礦井主排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造

王建理

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.19.054

摘 要：礦井企業(yè)要降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，就應(yīng)該對(duì)礦井主排水系統(tǒng)進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造。應(yīng)該通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造，保障礦井主排水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，同時(shí)不斷地降低礦井主排水系統(tǒng)的能耗。該文針對(duì)礦井主排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造提出了一些具體措施，供相關(guān)人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞：礦井主排水系統(tǒng) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 改造

中圖分類(lèi)號(hào)：TD744 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）07（a）-0054-02

2007年我國(guó)制定了《礦山固定設(shè)備選型使用手冊(cè)》，大部分礦井都是以該手冊(cè)為基礎(chǔ)，對(duì)礦井主排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在近10年的運(yùn)行實(shí)踐過(guò)程中，針對(duì)礦井主排水系統(tǒng)暴露出的一些問(wèn)題，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改造，不斷地提高礦井主排水系統(tǒng)的可靠性、環(huán)保性，提高礦井主排水系統(tǒng)的技術(shù)含量，獲得更好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

1 改造和優(yōu)化泵房

1.1 泵房底板問(wèn)題

當(dāng)前絕大部分礦井都通過(guò)沖水的形式來(lái)打掃泵房，因此在對(duì)泵房地面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了使水流能夠流向吸水小井，避免泵房積水，應(yīng)該使泵房地面具有一定的坡度[1]。

1.2 泵房斷面問(wèn)題

如果設(shè)計(jì)較大的泵房斷面有利于日常維修、擴(kuò)容改造、泵房斷面拆除和安裝，但是具有較大的工作量。而且如果井深地壓較大，還可能加速變形。因此礦井在對(duì)泵房的高度、寬度和長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)盡量選取較大的數(shù)值。

1.3 泵房通風(fēng)問(wèn)題

在礦井直接排水系統(tǒng)中，一般在井筒附近設(shè)置泵房。井筒附近具有較好的通風(fēng)條件，如果需要聯(lián)合運(yùn)行多臺(tái)泵，則應(yīng)該設(shè)置臨時(shí)的通風(fēng)設(shè)備。在分段排水系統(tǒng)中，沒(méi)有在副井附近設(shè)置當(dāng)下水平泵房。當(dāng)下水平泵房必須具有良好的通風(fēng)條件，而且其通風(fēng)往往不及上水平泵房。

2 對(duì)礦井主排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造

2.1 選擇主排水泵

在礦井主排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，離心水泵的應(yīng)用越來(lái)越普遍。這是由于離心水泵便于維護(hù)，具有較低的設(shè)備投資和較高的運(yùn)行效率，因此隔爆型電動(dòng)機(jī)組和臥式離心泵的基礎(chǔ)模式在很多礦井主排水泵房中得到了應(yīng)用。井下各局供排水場(chǎng)所可以選擇風(fēng)動(dòng)潛水泵，或者小流量低揚(yáng)程防爆潛水電泵，這兩種排水泵運(yùn)行方式相對(duì)靈活，而且安裝比較簡(jiǎn)單。

離心水泵包括泵架、泵軸、葉輪、泵殼，這種抽水機(jī)械主要是對(duì)水的離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)行利用。當(dāng)葉輪淹沒(méi)于水中時(shí)，離心水泵的內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)真空，從而能夠進(jìn)行排水。因此要使離心水泵能夠正常工作，在啟動(dòng)前就應(yīng)該注滿水。啟動(dòng)之后泵中的水在葉輪的帶動(dòng)下開(kāi)始高速旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)離心運(yùn)動(dòng)，然后被甩出和壓入水管。水的甩出減小了葉輪附近的壓強(qiáng)，從而形成了一個(gè)低壓區(qū)，避免外部的水進(jìn)入泵內(nèi)。這樣一來(lái)隨著離心水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)，低處的水就不斷地被抽到高處。要保障礦井主排水系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，就必須保障注水環(huán)節(jié)的可靠性。大氣壓決定了離心式水泵的吸水揚(yáng)程，也就是其抽水高度，在離心式水的吸水揚(yáng)程中，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓能夠?qū)?0 m高的水柱進(jìn)行支持，通過(guò)大氣壓將水壓進(jìn)低壓區(qū)，因此10 m是離心式水泵的吸水揚(yáng)程理論極限值，一般情況下實(shí)際的吸水揚(yáng)程難以達(dá)到理論極限值，這主要是由于離心水泵汽蝕的存在[2]。氣蝕屬于液體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，能夠腐蝕金屬。在離心水泵中出現(xiàn)氣蝕會(huì)造成金屬表面的麻點(diǎn)、穿孔甚至剝落，直至整個(gè)壁面被穿空。因此在離心水泵的吸程中要對(duì)氣蝕的余量進(jìn)行預(yù)留，也就是從最大吸水高度中減去吸水管路的沿程阻力損失和氣蝕余量，將離心泵的吸水高度得出來(lái)。事實(shí)上離心泵的制造廠商會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)將實(shí)際允許吸上真空高度的Hs值確定下來(lái)，并提供給用戶，一般情況下為4～6 m。

