中段地下涌水和生產廢水匯集至該中段水倉；更換-915 m中段全部的水泵及排水管路，排水管沿盲豎井敷設至-365 m中段后接入-365 m新排水系統水倉。經計算，該中段水泵所需排水揚程約為H=1.1×（915－365＋4）=609.4 m。

水泵房選用單一型號的多級泵4臺。正常涌水時，2臺工作，1臺備用，1臺檢修；最大涌水時，3臺工作，1臺檢修。水泵技術性能如下：額定流量為450 m3/h，揚程為600 m，電機功率為1 250 kW，電壓為6 kV。正常排水時，2臺水泵工作19.44 h排完正常排水量，小于20 h（安全）；最大排水時，3臺水泵工作16.85 h排完最大排水量，小于20 h（安全）[1]。

在改造的水泵房內架設2根377 mm×16 mm的無縫鋼管作為排水管（1用1備），排水管沿盲豎井至-365 m中段后，沿巷道敷設至-365 m新排水系統水倉。

2.2.2" -615 m排水系統改造

正常涌水時，-615 m排水系統排水量為5 500 m3/d；最大涌水時，-615 m排水系統排水量為11 000 m3/d。

根據采礦工藝，在-615 m中段現有排水系統水倉附近擴建1個排水泵房，Ⅰ礦區-915 m中段以下的井下涌水和生產廢水揚送至該中段水倉，經排水管至地表后，揚送至地表沉淀池。更換-615 m中段全部的水泵和-465 m以下的排水管路，-465 m以上新增1根排水管，排水管沿北風井敷設至-365 m中段后沿有軌運輸巷接入-365 m新排水系統水倉。經計算：水泵需排水揚程為H=1.15×（615－365＋4）=292.1 m。

水泵房選用單一型號的多級泵3臺。正常涌水時，1臺工作，1臺備用，1臺檢修；最大涌水時，2臺工作，1臺檢修。水泵技術性能如下：額定流量為280 m3/h，揚程為301 m，電機功率為350 kW，電壓為380 V。經核算，正常排水時，1臺水泵工作17.86 h可排完正常水量，小于20 h（安全）；最大排水時，2臺水泵工作17.86 h可排完最大排水量，小于20 h（安全）[1]。

在改造的水泵房內架設2根273 mm×10 mm的無縫鋼管作為排水管（1用１備），排水管沿北風井敷設至-365 m中段后，沿有軌運輸巷接入-365 m新排水系統水倉。

2.2.3" -365 m排水系統改造

正常涌水時，-365 m排水系統排水量為17 500 m3/d；最大涌水時，-365 m排水系統排水量約為22 750 m3/d。

根據采礦工藝，在-365 m中段現有排水泵房向明豎井方向擴建該排水泵房。365 m以上中段地下涌水和生產廢水及-915 m、-615 m排水系統揚送來的廢水均匯集至該中段水倉，經排水管沿鉆孔至地表后，揚送至地表沉淀池。經計算：水泵所需排水揚程約為：H=1.1×（55+365+4）=466.4 m。

水泵房選用額定流量為450 m3/h的多級泵4臺，額定流量為280 m3/h的多級泵3臺。正常涌水時，2臺450 m3/h水泵和1臺280 m3/h水泵工作，其余備用或檢修；最大涌水時，3臺450 m3/h水泵和2臺280 m3/h水泵工作，其余檢修。兩種水泵技術性能如下：1）額定流量為450 m3/h，２）揚程為480 m，電機功率為1 000 kW，電壓為6 kV。額定流量為280 m3/h，揚程為520 m，電機功率為710 kW，電壓為6 kV。正常排水時，3臺水泵工作17.37 h可排完正常排水量，小于20 h（安全）；最大排水時，5臺水泵工作13.82 h可排完最大排水量，小于20 h（安全）[1]。

由4臺450 m3/h水泵引出2條377 mm×15 mm的無縫鋼管作為排水管（1用１備），排水管沿鉆孔敷設至地表后，經地表至沉淀池；由3臺280 m3/h水泵引出2根273 mm×10 mm無縫鋼管作為排水管（1用１備），排水管沿鉆孔敷設至地表后，經地表至沉淀池。

3" "消除水錘的措施

3.1" 水錘產生原因及危害

一般情況下，泵房內產生的主要是停泵水錘。停泵水錘主要是由于停電、故障停機等情況導致水流速度發生變化，導致產生壓力遞變現象。此時，水流會反向沖擊閥門及水泵，損毀泵房內的設備，造成事故。泵房外產生的水錘主要是各管路膝部存在啟泵水錘、連續水柱分離水錘和斷流彌合水錘，特別是較長距離傾斜向下的管路膝部易出現水柱分離又彌合的沖擊現象，對管路膝部的危害巨大。

Ⅱ礦區排水管路較為簡單，為了避免停泵水錘對管網造成破壞，需在水泵房中設置安全閥，在水泵出口設置止回閥等，并將水導入檢查井中。這些簡單的方法屬于避免水錘發生的常規保護方式。Ⅰ礦區排水管網屬于特別復雜的排水系統，為此主要針對Ⅰ礦區排水管網設置消除水錘的緩沖系統。

