基建矿山排水系统的分析和优化.pdf

矿业工程24Mining Engineering第2 1卷，第4 期2023年8 月基建矿山排水系统的分析和优化周腾蛟，秦菲（鞍山五矿陈台沟矿业有限公司，辽宁鞍山114 0 0 0）摘要：分析陈台沟矿现有排水系统运行状况，结合基建进度及井下涌水量变化，提出排水系统优化建议，以保证基建期排水设防能力。分析设备运行管理状况，有针对性的采取措施降低运行费用。关键词：矿山基建；排水系统；水泵；流量；设计优化中图分类号：TD7440引言陈台沟矿补充勘探工程根据井巷勘探工程内容、水文地质条件，结合类似基建矿山经验，涌水量按照10 0 mh设防。排水系统设计采用接力排水方式，-10 50 m水平设有临时水仓和水泵房。井底水窝涌水均排至10 50 m水平临时水仓，通过-10 50 m临时泵房的排水泵排至-780m临时水仓，再由-7 8 0 m水平排水泵接力排至地表（+6 5m）。水泵房设备均为施工单位资产，施工单位根据自身施工经验结合自有设备情况设置了探矿井1和探矿井2的排水系统。鉴于施工单位以上情况导致排水系统设置不合理，存在设备选型不合理、能耗偏高等情况，有必要根据设备使用情况及运行状况分析，优化陈台沟补充勘探工程排水系统。1排水系统现状探矿井1：地表（+6 5m）设沉淀池；井筒敷设2 条108mm7mm无缝钢管；-10 50 m水泵房布置3 台MD50-804水泵；-7 8 0 m水泵房布置3 台MD50-8012水泵。正常涌水量1台水泵排水，最大涌水量时2 台水泵排水。探矿井2：地表（+6 5m）设沉淀池；井筒敷设2 条108mm7mm无缝钢管；-10 50 m水泵房布置4 台水泵，其中2 台MD46-507水泵，2 台MD25-509水泵；-7 8 0 m水泵房布置4 台水泵，其中2 台MD50-8012水泵，2 台MD258 0 12 水泵。涌水量较小时使用MD25水泵排水，水量较大时使用MD50水泵排水。目前两条探矿井排水系统均已建设完成投人运行，设备运转状况良好。排水系统满足现阶段使用要求，设防能力符合规定。探矿井2 排水系统设计2 台流量2 5m/h水泵是为了保证涌水量较小时，水泵能运行在最佳工况，节约电能。随着基建工程推进，井下涌水量已逐步增多，目前探矿井2排水系统设备运转已达到18 h/d，探矿井1排水系统设收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 0作者简介：周腾蛟（19 8 8），男（汉族），河北邢台人，鞍山五矿陈台沟矿业有限公司工程师。文献标识码：A文章编号：16 7 1-8 550（2 0 2 3）0 4-0 0 2 4-0 32.2探矿井2 水泵房运行管理分析水泵房设备均为施工单位资产，根据实际涌水量并结合供电公司分时电价，施工单位采取夜班19：0 0 至0 5：0 0开启一台MD50水泵、一台MD25水泵排水；早班0 7：0 0至15：0 0 开启一台MD50水泵排水，2 班合计排水18 h。2.3水泵工况点分析2.3.1管路特性曲线计算1）地表至-7 8 0 m水平管路特性方程：H水泵=H,+Hm备运转8 h/d。2排水系统运行分析探矿井1排水系统设备运转8 h/d，尚且满足排水需要，但探矿井2 承担的工作面较多、涌水量多，水泵运转时间已达到18 h/d，探矿井2 排水系统的排水量已临近排水设防最高限值 1-3 。随着陈台沟基建勘探工程的全面展开，涌水量必然进一步增加，探矿井2 的排水系统已成为影响井下安全生产的重要隐患，重新测定井巷涌水量、分析设备运行状况、摸清探矿井2 排水能力等一系列排水问题急需解决，需要基建矿山排水系统的分析和优化。2.1探矿井2 排水系统配置分析探矿井2 排水系统采用接力排水方式，井口（+6 5m）附近设沉淀池，井筒内敷设2 条108mm7mm无缝钢管。排水管路分两段，一段从地表沉淀池至7 8 0 m水平水泵房，管路长9 3 5m，管路上设有5个弯头、1个三通、一个闸阀、一个止回阀；另一段管路从-7 8 0 m水仓敷设至-1050m水泵房，管路长4 0 4 m，管路上设有6 个弯头、1个三通、一个闸阀、一个止回阀。10 50 m水泵房布置4 台水泵，其中2 台MD46-507水泵，流量4 6 m/h，扬程3 50m，效率6 3%，配套电机功率9 0 kW；2 台MD25-509（修旧利废设备，为节约成本选择该泵，能耗相对较高），水泵流量3 0 m/h，扬程4 50 m，效率54%，配套电机功率75kW。水泵采用潜水泵注水，吸水高程3 m，吸水管长度约10 m。-7 8 0 m 水泵房布置4 台水泵，其中2 台MD50-8012水泵，流量50 m/h，扬程9 8 8 m，效率6 0%，配套电机功率2 8 0 kW；2 台MD25-8012（修旧利废设备，为节约成本选择该泵，能耗相对较高），水泵流量2 5m/h，扬程9 54 m，效率4 8%，配套电机功率16 0 kW。水泵采用潜水泵注水，吸水高程3 m，吸水管约10 m。2023年第4 期式中H水泵一水泵计算扬程，m;H,一排水高度，m;H阻一阻力损失，ml4。其中,H,=3+780+65=848 m。