磁西矿超千米深井建井期间排水系统设计.pdf

煤炭工程 2 0 1 3年第 1期 磁西矿超千米深井建井期间排水系统设计 杨本生，赵利涛，邵文通 ，刘 杰 ( 河北工程大学 资源学院，河北 邯郸0 5 3 8 ) 摘 要：为确保磁 西超千米深井能如期完成建设并正常投产 ，根据副井井深和 一1 1 5 0 m水平 涌水量，提 出一级排水和二级排水两种排水方案 ，通过对两种方案比较分析得 出：副井采用二级 排水方式切 实可行 ，并经过选型计算 由水泵的扬程特性曲线和 管路特性曲线计算 出的水泵工况 点、工况点效率、水泵和排水管路各参数均能满足要求，确保 了 矿井排水装置经济合理、安全可 靠地运行。 关键词 ：超 千米深井；涌水量 ；选型计算；工况点 中图分类号：T D 7 4 4 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 3 ) 0 1 枷 2 4 - ( ) 3 峰峰集团磁西矿属基建矿井，主井井深 9 6 7 m，副井井 深达 1 3 4 0 m，风井井深 1 3 0 5 m，矿井水文地质复杂 ，施工难 度大，对施工技术要求比较苛刻。特别是磁西矿副井 由于 是超千米水平开采，井筒深度达 1 3 4 0 m，同时涌水量也较 大，对水泵选取 、水泵的安放格局、管路和支架材质等都 提出严格要求，排水成为制约矿井正常建设 的最大瓶颈。 因此矿井建设期 间，排水系统设计顺利完成，对保证矿井 建设和生产具有重要意义。 l 建井期 间矿井涌水量预测 磁西矿井位于峰峰矿区东部，煤层埋藏深度 1 0 0 0 1 5 0 0 m，矿井设主、副井工业场地。副井工业场地设在九龙 矿东北，场地标高 +1 5 5 m，风井场地与副井场地联合布置， 主井工业场地标高 +1 1 7 m，主井工业场地与九龙矿工业场 地联合布置。磁西矿井隶属我国华北煤矿区，受水害影 响严重 ，矿井涌水量较大，鉴于副井施工区复杂的地质条 件，其矿井涌水量预测 比较困难。经咨询冀中能源峰峰集 团公司有关水文地质专家，并查阅了九龙矿和相邻矿井的 水文地质资料，结合峰峰矿 区多年来的煤矿开采经验，副 井施工区的正常涌水量预计 2 8 0 m h ，另外考虑到副井和 回风井的井筒淋水，最终确定副井施工区的正常涌水量为 3 0 o m h ，最大涌水量为5 o 0 m h 。 2 建井期排水系统设计方案 2 1 排 水 系统 矿用大流量高扬程潜水泵由于产品较少、设备效率较 低等原因，还未在矿井排水泵房普及应用；而离心水泵具 有设备投资低、运行效率高、现场维护方便等优点，所 以 目前矿井排水泵房通常采用卧式离心泵配隔爆型电动机机 组模式。因此根据矿井所需水泵排水量与排水高度的要求， 设计考虑两种方案。 1 )方案一 ：在副井 一 1 1 5 0 m水平排水泵站内安装三台 MD 4 2 01 0 51 3型流量为 4 2 0 m h 、扬程为 1 3 6 5 m、功率 为2 5 k W 的耐磨矿用多级离心泵 ，一备一用一检修，采 用直接排水方式将 水排 至地 面。考 虑到 副井 井筒 中吊挂设 备较多，且提升工作随着井筒繁忙临时排水管路的架设和 拆卸不方便 ，以及随着井筒开凿越深，地温越高，承受 水患的威胁越大等问题 J ，并参照副井井筒的装备布置图， 最终确定把排水管路、电缆等敷设在回风井井筒内。正常 涌水量时一台离心泵工作 ，突水时两泵同时工作 ，排水管 路采用 D 3 2 5无缝钢管。 2 )方案二：副井选用三台 MD 4 2 09 01 0型耐磨矿 用多级离心泵 ，一用一备一检修。