四會石膏礦一號井排水設施的安全可靠性分析

詹詩飛,賴國權

(1.華東冶金地質勘查局屯溪地質調查所, 安徽黃山市 245000;2.廣東省四會市四會石膏礦,廣東四會市 526200)

四會石膏礦一號井排水設施的安全可靠性分析

詹詩飛1,賴國權2

(1.華東冶金地質勘查局屯溪地質調查所, 安徽黃山市 245000;2.廣東省四會市四會石膏礦,廣東四會市 526200)

四會石膏礦一號井因受相鄰的青岐石膏礦水患影響而停采,同時又影響二號井正常開采,通過對一號井的排水設施安全可靠性分析,調整部分排水設施,確保了一號井及二號井的開采安全。

排水設施;安全可靠性;排水能力

0 前 言

四會石膏礦一號礦井是單一水平開采的礦井,豎井與斜井聯(lián)合開拓,主豎井是提升井,副斜井是回風井。主副井筒分別在-100.40,-100.8 m水平落平開拓主運輸、總回風大巷。井下采空區(qū)涌水由大巷水溝匯集到井底水倉,采用集中一級排水方式排水。

在礦井西北向采區(qū)有巷道及采空區(qū)與鄰近的青岐石膏礦相通,青岐石膏礦從1999年起將采空區(qū)涌水通過兩礦相通的巷道和采空區(qū)向四會礦一號井排放。2005年12月青岐石膏礦閉礦停止抽水,其采空區(qū)160 m3/h的涌水流向四會礦一號井由四會礦抽排,因此四會石膏礦一號井排水設施的安全性受到各方的關注。

1 礦區(qū)水文地質條件及涌水量

1.1 地下水類型

礦區(qū)位于三水盆地西北緣,根據(jù)地下水的賦存介質,將礦區(qū)地下水劃分為松散巖類孔隙水和紅層裂隙水。由于砂礫層含粘粒數(shù)量不同,其滲透性和富水性存在較大差異,礦區(qū)西北部砂礫層厚度大,粘粒數(shù)量較少,滲透性好,富水性相對豐富。礦區(qū)水文地質條件復雜。

1.2 井下水的來源

四會石膏礦主采20號和17號兩個膏組,采用留規(guī)則礦柱全面采礦法和留連續(xù)礦柱房柱采礦法開采。采空區(qū)冒落造成地表整體下沉,在下沉過程中產(chǎn)生地裂縫,地下水往下滲透到采空區(qū)進入井下。地下水的補給與地面農(nóng)田建設有著較大的關系,其次與大氣降雨時間和降雨量有關。據(jù)多年監(jiān)測記錄,井下最大涌水量是正常涌水量的1.23倍。

1.3 井下涌水情況及涌水量

一號礦井井下有3股水流向井底水倉匯集,第1股是北大巷及西北大巷各處上山采空區(qū)的滲涌水在北大巷水溝流出,分別由東四回風下山和探六回風下山進入3號水倉,涌水量為132 m3/h;第2股水流是一平至西(北)大巷末段幾個上山采空區(qū)的滲涌水,從南巷口流入2號水倉,在1,2號水泵房抽水,涌水量為147 m3/h;第3股水流是青岐礦2005年12月29日停止排水后,其井下水通過兩礦相連通的巷道和采空區(qū),流入四會礦的七平到二平的采空區(qū),從南巷口進入2號水倉,在1,2號水泵房抽水,涌水量為160 m3/h。

3股水流的合計正常涌水量是439 m3/h,最大涌水量是540.0 m3/h(含青岐礦停止排水流入的最大涌水量196.8 m3/h)。

2 一號井的井下排水設施

一號井共有3個水泵房和3個水倉,其中1號水倉容積為1000 m3,2號水倉的容積為4300 m3,3號水倉容積為36000m3。大水倉儲水可以利用零時班用電低峰期進行抽水,節(jié)約抽水費用,同時可以作為應急水倉用。

