李樓煤礦礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

王中亮，劉海泉，王振虹

(通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

隨著我國(guó)煤炭資源的持續(xù)開采，開采活動(dòng)逐步向深部發(fā)展，礦井水文地質(zhì)條件越發(fā)復(fù)雜，水害隱患問題越發(fā)突出[1-4]。煤礦井下排水系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，尤其對(duì)水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜或者有突水危險(xiǎn)的礦井，其受水害威脅程度大，按相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求應(yīng)在正常排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上布置防水閘門或礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)，兩者在我國(guó)煤礦均已得到廣泛應(yīng)用[5-14]。根據(jù)李樓煤礦資源賦存及開拓開采情況，礦井大部分區(qū)域?yàn)橄律介_采，因此在井底車場(chǎng)周圍布置防水閘門對(duì)礦井防治水工作的意義不大。目前，高揚(yáng)程、大排量的潛水泵已在我國(guó)煤礦得到廣泛使用，突水發(fā)生時(shí)能盡快將井下涌水排至地面，且其配電及控制設(shè)備設(shè)在地面，不受井下突水的影響[15-20]。因此，為提高礦井排水安全程度，增加抵御水患災(zāi)害能力，需對(duì)李樓煤礦礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 礦井概況

李樓煤礦位于山東省鄆城縣，隸屬山東能源龍口礦業(yè)集團(tuán)，井田面積198km2，于2017年1月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240萬t/a。礦井采用立井單水平開拓方式，水平標(biāo)高-845m，布置主井、副井、風(fēng)井3個(gè)井筒。礦井正常涌水量大于600m3/h，最大涌水量2000m3/h，水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。礦井已建成井下正常排水系統(tǒng)，包括主排水泵房、擴(kuò)建排水泵房、水倉和管子道等。主排水泵房?jī)?nèi)安裝7臺(tái)MD420型離心泵，3用3備1檢修，單臺(tái)排水量420m3/h。擴(kuò)建排水泵房?jī)?nèi)安裝5臺(tái)MD420型離心泵，單臺(tái)水泵排水量420m3/h，作為應(yīng)急排水使用。水倉為三環(huán)布置，分為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)水倉，總?cè)萘?840m3。主排水管路為5趟?325mm×23mm無縫鋼管(副井3趟、主井2趟)，正常涌水時(shí)2用2備，最大涌水時(shí)4趟工作。李樓煤礦現(xiàn)有正常排水系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 李樓煤礦現(xiàn)有正常排水系統(tǒng)布置

2 礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)布置選擇

根據(jù)李樓煤礦開拓開采布局、現(xiàn)有正常排水系統(tǒng)布置、實(shí)際涌水量等情況，設(shè)計(jì)在井底車場(chǎng)內(nèi)布置礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)。按照系統(tǒng)簡(jiǎn)單、工程量少、投資節(jié)省、對(duì)現(xiàn)有井巷影響小等設(shè)計(jì)原則，提出3個(gè)抗災(zāi)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。各方案布置情況分別如圖2—圖4所示。

圖2 礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)方案一布置(m)

圖3 礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)方案二布置(m)

圖4 礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)方案三布置(m)

方案一：“斜巷連接+臥式安裝+底板布置”。礦井抗災(zāi)排水泵房布置在主排水泵房的南側(cè)，通過20°斜巷與主排水泵房連通?？篂?zāi)排水泵房長(zhǎng)50m，采用直墻半圓拱形斷面，凈寬×凈高=4.6m×3.8m，凈斷面15.2m2，硐室底板標(biāo)高低于主排水泵房6m。潛水泵為臥式安裝，布置在抗災(zāi)排水泵房的底板上。

方案二：“底板挖槽+臥式安裝+槽內(nèi)布置”。礦井抗災(zāi)排水泵房布置在主排水泵房的南側(cè)，通過平巷與主排水泵房連通?？篂?zāi)排水泵房長(zhǎng)40m，采用直墻半圓拱形斷面，凈寬×凈高=5.4m×4.2m，凈斷面19.6m2，硐室底板標(biāo)高與主排水泵房相同；并在硐室底板上挖槽，槽寬×深=3.0m×5.7m，凈斷面17.1m2。潛水泵為臥式安裝，布置在抗災(zāi)排水泵房底板挖槽中。