配备 Y 5 6 0 1 4型防爆电 机 ( 1 6 k W、6 k V、1 4 8 0 ffmi n ) ，排水管路配备两趟 D 3 2 5 的无缝钢管管路 ，两泵一管运行。正常涌水时一台 M D 4 2 0 型耐磨矿用多级离心泵工作，将水排至 一5 0 o m水平腰泵房 水池中，之后由二级接力方式将水排至地面。突水时两台 MD 4 2 0型耐磨矿用多级离心泵同时工作将水排至 一 5 o 0 m水 平腰泵房水池，之后由二级接力方式将水排至地面。 腰泵房储水池容量应能容纳 0 5 h的矿井正常涌水量的 设计要求 J ，设计为 1 5 0 m ，如图 1所示。腰泵房 内设置 两台水泵，型号为 MD 4 2 09 01 0型耐磨矿用多级离心 泵，内侧设两个储水池。把排水管路、腰泵房和电缆等同 样敷设在回风井井筒内。 为保证人员顺利由吊桶进人腰泵房，在腰泵房里安装 一 个滑动伸缩平台，平台两边设计有栏杆。当人员乘吊桶 到达预定位置时，在腰泵房内的人员解开系在水泵底座上 的绳子，推过滑动平台，人员进入腰泵房或腰泵房人员进 入吊桶后，再把滑动平台拉回转水站并固定。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 41 1 作者简介：杨本生( 1 9 5 6一) ，男，河北武安人 ，教授、硕士生导师，主要从事矿图数字化、矿山压力及控制研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1期 煤炭工程 图 1 腰泵房 3 )方案一与方案二相比较，投资费用虽减少，但是结 合矿井的实际情况 ，副井由于是超千米深井，同时还考虑 到磁西矿井涌水量较大，对水泵运行稳定性和高效性要求 极其苛刻；另外，目前国产扬程超千米的离心式水泵还不 成熟 J ，无法在实际运行中保证水泵的正常高效工作 ，最 终确定选用方案二。方案二的优点是 ：水泵的重量及外形 尺寸得到 了控制 ，能满足吊盘的要求；控制了电机功率 ， 供电电缆得到简化。同时 ，方案二具有以下缺点 ：需要设 备较多；增设井间转水站；管理难度加大 。 2 2排 水设备 选 型 2 2 1 水泵选型计算 根据矿井正常涌水量 、最大涌水量及 煤矿安全规程 的要求选型，水泵计算必须具备总排水能力。另外，根据 规定：必须有工作、备用和检修的水泵。工作水泵的能力 ， 应能在 2 0 h内排出矿井 2 4 h的正常涌水量 ( 包括充填水和其 他用水) 。备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的 7 0 。 工作和备用水泵的总能力 ，应能在 2 0 h内排出矿井 2 4 h的 最大涌水量。检修泵的能力应不小于工作水泵能力的2 5 。 1 )排水设备必须的排水能力：Q 常1 2Q =1 2 3 0 0=3 6 0 m h ；Q 最 大1 2Q 大=1 2 5 0 0： 6 0 0 m h 。 2 )水泵所需扬程的估算。推选方案中采用二级接力排 水方式，因此 t t , = 6 5 4 m，H B= =7 2 7 m，其中，F , 为测 l | g 地高度，m；叼 为管路效率，取 0 9 。 3 )初选水泵。从所推选方案中确定选取 MD 4 2 0 9 0 1 0型耐磨矿用多级离心泵 ，其额定流量 Q = 4 2 0 m h ，额 定扬程 =9 0 0 m，则工作泵台数 n I = Q B = = 0 8 6，取 n =I 。备用水泵台数 n =0 7 n =0 7 ，故取 1 。