3.２" 緩沖系統組成

針對Ⅰ礦區復雜的排水系統，設置消除井下管路排水水錘的緩沖系統。該系統在各接力泵房之間采用管道聯系起來，替代之前各接力泵房通過中段水溝自流的聯系方式，從而起到發生水錘時對復雜井下排水系統的防護作用。該系統包括井下排水管路、水錘緩沖裝置、復合式空氣閥、檢修閥、泄水閥、彎管支座等，詳見圖2。同時，井下排水泵房內設有速閉式止回閥和安全閥。

3.3" A-C的排水管網水力計算分析

3.3.1" 管路參數

水泵吸水管管口標高為-956.5 m，排水管管口標高為-616 m，凈揚程為340.5 m。

3.3.2" 水泵參數

A-C的排水管網由泵房內配置的3臺額定流量為155 m3/h多級離心泵引出2根273 mm×10 mm排水管，水泵2用1備，管道1用1備。水泵出口設置1個DN150速閉止回閥，具體工況性能參數見表1。

水泵軸功率、水泵比轉數計算公式見式（1）、式（2）[2-4]。

N=ρgQrHr/1 000ηr" " " （1）

ns=3.65ηr/H" " （2）

3.３.3" 輸水管路參數

排水管采用219 mm×10 mm的無縫鋼管。正常涌水時，1臺泵對1根排水管；最大涌水時，2臺泵共用2根排水管。單根主排水管總長約4 km，水錘波速估值為1 282 m/s[5]。

3.３.４" 水錘計算結果

假定水泵因停電或故障停機后產生了水錘，該工況下的水錘計算結果見圖3～圖6。

3.３.５ 計算結果分析

1）當水泵因停電或故障停機后，管道中的最大水錘壓力為437 m，發生在泵后止回閥出口處，升壓倍數為1.01倍；2）最小管道壓力為-0.02 MPa。3）由于止回閥在水倒流前已關閉，因此水泵機組沒有反轉。綜上所述，系統的正負壓水錘及機組反轉均得到了很好地控制。彈性水錘緩沖器高度僅2 m多，安裝在泵站內，后期運行維護管理非常方便。

3.４" A－B的排水管網水力計算分析

3.４.1" 管路參數

水泵吸水管管口標高為 -956.5 m，排水管管口標高為-916 m，凈揚程為40.5 m。

3.４.2" 水泵參數

A－B的排水管網由泵房內配置3臺額定流量為280 m3/h的多級離心泵，引出2根273 mm×10 mm排水管（1備1用）。水泵出口設置1個DN200速閉止回閥，具體工況性能參數見表1。

3.４.3" 輸水管路參數

排水管采用273 mm×10 mm的無縫鋼管。正常涌水時，1臺泵對1根排水管；最大涌水時，2臺泵共用2根排水管。單根主排水管長約4.2 km，水錘波速估值為1 187 m/s[5]。

3.４.４" 水錘計算結果

假定水泵因停電或故障停機，該工況下的水錘計算結果見圖7～圖10。

3.４.５" 計算結果分析

1）當水泵因停電或故障停機后，系統中的最大水錘壓力為149.5 m，發生在泵后止回閥出口處，升壓4 m，升壓倍數1.008倍。2）系統中的最大負壓值為-0.034 MPa。3）泵后止回閥在停泵后1.2 s關閉。由于止回閥快速關閉，水泵機組不會出現反轉。綜上，可以判斷采用此方案進行防護能達到較好的防護效果。

3.5" 實施

該系統采用冗余設置，泵房周邊配備了水錘緩沖裝置，泵房內設有速閉式止回閥和安全閥。這些裝置可保證水泵反轉轉速滿足電機要求，有效保護泵房內的各類設備。水錘緩沖裝置能夠吸收并儲存大量的水錘動能。為了防止停泵時管道中水流迅速回落導致水泵機組反轉，采用速閉式止回閥迅速截斷水流，避免其對水泵造成破壞。為了減輕水錘對排水系統管線的沖擊，采用安全閥釋放多余動能，將其泄壓至吸水井中。

在泵房外管網系統中，配置了復合式空氣閥、檢修閥、泄水閥以及彎管支座等關鍵組件。具體而言，復合式空氣閥被安裝在管路的膝部及經過模擬計算確定的位置，其作用是適時引入空氣，以消除因管內斷流而形成的真空腔，并防止由此引發的水柱相撞，彌合一次或多次水錘，同時在必要時排出管路中部分位置的多余空氣。檢修閥和泄水閥則設置于管路的部分區段，確保能夠及時排空管路內的水分，為后續的檢修工作或系統的再次啟動創造有利條件。此外，所有傾斜向上或垂直向上的管路拐點處均設置了彎管支座，這些支座不僅起到了支撐管路的作用，還有效抵抗了水流的沖擊。

4" "結語

在井下礦山擴建期間，排水系統的改造工作尤為關鍵，特別是對于生產歷史長、規劃不全面的礦山而言，改造方案的合理性至關重要。本文詳細分析了某金屬礦山Ⅰ礦區新建排水系統及Ⅱ礦區現有排水系統的改造方案，提出了針對性的解決措施。研究表明，排水系統改造需兼顧經濟性與安全性，特別是對于Ⅰ礦區復雜路徑的排水管網，通過設置水錘緩沖裝置、復合式空氣閥等技術措施，有效應對了水錘威脅，保護了泵房設備。Ⅱ礦區則通過接力排水方案，提升了排水能力，滿足了擴建需求。通過水力計算與分析，驗證了本文改造方案的可行性與有效性，在保證施工質量的前提下，該方案可以保障礦山擴建期間的生產安全，為礦山持續發展提供有力支撐。

參考文獻

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