方案三：“暗立井+立式安裝+懸吊布置”。礦井抗災(zāi)排水泵房布置在主變電所硐室的西部，為暗立井布置方式?？篂?zāi)排水泵房長(zhǎng)度43m，采用圓形斷面，凈直徑5.5m，凈斷面23.8m2，硐室標(biāo)高低于主排水泵房。潛水泵為立式安裝，懸吊布置在暗立井內(nèi)。

三種方案對(duì)比情況見表1，通過比較，方案一巷道掘進(jìn)體積最小，投資最少，但水泵為臥式布置，沉積物清理工作多，故障率較高。方案二巷道長(zhǎng)度較短，但需在硐室底板開挖地槽，井巷整體掘進(jìn)體積較大，且水泵檢修時(shí)需先懸吊至地槽外，工序復(fù)雜。方案三中水泵為立式布置，設(shè)備工況好，但方案掘進(jìn)工程量最大，且暗立井施工速度慢，項(xiàng)目整體工期較長(zhǎng)。經(jīng)綜合考慮，設(shè)計(jì)推薦方案一。

表1 礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)方案對(duì)比

2.2 礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)設(shè)備選擇

礦井副井井口標(biāo)高+46.5m，井底水平標(biāo)高-845.0m，按最大涌水量2000m3/h設(shè)防。根據(jù)國(guó)內(nèi)外礦用多級(jí)潛水泵產(chǎn)品規(guī)格及使用情況調(diào)研，結(jié)合礦井涌水量及排水高度情況，針對(duì)礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)設(shè)備提出兩個(gè)選型方案。

1)方案一：選用4臺(tái)BQ550型礦用潛水泵，額定流量550m3/h，揚(yáng)程1105m，配10kV、2500kW礦用隔爆型潛水電機(jī)。排水管路為4趟?325mm×23mm型無縫鋼管。供電電源引自地面副井口新增抗災(zāi)變電所，由4條電纜供電，通過副井至井下。方案設(shè)備投資約880萬元。

2)方案二：選用8臺(tái)BQ275型礦用潛水泵，額定流量275m3/h，揚(yáng)程1143m，配10kV、1400kW礦用隔爆型潛水電機(jī)。排水管路為4趟?325mm×23mm型無縫鋼管。供電電源引自地面110kV變電站，由8條電纜供電，通過副井至井下。方案設(shè)備投資約1360萬元。

兩個(gè)方案的排水能力均為2200m3/h，大于礦井最大涌水量2000m3/h，滿足相關(guān)要求。方案一設(shè)備臺(tái)數(shù)少，所需供電電纜少，設(shè)備總投資較低，且設(shè)備安裝硐室寬度小，便于巷道施工和設(shè)備檢修；但水泵電機(jī)功率大，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對(duì)礦井電網(wǎng)沖擊較大。方案二設(shè)備臺(tái)數(shù)多，下井電纜條數(shù)多，總投資額較高，且設(shè)備安裝硐室寬度大，不利于硐室的施工和支護(hù)。經(jīng)綜合比較，推薦采用方案一。

2.3 排水管路布置

2.3.1 管路用途及數(shù)量

礦井共有3個(gè)井筒，井筒內(nèi)現(xiàn)布置5趟排水管(副井3趟、主井2趟)，且同時(shí)已安裝其他各類設(shè)備、管路和電纜等，如再新增排水管的施工難度較大。因此，設(shè)計(jì)新增地面鉆孔實(shí)現(xiàn)礦井水直排。為減少井筒內(nèi)排水管的散熱影響，設(shè)計(jì)將井筒內(nèi)的正常排水管改為抗災(zāi)排水系統(tǒng)的管路使用，新增地面鉆孔的排水管改為正常排水使用。