检修水泵 =0 2 5 n 1 = 0 2 5 ，故取 1 。 因此，共应选择三台水泵。 2 2 2 管路的选择 1 )管路趟数及泵房 内管路布置形式。根据泵 的总台 数 ，选用一趟管路工作，一趟管路备用。正常涌水 时，一 台泵向一趟管路供水，最大涌水时，只要两台泵同时工作 就能达到在 2 0 h内排出2 4 h的最大涌水量，故从减少能耗 的角度可采用两泵 向双管路供水 ，从而可知每趟管 内流量 Q 等于泵的流量。 2 )管路材料。由于井深远大于 2 0 0 m，确定采用无缝 钢管。 3 )排水管直径的计算。水流在管路中流动要克服一定 阻力，阻力与管径成反比。综合考虑这两个 因素，可以按 照经济流速 =1 5 2 2 m s 来计算排水管内经 和吸水 管内径 d 。 排水、吸水管直经 ： 一 o d = d + 0 0 0 2 5 式 中d 排水管 内径 ，i n ； 吸水管 内径 ，i n ； 正常涌水量，取 6 0 0 m h ； 流速 ，一般取 1 5 2 2 m s 。 代入相关参数计算得 ：d I3 1 0 5 m m， 3 1 3 m m。 4 )排水管管壁厚度计算。由 一1 1 5 0 m水平排至 一5 0 0 m 水平临时水仓，排水系统的排水管路管内水压按 7 2 MP a 计 算： 占 。 s d 3 _ + 0 4 P 一 1 + 占 c 式 中 管壁厚度 ，c m； d 管子内径，取 3 1 0 5 e m； 6 管材容许应力，取 8 0 M P a ； p 管内水压 ，取 7 2 M P a ； 6 管壁附加厚度，取 0 1 0 2 c m。 代人相关参数计算得：管路最下端壁厚 占 1 3 9 m m。 因此，根据最 博 结果 寸 选择 1 7 3 2 5 1 4 无缝钢管。 3 工况点的确定及校验 1 )管路系统。管路布置参照所推选方案和井下巷硐的 实际布局，最终确定管路系统如图2所示。 图2 排水管路系统 2 )根据吸、排管路长度计算排水管路阻力系数：新管时 阻力系数为 z9 2 1 1 0 ；淤积时阻力系数为 9 6 4 1 0 。 3 )水泵运行工况点的确定。排水管路特性曲线：新管 时 H 1 = 6 5 5+ 2 9 2 1 1 0 一 Q ；淤积 时 = 6 5 5+ 4 9 6 41 0一 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 3年第 1期 Q 。根据求得的新、淤积管路特性方程 ，得出工作水泵特性 曲线( 如图3所示) 和水泵工况点参数( 见表 1 ) ，由新、旧管 路特性曲线( 日 和 ) 与扬程特性曲线( Q一 日) 的交点分别为 M。 和 M ，即为新旧管路水泵的工况点。由表 1中可知工况 点的各参数均符合 煤炭工业矿井设计规范要求。 表 1 水泵运行工况点参数表 1 0 00 翥 器0 7 00 6 00 6 ： 基 水泵流量Q ( m0 h ) 图 3 工作水泵特性 曲线 4 )排水能力校核 ：正常涌水时，一台MD 4 2 0 9 01 0 型耐磨矿用多级离心泵工作，按管路淤积后计算排水时间 为 T 。 =2 4 3 0 0=1 7 3 h ；最大涌水时，两台卧泵均工作， 按管路淤积后计算排水时间为 = =t 4 5 h 。所以， 副井排水设备的排水能力满足要求。 4 安装期技术措施 1 )井简内管路焊接 ，除管座连接采用法兰盘连接外， ( 上接第 2 3页) 2 )X J M一$ 2 8 ( 3+2 ) 型浮选机单台设备可实现一次选 或精选 ，便于控制精煤灰分，工艺灵活，调节方便 。