礦井排水設(shè)備的選型計算

趙建群

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西小回溝煤業(yè)有限公司，山西 清徐 030400）

礦井排水設(shè)備的選型計算

趙建群1，2

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西小回溝煤業(yè)有限公司，山西 清徐 030400）

介紹了礦井排水設(shè)備的選型，結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦設(shè)計規(guī)范》的各項規(guī)定，參照《礦山固定機械手冊》和《流體機械》所推薦的選型計算過程，通過精確計算，最后確定排水設(shè)備選擇D450--60×11型水泵。

礦井；排水；選型；計算

1 概述

礦井建設(shè)和生產(chǎn)中，會有各種來源的水涌入礦井，科學(xué)合理地將礦井的涌水排出，特別是防止突然涌水的襲擊，對保證礦井生產(chǎn)具有重要意義。礦井排水設(shè)備，不僅要排除各個時期涌入礦井的水，而且在遇到涌水襲擊，有可能淹沒礦井的情況下還要搶險排水。排水設(shè)備始終伴隨礦井建設(shè)和生產(chǎn)而工作，直到礦井壽命終止。因此，排水設(shè)備是礦井建設(shè)和生產(chǎn)中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。為使排水設(shè)備能在安全、可靠、經(jīng)濟的狀態(tài)下工作，必須選擇好排水設(shè)備。

2 排水設(shè)備選型計算

2.1 排水設(shè)備選型計算條件

井深585 m，正常涌水量：qz=820 m3/h，正常涌水期290 d，最大涌水量：qmax=1700 m3/h，最大涌水持續(xù)時間75 d，礦水中性，密度：1.04T/m3，礦井供電電壓6000 V，礦井主排水設(shè)備泵房在井底車場附近，礦井年產(chǎn)量300萬t。

2.2 工作水泵必須的排水能力

根據(jù)有關(guān)規(guī)定，要求投入工作的水泵排水能力應(yīng)在20 h內(nèi)排完24 h的正常涌水量，即QB≥24/20×qz=984m3/h。并且要求工作水泵與備用水泵的總能力能在20h內(nèi)排完24h的最大涌水量，即

式中:QB為工作水泵必須的排水能力，m3/h；Qmax為工作與備用水泵必須的排水能力，m3/h。

2.3 工作水泵的揚程

按估算公式計算水泵的揚程:

式中:HC為井深+井底車場與最低吸水面標高差+排水管出口高出井口的高度=585+4+1=590 m；α為干管傾斜敷設(shè)時的傾角，豎井α=90°。

2.4 排水設(shè)備的選擇

根據(jù)上述條件及相關(guān)計算值，經(jīng)分析后，選用D450--60型多級離心泵。

2.4.1 泵的級數(shù)和臺數(shù)的確定

D450--60型多級離心泵的額定流量Qe=450 m3/h，單級額定揚程Hci=60m。

1）水泵臺數(shù)的確定：比較 QB、Qmax、Qe知：n1+n2≥Qmax/Qe=2040/450=4.53≈5。n1≥QB/Qe=984/450≈2。n2≥0.7n1。選取工作水泵臺數(shù)n1=2，備用水泵臺數(shù)n2=3。此外，取檢修水泵臺數(shù)n3=1，共計6臺水泵。

2）泵級數(shù)的確定：由水泵特性曲線查得：Q=984/2=492 m3/h時的揚程Hi=60 m，則所需泵的級數(shù) I=HB/Hi=（649～660.8）/60=10.81～11.01；故級數(shù)取11。

3）校驗泵的穩(wěn)定性：水泵特性曲線查得：Q=0時泵相應(yīng)的揚程H0=70×11=770 m，又770×0.9=693 m，該值大于HC=590m，滿足穩(wěn)定條件0.9H0≥HC。

2.4.2 管路及管路布置

《規(guī)程》規(guī)定：主要排水必須要有工作和備用水管，工作水管的能力要配合工作水泵在20 h內(nèi)排出24 h的涌水量。工作和備用水管的總能力，應(yīng)配合工作和備用水泵在20 h內(nèi)排出礦井24 h的最大涌水量。根據(jù)各涌水期投入工作的水泵臺數(shù)，選用兩種方案：2臺水泵工作時，可用一趟管路排水，最大涌水期內(nèi)，5臺泵同時工作，兩趟管路同時排水。

1）計算管徑，選擇管材。（1）取經(jīng)濟流速Vp=2 m/s，則排水管內(nèi)徑 dp=[4Q/(3600πVp)]1/2=[4×984/（3600π×2）]1/2=0.417 m。查標準，取外徑Dp=426 mm的無縫鋼管，取壁厚18 mm試算，此時dp=426-2×18=390 mm，所需壁厚：δ=0.5dp{[σz+0.4×0.11Hp/（σz-1.3×0.11Hp）]1/2-1}+0.15=1.60cm。

式中：dp為標準管內(nèi)徑，28cm；σz為無縫鋼管許用應(yīng)力，800 kg/cm2；Hp為排水高度，590 m；δ=16 mm 小于所選標準厚度18mm，故所選管壁厚度合適。（2）吸水管直徑及管材的確定：吸水管直徑通常應(yīng)比排水管直徑大25mm，以降低礦水流速減少損失，取得較大的吸水高度，則有Dx=Dp+25=426+25=451 mm。由標準YB231--64查得，對于吸水管選用Φ459×12 mm無縫鋼管。