3個水倉設置3個水泵房,其中1號水泵房安裝第1組2臺150D30×5水泵配1趟6英寸排水管,排水管鋪設在豎井井筒;2號水泵房安裝第2,3, 4組6臺200D43×3水泵,配3趟8英寸排水管,其中1趟鋪設在豎井井筒,另2趟鋪設在斜井井筒;3號水泵房安裝第5組2臺200D43×3水泵,配1趟8英寸排水管,鋪設在斜井井筒。

為改善水泵的吸水性能,工程技術人員通過技術改造,在每一組的2臺水泵的吸水處設置1個略高于水泵裝滿水的密閉式吸水箱,并在水箱面上安裝1條設有底閥的吸水管伸到吸水井。只要水箱有一定的儲水,可隨時啟動水泵,這樣排水泵的操作簡單,且安全、快捷、可靠。每一組水泵的2臺水泵都能獨立排水。各型水泵的性能見表1。

表1 水泵的性能參數(shù)

3 10臺泵聯(lián)合運轉的排水設施

2006年3月,安監(jiān)部門組織專家組對四會礦一號井排水設施進行了評審,專家們充分肯定了一號礦井排水設施的設計規(guī)劃、安裝施工和防范措施基本合理,同時對井下排水設施提出兩點要求。一是把1號泵房和2號泵房經(jīng)豎井鋪設的排水管道在井底聯(lián)通以解決1號泵房備用管道的問題,把2號泵房和3號泵房經(jīng)回風斜井鋪設的3趟排水管道在斜井底聯(lián)通,觖決3號泵房的備用管道的問題;二是井下10臺水泵聯(lián)合運轉全面提高排水設施的應急能力。

為了解決10臺水泵聯(lián)合運轉的問題,四會礦工程技術人員進行了方案研究,并制訂各工程的施工方案。

3.1 重新安裝水泵

井下每一組的2臺水泵型號相同,轉速相同,流量相同。要實現(xiàn)水泵聯(lián)合運轉,需重新調整每組水泵安裝位置及出水管的夾角,以滿足聯(lián)合運轉抽水的要求。

(1)排水管聯(lián)通。在2趟水管之間以30°夾角用2條等徑的水管聯(lián)接,中間加裝1個控制閘閥,便可實現(xiàn)管路并聯(lián)聯(lián)通。

(2)斜井底排水管聯(lián)通。在斜井底變坡點前面的每條排水管分別裝上1個閘閥,在每2條排水管之間加裝2條帶閘閥的8英寸水管。當管Ⅴ前方發(fā)生穿孔需改用管Ⅳ或管Ⅲ進行抽水時,將管Ⅴ前方的閘閥關閉,打開管Ⅴ與管Ⅳ之間的閘閥,水由管V經(jīng)閘閥進入管Ⅳ,由管Ⅳ進行抽水;或打開管V、管Ⅳ和管Ⅲ之間的閘閥,水由管Ⅴ經(jīng)閘閥進入管Ⅲ進行抽水,解決3號水泵的備用水管問題。同理,當管Ⅲ或管Ⅳ前方發(fā)生穿孔需改用管Ⅴ抽水時,關閉管Ⅲ或管Ⅳ前方閘閥,打開兩管之間連通閘閥,改用相鄰排水管抽水,解決2號水倉決備用水管的問題。

(3)豎井排水管并聯(lián)。在1號水倉水泵出水管出口加接2條8英寸水管至井底車場與另一排水管聯(lián)通,并加裝閘閥。平常關態(tài)下閘閥是關閉的,當水管Ⅰ前方發(fā)生滲漏而又需抽水時,關閉管Ⅰ前方閘閥,打開連通管的閘閥,水由管Ⅰ進入管Ⅱ,可解決1號水倉的備用水管問題。同理,管Ⅱ前方發(fā)生水管漏水需用管Ⅰ抽水時,關閉管Ⅱ前方閘閥,打開連通閘閥,水由管Ⅱ進入管Ⅰ,用管Ⅰ進行抽水。