改造 后使用精选工艺时 ，浮精灰分可控制在 1 1 2 5 以下 ，为适 当提高主洗重介精煤灰分、从而提高全厂精煤产率创造了 条件。 参考文献 ： 1 刘鹏，焦红光选煤厂煤泥粒度特性的研究 J 河南 理工大学学报 ( 自然科学版 ) ，2 0 0 8 ，2 7 ( 5 )：5 8 2 5 8 5 2 焦红光 ，谌伦建 ，铁 占续 细粒煤重选设备的技术现状 与分 析 J 煤炭工程 ，2 0 0 6，( 1 ) ：l 41 7 2 6 其余全部采用高强度焊条，管路焊接后，必须对每条焊缝 进行探伤检查，达到合格品要求。 2 )MD 4 2 0 9 01 0型耐磨矿用多级离心泵采用无底阀 引水，引水设备采用 S B S型射流泵总成，以排水管路 中的 压力水为能源，以压缩空气为备用能源。为有效防止水锤 冲击对水泵及管道的损害，在 MD 4 2 09 01 0型耐磨矿用 多级离心泵出口装设缓闭止回阀。同时为便于设备安装和 检修，在泵站内每台设备上方设有固定起重梁。 5结论 1 )排水系统设计优化方案最终推荐选用的MD 4 2 09 0 1 0型耐磨矿用多级离心水泵 ，其工况点各参数：流量、 扬程、效率均符合实际要求。同时新、旧管路的排水能力 均小于 2 0 h ，验证了该设计排水的可行性。 2 )磁西矿建井期间排水系统设计的实施效果 良好。随 着掘进深度不断加大以及施工强度的提高，没用因频繁出 现设备故障和大量积水而影响工期顺利进行。该设计的顺 利实施为超千米矿井排水系统中水泵 、管路以及人员的管 理提供宝贵经验 。 参 考文献 ： 1 2 3 4 5 6 李铎 ，武强 ，许广明 ，等华北煤 田排水供水环保结合 优化管理 M 北京：地质出版社， 2 0 0 5 袁 长财 ，张庆平朝阳煤矿主副井凿井期间排水系统的设计 J 建井技术 ，2 0 0 3 ，2 4 ( 4 ) ：8l 0 高建朝关于矿井主排水系统设计及 改造 的几个问题 J 中国煤炭工业 ，2 0 1 0 ，( 1 1 ) ：4 5 4 6 沈季良，崔云龙 ，王介峰 ，等建井工程手册 M 北 京： 煤炭工业 出版社 ，1 9 8 6 孙银河 卧泵排水在唐 15千米风井施工 中的应 用 c 全 国矿山建 设学 术会 议 论文 选集 沈 阳 ：东北 大 学 出版社 ， 2 0 0 3：3 2 2 3 2 4 杨 思臣唐 口煤矿主井井筒凿井期 间排水系统设计 C 全国矿 山建设学术会 议论 文选集 ( 下 册 ) 沈 阳：东北大学 出版社 ，2 0 0 5：3 8 83 9 0 ( 责任 编辑张宝优 ) 3 曹华 ，陈禹蒙 ，刘建华 ，等 F J cA喷射式 浮选机在 城 郊选煤厂的应用 J 煤炭工程，2 0 1 2 ，( 7 ) ： 4 5 4 7 4 吕玉庭 ，吴鹏 ，孙玉堂中煤再选 工艺及其 主要分选设备 J 选煤技术， 2 0 1 0 ，8 ( 4 ) 5 谢 国龙 ，俞和胜粗煤 泥分 选设备 及其 应用 分析 J 煤 矿机械 ，2 0 0 8 ，3 ( 3 ) 6 赵闻达 ，李延锋 ，谢彦君 ，等中煤破 碎再选 的应 用研究 J 煤炭工程 ，2 0 1 2 ，( 7) ：9 7 9 9 7 谢彦君 ，李延锋 ，徐世 辉粗煤 泥 T B S分选 高灰细 泥去 向 及脱泥研究 J 煤炭工程，2 0 1 2 ，( 5 ) ：1 0 1 1 0 4 ( 责任编辑赵巧芝) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m