礦井主排水泵房?jī)?nèi)現(xiàn)布置7臺(tái)水泵(3用3備1檢修)，設(shè)計(jì)2臺(tái)水泵合用1趟排水管進(jìn)行排水，因此需增設(shè)2個(gè)地面鉆孔、敷設(shè)2趟排水管。但由于礦井實(shí)際涌水量較大，井下正常排水系統(tǒng)已安裝12臺(tái)水泵，水泵排水能力充足，礦井排水能力主要受排水管路的限制。因此，為提升礦井排水系統(tǒng)能力，設(shè)計(jì)再增加1個(gè)地面鉆孔。即礦井新增布置3個(gè)地面排水鉆孔，孔內(nèi)各布置1趟?325mm排水管，將井下正常排水系統(tǒng)內(nèi)的積水通過鉆孔排至地面。

2.3.2 鉆孔位置及參數(shù)

根據(jù)選定的井下抗災(zāi)排水泵房位置和排水要求，結(jié)合礦井工業(yè)場(chǎng)地和井下巷道布置，設(shè)計(jì)在副井調(diào)車場(chǎng)附近新布置3個(gè)地面排水鉆孔，其東南方向約100m處即為礦井水處理站。鉆孔至標(biāo)高-835m與井下管子道相連通。鉆孔孔底與井底車場(chǎng)巷道的最小凈巖柱為18m，符合最小間距的相關(guān)要求。鉆孔直徑?450mm，孔深881.5m。鉆孔采用反井鉆機(jī)施工，待管路安裝完畢后用砂漿將排水鉆孔充填密實(shí)。

2.4 抗災(zāi)排水設(shè)備選型設(shè)計(jì)

2.4.1 排水設(shè)備確定

水泵揚(yáng)程H0計(jì)算見式(1)。

H0=K(Hp+Hx)=1085.4m

(1)

式中，Hp為排水高度，取896.5m；Hx為吸水高度，取8.0m；K為管路損失系數(shù)，取1.2。

因此，選定潛水泵的總揚(yáng)程為1105m，大于1085.4m，符合要求。

2.4.2 需要水泵臺(tái)數(shù)

水泵臺(tái)數(shù)Zr計(jì)算見式(2)。

Zr=Qmax/Qp=3.6臺(tái)

(2)

式中，Qmax為礦井最大涌水量，取2000m3/h；Qp為水泵排水量，取550m3/h。

因此，水泵臺(tái)數(shù)取4臺(tái)。

2.4.3 排水管管壁厚度

管壁厚度δ計(jì)算見式(3)。

(3)

式中，Dg為排水管徑，取325mm；Pk為需用應(yīng)力，取80MPa；Pg為應(yīng)力，取10MPa；a為附加厚度，取0.2cm。

因此，主、副井筒內(nèi)現(xiàn)有的D325mm×23mm型無縫鋼管路滿足要求。

2.4.4 水泵管網(wǎng)特性計(jì)算

管路流速vp計(jì)算見式(4)。

vp=4Qp/(3600×π×D2)=2.5m/s

(4)

式中，D為水管內(nèi)徑，取0.279m。

排水管阻力損失Pg計(jì)算見式(5)。

(5)

式中，φ1為速度壓頭系數(shù)，取1；φ2為直管阻力系數(shù)，φ2=λLd/Dg=97.1；φ3為逆止閥阻力系數(shù)，取10；n3為逆止閥數(shù)量，取1；φ4為彎管阻力系數(shù)，取1；n4為彎管數(shù)量，取8；vp為排水管流速，取2.5m/s；g為重力加速度，9.8m/s2；Ld為排水管路總長(zhǎng)度，取1200m；λ為水與管壁的阻力系數(shù)，取0.0263。

根據(jù)排水系統(tǒng)運(yùn)行理論，管網(wǎng)阻力特性方程計(jì)算見式(6)。

H=HS+RQ2

(6)

因此，新管(未淤積)、舊管(淤積)時(shí)，管網(wǎng)特性曲線見式(7)。

(7)