2）管路系統(tǒng)：見圖1，圖中只給出了一臺泵的管路布置，其余各泵管路雷同。

圖1 管路系統(tǒng)圖

3）估算管路長度：可估算為

選取排水管長度Lp=635 m，吸水管長度通常取為LX=8m。

2.4.3 計算管路特性

1）計算沿程阻力損失系數(shù)：由舍維列夫公式得：排水管λp=0.021/dp0.3=0.021/0.4170.3=0.0273。吸水管 λx=0.021/dx0.3=0.021/0.4350.3=0.0270。

2）計算局部阻力損失系數(shù)：對于吸、排水管中的局部管件分別為：排水管局部損失的當(dāng)量管長Ldp=（Σεp+1）dp/λp=（4.98+1）×0.417/0.0273=91.32m。吸水管局部損失的當(dāng)量管長 Ldx=Σεx×dx/λx=3.306×0.435/0.0270=53.26m。

表1 排水管阻力系數(shù)表

由表1可得：

Σεp=0.618+0.318+1.5+0.52+1.7+0.5=4.98。

表2 吸水管阻力系數(shù)表

由表2可得：

4）管路特性方程式：

舊管：H=590+kRTQ2=590+1.7×139×10-6Q2=590+236.3×10-6Q2。其中流量Q的單位，以L/S計算。

2.4.4 確定水泵運轉(zhuǎn)工況點

分析管路系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)在正常涌水期和最大涌水期內(nèi)，水泵的工況點均相同，即為單臺泵與一條管路特性的交點，可得相應(yīng)的工況點及工況參數(shù)：（1）新管：工況點為K'，其相應(yīng)的工況參數(shù)有：流量 Qk'=152L/S=547.2 m3/h；揚程 Hk'=53.9×11=592.9 m；效率 ηk'=68.5%。（2）舊管：工況點為 K''，其相應(yīng)的工況參數(shù)有流量Qk''=150L/S=540 m3/h；揚程Hk''=54×11=594m；效率 ηk''=70%。

2.4.5 排水設(shè)備驗算式中：HX'為實際條件下的預(yù)計允許吸水高度，m；HS為預(yù)計工況時的允許吸上真空高度，m；dx、Lx為吸水管內(nèi)徑和長度，mm；λx為吸水管沿程阻力損失系數(shù)；Σξx為吸水管線上局部阻力損失系數(shù)之和；Q為工況流量，取0.152m3/s。

經(jīng)分析，可取 Pa=9.8×104Pa，Pn'=0.235×104 Pa。又從泵的特性曲線查得Hs=5.3m，則相應(yīng)實際條件下的允許吸水高度HX'=5.25 m.此值一般可滿足要求。

2）驗算排水時間（按舊管）:正常涌水時期每天必須的排水時間：最大涌水時期每天必須的排水時間：

Tmax=24Qmax/[(n1+n2)×Qk''=15.11h。無論正常涌水時期和最大涌水時期，每晝夜的排水時間均不超過20h，符合《規(guī)程》規(guī)定。

3）驗算電機容量:根據(jù)新管對應(yīng)的工況多數(shù)可算出電機必須的容量為

式中：k 為富裕系數(shù)，當(dāng) Qk'＞3600 m3/h 時，k=1.1；ρ為礦水密度ρ=1040kg/m3；Jc為傳動效率Jc=0.98。

由上可知，水泵配套電機型號可選為YR2000-12/1730（6kV2000kW）Jd=0.9559.

2.4.6 電耗計算

1）全年耗電總量（按舊管計算）：因各水泵各時期工況完全相同，故全年耗電量

2）噸煤電耗：ET=E/A=32.9×106/（3×106）=10.98 kWh/t。

式中：A為礦井年產(chǎn)量，A=3×106t。

3）噸水百米電耗（按舊管計算）：em3=100E/（NzYzTz+NmaxRmaxTmax）Qk''Hk''=0.467 kWh. 查有關(guān)國家規(guī)定，礦用水泵的噸煤百米電耗值em3應(yīng)小于0.5 kWh，因此易知D450--60×11型水泵的百米電耗值滿足要求（0.467＜0.5）。

3 結(jié)束語

總之，參照礦山的具體數(shù)據(jù)，結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦設(shè)計規(guī)范》的各項規(guī)定，參考《礦山固定機械手冊》、《流體機械》的推薦版式精確計算，最后確定排水設(shè)備。

Model Selection and Calculation of Mine Drainage Equipment

ZHAO Jian-qun1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi,030024；2.Shanxi Xiaohuigou Coal Co.,Qingxu Shanxi030400)

The paper introduces the model selection of drainage equipments.According to all detailed provisions of Mine Safety Rules and Mine Design Code,the pump(D450-60×11)is determined as the final drainage equipment model after the accurate calculation on the formulas recommended by Mining Fixed Machinery Handbook and Fluid Machinery.

mine;drainage;model selection;calculation

TD74

A

1672-5050（2011）03-0045-03

2010-12-10

趙建群（1966—），男，吉林白山人，在讀工程碩士研究生，高級工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)管理工作。

徐樹文