堡子礦主排水泵選型設計

張少星

（山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西 陽泉 045000）

1 礦井概況

山西陽泉煤業(yè)集團翼城堡子煤業(yè)有限公司井田位于翼城縣東南40 km 西閆鎮(zhèn)堡子村、侯家坡、曹公村、西崖底村、古十銀村一帶，行政區(qū)劃屬翼城縣西閆鎮(zhèn)管轄。其地理坐標為：東經(jīng)111° 55′ 53″ ～111° 57′ 19″，北緯35°40′29″～35°42′20″。

該礦井為兼并重組整合礦井，由山西翼城堡子煤業(yè)有限公司、山西翼城侯家坡煤業(yè)有限公司（已關閉）、翼城縣廣恒煤炭開發(fā)有限責任公司（已關閉）、翼城縣古十銀煤炭開發(fā)有限公司（已關閉）等四座煤礦及新增區(qū)整合而成。根據(jù)2012 年12 月山西省國土資源廳為該礦頒發(fā)的C1400002010011220053163 號采礦許可證，批準開采2～9 號煤層，井田面積7.718 4 km2，生產(chǎn)規(guī)模為0.90 Mt/a。

陽泉煤業(yè)集團翼城堡子煤業(yè)有限公司位于翼城縣東南40 km 處，井田有翼（城）—大（河）縣級公路從井田中部東西向通過。通過該公路向北西運行30 km，可達侯（馬）—月（山）鐵路翼城火車站，同時達晉（城）—韓（城）干線公路及侯（馬）—晉（城）高速公路，交通較為便利。

井田位于沁水盆地西緣，中條隆起的北東部，地貌劃屬為侵蝕山地。地形總體南北高中部低，最高點位于井田南部邊界小沽垛梁上，標高1 346.0 m，最低點位于井田中部續(xù)魯河溝谷，標高1 037.0 m，相對高差309.0 m，屬中山區(qū)。井田屬黃河流域汾河水系，井田內(nèi)無大的地表水體，常年有水河流為續(xù)魯河，其余侯家溝河、堡子河、十河為季節(jié)性支流。續(xù)魯河經(jīng)西閆往西經(jīng)絳縣注入澮河，澮河往南西至新絳縣匯入汾河，汾河往南西至河津匯入黃河。續(xù)魯河屬常年性河流，其余各溝谷除了雨季洪水期水量大外，一般水量很小，甚至斷流，屬季節(jié)性溪流。井田續(xù)魯河最高洪水位標高+1075 m。

井田屬半干旱大陸性氣候，四季分明，晝夜溫差較大，蒸發(fā)量大于降水量，冬春干旱、多風、少雨（雪），夏秋雨水較多，降雨多集中在七、八、九三個月。

據(jù)翼城縣氣象站近十年的觀測資料，平均年氣溫9～12 ℃， 最高氣溫可達38 ℃，最低氣溫 -24 ℃；年平均降水量為382.3 mm，年最小降水量為323.5 mm，年最大降水量為470.9 mm；年平均蒸發(fā)量1 930.44 m，蒸發(fā)量約為降水量的5 倍；結冰期為11月至翌年3 月，最大凍土深度為86 cm；夏秋季多東南風，冬春季多西北風，最大風速達18 m/s。

2 礦井排水系統(tǒng)概況

該礦供水水源從以下兩個方面考慮。

（1）根據(jù)現(xiàn)有水文地質資料，前期礦井工業(yè)場地日用消防用水取自中奧陶統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r含水層，設2 座水源井，單井出水量30 m3/h。礦井投產(chǎn)后實際井下排水量如達到或超過預計排水量時，可增加井下水處理站處理規(guī)模，增加部分井下排水進行深度處理達到生活飲用水水質標準，用于礦井日用消防系統(tǒng)，以節(jié)約地下水資源。

（2）礦井井下排水。堡子礦生產(chǎn)能力為90萬t/a，參考2016 年6 月水文地質報告，重新預測2 號煤生產(chǎn)能力達到90 萬t/a 時，正常涌水量為196 m3/h，最大涌水量為215 m3/h。由于原礦井初設井下水處理站處理規(guī)模為150 m3/h，不能滿足本設計需要，兼顧考慮本礦井9 號煤開采時涌水量，故需增設兩臺處理規(guī)模為200 m3/h 的井下水處理設備，總處理能力為550 m3/h。將井下排水全部處理，達到《井下消防、灑水水質標準》要求，作為井下消防灑水用水及地面生產(chǎn)補水，多余部分深度處理達到地表Ⅲ類水質標準后外排。

堡子礦2 號煤層開采受頂板K8 砂巖水和底板奧灰水的一定影響，針對頂板K8 砂巖水和底板奧灰水的探查和治理，防治水工作較復雜，因此，2號煤層礦井水文地質類型為復雜型。

本次設計堡子礦產(chǎn)能為90 萬t/a，參考2016 年6 月水文地質報告，重新預測2 號煤生產(chǎn)能力達到90 萬t/a 時，正常涌水量為（90/76）×165=196 m3/h，最大涌水量為（90/76）×181=215 m3/h。

礦井后期開采9 號煤層時，9 號煤層正常涌水量為345 m3/h，最大涌水量483 m3/h。

該礦排水系統(tǒng)：2 號煤回采工作面、進、回風順槽（小水泵）→2 號煤二采區(qū)運輸巷（水溝）→2 號煤西運輸大巷（水溝）→2號煤西運輸斜巷（水溝）→二采區(qū)水倉（采區(qū)水泵）→井底主要水倉（主排水泵）→副斜井（排水管）→地面。