3.2 聯(lián)合運轉流量驗算

水泵并聯(lián)運轉抽水時的流量驗算,與單臺基本相同,只不過并聯(lián)時,流量增大,流速相應增大,水與管壁的摩擦阻力增加,總的揚程損失增大。

2臺水泵并聯(lián)運轉抽水的同時,為了解決水泵的備用水管問題,在每1趟水管各多裝1個閘閥,計算揚程損失時,需加上閘閥的阻力折算長度。各組排水管的計算參數(shù)見表2。

表2 各組排水管的計算參數(shù)

另外,每1趟水管均安裝有1個逆止閥和2個閘閥。下面以第1組水泵為例進行流量驗算。

多級水泵150D30×5配電機115 k W,安裝在1號水泵房,水管架設在豎井內,泵房地面標高-100.225 m,水倉吸井底標高-104.2 m,井口標高+15.5 m,出水口標高+17.0 m,實際排水高度H實＝121.2 m,并聯(lián)運轉時每臺水泵的流量估計為單臺水泵單獨抽水時的82%,初估排水流量為148 m3/h。吸水、排水和出水管直徑d吸＝0.15 m。水在管道中的流速V排＝4.66 m/s,水與管道摩擦的阻力系數(shù)為:

(1)單臺水泵吸水管揚程損失。管長7.80 m,吸水高度4.00 m,加上1個底閥和2個90°彎頭,折合直線長度L計＝53.00 m。

(2)單臺水泵排水管揚程損失。管長140 m,加上2個閘閥,3個彎頭,折合直線長度L計＝146 m。

(3)單臺水泵出水管揚程損失。管長15.00 m,1個彎頭,折合直線長度L計＝16.1 m。

單臺水泵總揚程:

3.3 水泵排水流量、軸功率與效率驗算

參照水泵工作特性曲線,揚程在156.47 m處的流量Q＝41 L/S＝147.6 m3/h,是最大流量的82%,與初估148 m3/h接近,考慮不明流量損失,并聯(lián)抽水時每臺泵的流量定為145 m3/h,2臺泵的總流量為290 m3/h。

單臺水泵流量Q＝41 L/s,其軸功率P＝81.5 k W,效率η＝77%。

10臺水泵并聯(lián)聯(lián)合運轉抽水時,各組水泵的排水能力及總的排水能力見表3。

表3 10臺水泵聯(lián)合運轉的水泵性能

3.4 排水能力實測

為進一步確定每組水泵的排水能力,對每組水泵分別進行單臺運轉抽水和2臺并聯(lián)運轉抽水的流量測量,其結果見表4。

表4 水泵流量實測結果

從表4實測數(shù)據(jù)來看,無論單臺抽水還是并聯(lián)抽水,實測流量都大于理論計算值,說明以上計算值是可靠的。

3.5 一號井的排水能力

(1)特殊情況下10臺水泵同時抽水的排水能力是1570 m3/h,每天所需抽水時間是:

正常涌水時,439×24÷1570＝6.7(h/d);最大涌水時,540.0×24÷1570＝8.3(h/d)。

(2)5臺泵同時工作(另5臺備用)的排水量是1130 m3/h,每天抽水所需時間:

正常涌水時,439×24÷1130＝9.3(h/d);最大涌水時,540.0×24÷1130＝11.5(h/d)。

(3)正常情況下,啟動3臺水泵的排水能力。

啟動第2～4組的其中2臺和第5組的1臺泵排水能力是710 m3/h,每天排水時間:

正常涌水時,439×24÷710＝14.8(h/d);最大涌水時,540.0×24÷710＝18.3(h/d)。

啟動第1組的1臺、第2～4組的1臺、第5組的1臺泵,此時排水能力是650 m3/h,每天排水時間:

正常涌水時,439×24÷650＝16.2(h/d);最大涌水時,540.0×24÷650＝19.9(h/d)。

最大涌水情況下,啟動任何3趟排水管中的3臺抽水泵抽水,都能在20 h內排完井下涌水,完全符合《金屬非金屬地下礦山安全規(guī)程》井下排水設施的規(guī)定。四會石膏礦一號井的排水設施是安全的。目前四會礦一號井均利用用電低峰時段進行抽水,有效地降低抽水成本。

4 供 電

4.1 掘進井底2號中央變電所

井下10臺水泵聯(lián)合運轉的用電負荷為1470 k W,超出原有的負荷能力,需對全礦供配電系統(tǒng)進行升級改造,增加供配電設施,一是保證10臺水泵同時運轉抽水及二號井生產(chǎn)的供電能力;二是保證5臺水泵同時抽水及一、二號井同時生產(chǎn)的供電能力。

為此,在井底車場附近新掘進一個2號中央變電所,其變電房長18.6 m,配電房長43.6 m,采用錨噴支護。

4.2 變配電調整

為適應用電負荷的需要,新購買了一批變壓器及高低壓開關柜等變配電設施,以便對供配電系統(tǒng)進行調整。

4.2.1 變壓器調整

將新購買的S9-2000 0.4V/6 k V變壓器替代現(xiàn)運行的S9-1000 0.4/6 k V變壓器向一號井井底供電。將現(xiàn)山頂電站供一號井井底的S9-1000 0.4/6 k V變壓器改為向二號井供電。

將現(xiàn)一號井1號中央變電所的S7-630 6/0.4 k V變壓器調整到2號中央變電所向2號水泵房供電。

將山頂電站現(xiàn)向二號井供電的S7-630 0.4/6 k V變壓器放到一號井2號中央變電所向2號水泵房供電。

現(xiàn)1號中央變電所的KSJ-315 6/0.4 k V變壓器保留,新購KSJ-315 6/0.4 k V變壓器放于1號中央變電所,向井底車場動力及主風機供電。

3號水泵房的S9-400 6/0.4 k V變壓器不變動,向3號水泵房供電。

調整后的變壓器數(shù)量和安放地點見表5。

從表5看出,通過增加2臺變壓器,滿足了井下10臺水泵聯(lián)合運轉的用電負荷和井底動力的需要。

表5 一號井調整后的變壓器

4.2.2 開關柜調整

1號中央變電所內保留3臺高壓開關柜,其中1臺受電、1臺饋電,1臺作為與2號中央變電所之間的聯(lián)絡柜。

新購買的6臺XGN型高壓開關柜安裝在2號中央變電所。其中1臺受電、3臺饋電、1臺備用、1臺作為與2號中變電所與1號中央變電所之間的聯(lián)絡柜。

購買的5臺低壓開關柜與現(xiàn)使用的8臺低壓開關柜分別擔負1,2,3號水泵房、井底車場動力和照明的受、饋電。

4.2.3 下井高壓電纜調遣

從山頂電站架設1條YJV42-6000-3×50高壓電纜到井底2號中央變電所。將原來從山頂電站到井底的2條YJV2-6000-3×50高壓電纜并聯(lián)到1號中央變電所作為備用電纜。

5 結 論

據(jù)監(jiān)測,四會石膏礦一號井正常涌水量為439 m3/h,最大涌水量為540 m3/h,井下已安裝的5組10臺水泵,能同時抽水,5臺水泵同時運行的排水能力是1130 m3/h,9.3 h排完正常涌水量,11.5 h排完最大涌水量;10臺水泵同時啟動聯(lián)合抽水的排水能力是1570 m3/h;啟動任何3趟排水管中的3臺抽水泵抽水,都能在20 h內排完最大涌水量。青岐石膏礦和四會石膏礦一號井均已停止開采,井下采空區(qū)不再受到開采擾動的影響,井下涌水將保持穩(wěn)定甚至逐步減少,不會出現(xiàn)突然增大的情況。因此,一號井的排水設施是安全的。

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2012-04-17)

詹詩飛(1969-),男,安徽太湖人,地質工程師,從事地質勘探開采工作,Email:zsfbhw@163.com。