2.2 設(shè)計(jì)水倉(cāng)的容量和長(zhǎng)度

一般情況下水倉(cāng)內(nèi)的流速不超過(guò)0.005 m/s，最長(zhǎng)停留時(shí)間為6 h，水倉(cāng)的最小長(zhǎng)寬為110 m。如果就較小的礦井涌水量，可以適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)水泵的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)提高水倉(cāng)的有效容量，從而達(dá)到避峰填谷的目的。

應(yīng)該對(duì)當(dāng)前的水槽設(shè)施進(jìn)行一定的改造。在建設(shè)初期底板一般略低于道木，便于底板積煤和人員行走，如果礦井的清倉(cāng)較少，那么往往會(huì)鋪設(shè)臨時(shí)道。在正常生產(chǎn)的過(guò)程中，如果需要清理和探查水倉(cāng)，則應(yīng)該在巷頂或巷幫上預(yù)留照明掛鉤和風(fēng)筒掛鉤。在改造時(shí)還應(yīng)該對(duì)清倉(cāng)設(shè)備的安裝預(yù)留設(shè)施進(jìn)行考慮。例如：如果進(jìn)行水力清倉(cāng)，就應(yīng)該對(duì)管路托梁進(jìn)行預(yù)留。應(yīng)該將沉淀池設(shè)置在水倉(cāng)的入口處，并且牢固地澆筑水倉(cāng)，避免其漏水。

2.3 選擇和安裝排水管

如果排水管路需要對(duì)一定的流量進(jìn)行排送，那么為了減少揚(yáng)塵損失，降低能耗，就應(yīng)該適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大管徑，但是這也會(huì)增加基建投資。而且在水泵運(yùn)行的過(guò)程中管徑過(guò)大，可能會(huì)造成電機(jī)過(guò)載的問(wèn)題。但是如果管徑過(guò)小，盡管可以減小基建投資，但是卻會(huì)造成主排水系統(tǒng)的能耗過(guò)高，而且具有較大的揚(yáng)程損失。管徑較小的水管很容易結(jié)垢，一旦排水管結(jié)構(gòu)，會(huì)進(jìn)一步加大揚(yáng)程損失[3]。

排水管的經(jīng)濟(jì)流速一般為1.5～2.2 m/s，管內(nèi)流速不得低于0.8 m/s，否則排水管內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的掛污。吸水管的流速一般為0.8～1.5 m/s，但是還要對(duì)災(zāi)害排水和正常排水這兩種情況進(jìn)行分別考慮，制定排水管的流速上限。如果管路直徑為150 mm，最大流不得超過(guò)2.45 m/h，最大流量不得超過(guò)154.8 m3/h；如果管路直徑為175 mm，最大流不得超過(guò)2.49 m/h，最大流量不得超過(guò)216 m3/h；如果管路直徑為200 mm，最大流不得超過(guò)2.69 m/h，最大流量不得超過(guò)299.88 m3/h；如果管路直徑為250 mm，最大流不得超過(guò)2.72 m3/h，最大流量不得超過(guò)479.88 m3/h；如果管路直徑為300 mm，最大流不得超過(guò)2.71 m/h，最大流量不得超過(guò)691.2 m3/h。還要考慮到排水管的壁厚，盡量選擇較大的附加厚度進(jìn)行計(jì)算。