3 主排水泵選型設計

3.1 設計依據(jù)

（1）正常涌水量：Qr=196 m3/h；（2）最大涌水量：Qmax=215 m3/h；（3）排水高度：Hh=159 m；（4）排水長度：Hh=1000 m。

3.2 水泵必須的排水能力

（1）水泵必須的排水量：按正常涌水量確定排水設備必需的排水能力Q1=24Qr/20=235.2 m3/h。

（2）水泵必須的揚程：H1=K(Hh+5.5)= 197.4 m（K為揚程損失，取K=1.2）。

3.3 排水管與吸水管實際流速

式中：Q為流量，取242.31 m3/h；dg為排水管內(nèi)徑，排水管為194×7，內(nèi)徑為180 mm；ds為吸水管內(nèi)徑，吸水管為219×6，內(nèi)徑為207 mm。

3.4 管路揚程損失

式中：Lj為管路計算長度，取值為1300 m；λ為水與管壁摩擦的阻力系數(shù)，取值為 0.028 4；υd為排水管中水流速度，取值為2.65 m/s；υs為吸水管中水流速度，取值為2.0 m/s。

3.5 水泵吸水高度Hs 計算

式中：Pe為當?shù)卮髿鈮毫?，Pe=9.5 mH2O；H0為飽和蒸汽壓力，取H0=0.24 mH2O；NPSH為必須汽蝕余量，樣本中查得NPSH=3.9 m；Hsf為吸水管路揚程損失，Hsf=0.32 m；ρ為水密度，取ρ=1.05 t/m3。

3.6 水泵總揚程

新管：H1=Hh+Hs+Haf+Hsf=253.11 m；

舊管：H2=Hh+Hs+1.7（Haf+Hsf）=315.77 m。

3.7 排水管管壁厚度校核

排水管管壁厚度計算：

式中：Dg為標準管直徑，取值194 mm；Rk為許用應力，取值80 MPa；Pg為管路最低點壓力，取值2.5 MPa；a為考慮管路受腐蝕及管路制造誤差時的附加厚度，取值為0.2 cm。

故原排水管路選用的無縫鋼管Ф194×7 合適。

3.8 水泵工況點確定

式中：Ht為吸水面至排水口幾何高差，取值為163.6 m；H1為新管總揚程，取值為253.11 m；H2為舊管總揚程，取值為315.77 m；Xa為水泵級數(shù)，取值為9。

則網(wǎng)路特性曲線方程（ 單級） 為新管：Hd1=1 8.1 8+1.6 9 4×1 0-4Q2； 舊 管：Hd2=18.18+2.88×10-4Q2。水泵性能曲線圖如圖1。

圖1 水泵性能曲線圖

3.9 單臺水泵電機功率校核

式中：Q1為單泵新管工況點流量，取值為205.93 m；H1為單泵新管工況點揚程，取值為216.27 m；Q2為單泵舊管工況點流量，取值為187.861 m；H2為單泵舊管工況點揚程，取值為238.05 m；K為富裕系數(shù)，取值為1.0；ηc為傳動效率，取值為0.98；ρ為水的密度，取值為1.0 g/cm3。

3.10 排水能力校核

根據(jù)煤礦安全規(guī)程：工作水泵能力應能20 h 排出礦井24 h 正常涌水量；工作水泵和備用水泵能力應能20 h 排出礦井24 h 最大涌水量。

按正常涌水量確定排水設備必需的排水能力：Q1= 24Qr/20=235.2 m3/h；并聯(lián)水泵的工況點流量為242.31 m3/h＞235.2 m3/h，可以滿足要求。

按最大涌水量確定排水設備必需的排水能力：Q1= 24Qmax/20=258 m3/h；工作水泵和備用水泵排水能力為397.31 m3/h＞258 m3/h，可以滿足要求。

3.11 主排水設備

充水方式：無底閥排水，噴射泵真空充水啟動水泵。運行安全、穩(wěn)定性分析：管路淤積前、后，水泵均運行在高效穩(wěn)定區(qū)，運行安全、穩(wěn)定性很好。為防止水力沖擊，水泵出口均裝有微阻緩閉止回閥。

3.12 泵房附屬設施

引水：采用噴射泵真空充水啟動水泵。起重：泵房設起重梁，用于安裝和檢修。運輸：泵房內(nèi)設軌道，設備可通過平板車進行運輸。配水井：設專門的配水井、配水閥及配水硐室。配水井設鋼板防護，聯(lián)軸器設保護裝置。

4 選型研究效果

本次選型結果為MD155-30×9 型礦用排水泵4臺，正常工作時排水能力242.31 m3/h，大于礦井所需正常涌水量235.2 m3/h 的要求，最大運行時排水能力397.31 m3/h，大于礦井最大用水量258 m3/h；配套管路為2 趟Ф194×7 排水管路，正常涌水量時1 趟工作，1 趟備用，最大涌水量時2 趟工作，因此可以滿足礦井正常和最大礦井用水量的要求。水泵配套YB2355S1-4 型（185 kW、1480 r/min）礦用隔爆電動機，也可以滿足礦井要求。

5 結語

為保證堡子煤業(yè)涌水的順利排出，本文對主排水泵進行了選型設計，確定了工況點，并計算得出排水管和吸水管的管徑和壁厚，通過選型設計有效地保證了礦井涌水量的要求。