根據(jù)管路特性曲線和水泵性能曲線求得工況點(diǎn)參數(shù)，如圖5所示。圖中，舊管工況點(diǎn)M1：Qm1=550m3/h，Hm1=1105m，ηm1=79%；新管工況點(diǎn)M2：Qm2=630m3/h，Hm2=964m，ηm2=78%。

圖5 水泵及管路特性曲線

2.4.5 電動(dòng)機(jī)容量

水泵電機(jī)功率N計(jì)算見式(8)。

N=kγ水QmHm/(3600×102ηm)

(8)

式中，k為備用系數(shù)，取1.1；γ水為礦井水的比重，取1050kg/m3：Qm為工況點(diǎn)流量，m3/h；Hm為工況點(diǎn)揚(yáng)程，m；ηm為效率。

經(jīng)計(jì)算，新管N1=2226kW，舊管N2=2199kW。因此采用2500kW、10kV電動(dòng)機(jī)可以滿足要求。

3 巷道支護(hù)方式

根據(jù)礦井井筒檢查鉆孔資料，井底車場(chǎng)硐室位于3煤層頂板，處在穩(wěn)定的中細(xì)砂巖中，實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為65～85MPa，強(qiáng)度指數(shù)50～70MPa，屬中等堅(jiān)硬～堅(jiān)硬巖層，巖性較好，利于巷道支護(hù)。根據(jù)李樓煤礦抗災(zāi)排水系統(tǒng)硐室設(shè)備布置需要、井下巷道圍巖性質(zhì)及《煤礦巷道斷面和交岔點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50419)等相關(guān)要求，確定井下抗災(zāi)排水泵房硐室采用直墻半圓拱形斷面，凈寬×凈高=4.6m×3.8m，凈斷面19.6m2。硐室采用“錨網(wǎng)噴+錨索+鋼筋混凝土砌碹”支護(hù)方式，噴射混凝土厚度100mm，鋼筋混凝土砌碹厚度400mm，鋪底厚度100mm。錨桿規(guī)格?22mm×2500mm，間排距800mm×800mm；錨索規(guī)格?21.6mm×7300/4300mm，間排距1800/1400mm×1000mm。鋼筋網(wǎng)采用?6.5mm圓鋼制作。硐室斷面尺寸及支護(hù)參數(shù)如圖6所示。

圖6 抗災(zāi)排水泵房硐室斷面及支護(hù)(mm)

4 應(yīng)用效果

李樓煤礦井下礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)硐室內(nèi)安裝4臺(tái)BQ550-1105/13-2500W-S礦用多級(jí)隔爆型潛水泵，工作方式為2泵1管，水泵采用臥式安裝方式，布置在硐室底板上。將主、副井筒內(nèi)?325mm排水管改為抗災(zāi)排水管路使用，用于排出井下突水；新增3趟地面鉆孔作為正常排水使用，孔內(nèi)各布置1趟?325mm排水管。副井內(nèi)新增4回路礦用鋼絲鎧裝電力電纜。礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)工程施工完成后，由副井井口抗災(zāi)配電所實(shí)現(xiàn)對(duì)潛水泵啟停的遠(yuǎn)程控制，潛水泵運(yùn)行狀態(tài)良好，極大提高了礦井應(yīng)對(duì)突水事故發(fā)生的排水能力。設(shè)備需檢修時(shí)，通過拆除與潛水泵連接端的可拆卸段，即可將潛水泵提至井下主排水泵房?jī)?nèi)進(jìn)行檢修維護(hù)。抗災(zāi)排水泵房?jī)?nèi)的淤泥通過礦車定期清理。

5 結(jié) 語

針對(duì)李樓煤礦復(fù)雜水文地質(zhì)條件及礦井排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，確定在正常排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng)。設(shè)計(jì)提出了“斜巷連接+臥式安裝+底板布置”抗災(zāi)排水系統(tǒng)布置方案，并確定了水泵、管路設(shè)備選型及布置方式，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了井下抗災(zāi)排水泵房硐室支護(hù)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)施工及后期運(yùn)行表明設(shè)計(jì)方案合理可行，可以從根本上提高礦井排水能力，提升礦井抵御水害的水平。