排水管路的安裝可以分為兩種形式：另作管路鉆孔、井筒內(nèi)安裝。井筒內(nèi)安裝的缺點(diǎn)在于容易產(chǎn)生伸縮變形，管路容易銹蝕，但是其維護(hù)量較小，安裝投資少。相反管路鉆孔需要較大的初期投資，但是能夠減小溫差變形，避免管路銹蝕，無(wú)需后期維護(hù)。當(dāng)前很多礦井開(kāi)始應(yīng)用特塑鋼編復(fù)合管、聚乙烯涂層復(fù)合鋼管，這兩種鋼管管壁不易結(jié)垢、阻力小、耐腐蝕。

要注意避免產(chǎn)生水錘，在管路流速為1.2 m/s、排水管路長(zhǎng)、排水任務(wù)重、礦井較深的排水系統(tǒng)中，很容易出現(xiàn)水錘的問(wèn)題，水錘會(huì)造成井筒排水管路的變形，同時(shí)破壞泵房?jī)?nèi)的環(huán)形管，損壞逆止閥。停泵不利和停電都可能造成水錘，應(yīng)該盡量減少?gòu)濐^的管線，牢固的固定排水管，加裝水泵多功能逆止閥，盡量實(shí)現(xiàn)合理供電，減少電氣故障的發(fā)生。為了實(shí)現(xiàn)變頻控制，還可以使用瀉壓溢流裝置[4]。

2.4 設(shè)計(jì)和改造注水方式

只有當(dāng)離心水泵的泵腔中都注滿水時(shí)，才能對(duì)離心水泵進(jìn)行啟動(dòng)。當(dāng)前主要有兩種離心水泵沖水的方法，分別為射流泵抽真空和真空泵抽真空，礦井也可以根據(jù)自身的考慮將兩者互為備用。

射流泵抽真空的動(dòng)力源是壓縮空氣或壓力水源，是一種純機(jī)械裝置，這種充水方式具有較低的能耗，但是具有相當(dāng)復(fù)雜的管路閘閥系統(tǒng)，而且每次啟動(dòng)都需要使用壓縮空氣或壓力水源，具有比較復(fù)雜的自動(dòng)化控制，需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行啟動(dòng)，而且很容易出現(xiàn)管路系統(tǒng)漏氣的問(wèn)題。

真空泵抽真空方式的抽真空系統(tǒng)，主要包括真空表、電磁閥、管路、真空泵，但是這種方式同樣具有自動(dòng)化控制復(fù)雜、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、管路閘閥系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)，且需要配置真空泵，要占用較大的泵房硐室空間，而且也容易出現(xiàn)管路系統(tǒng)的漏氣。

要啟動(dòng)水泵，必須對(duì)啟動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精確的計(jì)算。如果使用人工計(jì)算具有較大的工作強(qiáng)度，而且操作過(guò)程相當(dāng)繁瑣，錯(cuò)誤率較高，很容易出現(xiàn)多泵磨損不均的問(wèn)題。因此在對(duì)礦井主排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以在水泵房設(shè)備中運(yùn)行集中控制器，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)視，能夠?qū)﹂l閥的開(kāi)關(guān)及開(kāi)度和水泵的啟停進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制，而且具有自動(dòng)診斷功能。經(jīng)過(guò)改造之后的礦井主排水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)集中管理和優(yōu)化管理，安全效益和經(jīng)濟(jì)效益都得到了明顯的提高。而且老礦井排水系統(tǒng)存在的漏水問(wèn)題得到了妥善解決，避免了水淹大巷的情況出現(xiàn)，保障了礦井的正常提升和生產(chǎn)，具有良好的效益。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦井主排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造，能夠進(jìn)一步提高礦井主排水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，使礦井主排水系統(tǒng)更加完善，對(duì)原有的泵房、水倉(cāng)等進(jìn)行進(jìn)一步的改造。與此同時(shí)，礦井主排水系統(tǒng)中還應(yīng)該對(duì)照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電纜吊掛進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。

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