式中：H，一沿程阻力损失，m；H,一局部阻力损失，m；入一沿程阻力系数，0.0 4 2 7（计算如下）；L一管路长度，935m；d 一管路内径，9 4 mm；V 一排水速度，2 m/s（计算如下）；Q一流量，50 m/h；一局部阻力系数；g一重力加速度，9.8 m/s。由dV=Q得V=44Q4 50/3 600TdT 0.094216Q0.0210.021V2；do.30.09403=0.0427。L8LQ则 H,=入=入2gd8 935 Q/36002=0.03475Q;H,=Ze9.8 3.142 0.094580=(5 0.63+0.2+5)0.000683 Q。则H水=H,+H阻=8 4 8 +0.0 3 4 7 5Q+0.000683Q=848+0.035433Q。2）-7 8 0 m 水平至-10 50 m水平管路特性方程H水杂=H,+Hm;H,=3+（10 50-7 8 0）。=2 7 3 m;Hm=H,+H,；该水平管路长度L=373m，其余参数值前文相同。则 H,=入0.04278 273 Q/36002V29.8 3.142 0.0945802=(5 0.63+0.2+5)0.000683Q。则 H水泵=H,+H阻=2 7 3+0.0 10 14 7 Q+0.00683Q=273+0.010830Q。2.3.2水泵特性曲线及运行分析1）7 8 0 m水泵房水泵特性曲线（见图1）及工况点核算。MD25-80水泵性能曲线HCm)90807060051015202530图1-780水泵房水泵特性曲线-780m水泵房水泵工况点：MD50-80水泵工况点（Q，H，m）为：78.8512，6 0.9%），即（52.7 1m/h，9 4 6.2 m,60.9%）。管路效率：=8 4 8/9 4 6.2=8 9.6 2%。排水效率为6 0.9%8 9.6 2%=54.58%。MD25-80水泵工况点（Q，H，m）为：（2 8.2 9，74.912，4 8.9 5%），即（2 8.2 9 m/h，8 9 8.8 m,48.95%）。管路效率：=8 4 8/8 9 8.8=9 4.3 5%。排水效周腾蛟等基建矿山排水系统的分析和优化率为4 8.9 5%9 4.3 5%=4 6.18%。综上分析，-7 8 0 m水平水泵房两种水泵均工作在设备额定工况附近，MD25水泵因为流量小所以管路效率较V2高 5，但是设备本身效率较低，MD25水泵排水总效率46.18%，比MD50水泵低8.4%。2）10 50 m 水泵房水泵特性曲线及运行分析。同理-10 50 m水泵房MD25水泵排水总效率比MD46水泵低。同时因为-10 50 m水泵房需要扬程低，阻力损失低。MD25-509，扬程富余系数50 9/2 7 3=1.6 5；MD25水泵不在最佳工况点运行，水泵运行时人工调节阀2 m/s,门以调节水泵工况点，这也增加了部分能量损耗 6-8 。MD46-50水泵性能曲线H(m)605040二0.0427gTZ2g一80/360029.8 元 0.0944d2gLV=入8LQ280/360029.8 0.0944MD50-80水系性能曲线五泥点（Q.H，n)729m/b,74.9m,48.95%90n(%)50740-302010Q(m/h)25工况点(Q,H,n)59.4m/h,44.45m,61.2%n(%)604020Qa/h)01020304050图2-10 50 水泵房水泵特性曲线图MD46水泵工况点（Q，H，m）为：（59.4，4 4.4 57，6 1.2%）。由图2 中也可看出水泵工况点已靠近厂家试验曲线边缘，设备未在额定工况点运行。电机运行功率为pgQH1020 9.859.4 44.45 7N=3600*1000mm传kW，电机负荷率为8 5.6/9 0=9 5%，实际使用过程中应适当调整阀门，防止电机超载。调整后管路效率为2 8 3/3 50=0.808，排水效率为0.6 3 0.8 0 8=50.9%。3排水系统优化鉴于-7 8 0 m水泵房MD25水泵维修频率明显高于MD50水泵且MD25水泵排水效率低、排水量小等原因，2台MD25水泵更换为1台MD50水泵。-10 50 m水泵房水泵均不在最佳工况点运行，针对水泵排水效率偏低、扬程富余较高造成管路效率偏低的情况，更换-10 50 m水泵房设备为3 台MD50-804水泵。3.1设备配置-1050m水泵房3 台MD50-804水泵，流量50m/h，扬程3 2 9 m，效率6 0%，配套电机功率110 kW。72/h,78.85a,60.9%-780m水泵房布置3 台水泵MD50-80 x12水泵，流量5060n(%)60504030Q（/h)010203040506070(52.71,水泵叫曲线水泵Qn曲线管路QH曲线=85.63600 1000 0.612 0.98m/h，扬程9 8 8 m，效率6 0%，配套电机功率2 8 0 kW。3.2运行工况点及系统效率MD50-804水泵工况曲线见图3，工况点（Q，H，m）为（56.4 6 m/h，7 6.9 4 m，6 1.0 5%），即（56.4 6m/h，3 0 7.6 m，6 1.0 5%），管路效率：m=283/307.6=92%。-1050m水系房设备工况点H()8828010203040506070图3 1MD50-80*4水泵工况曲线MD50-804水泵排水效率为6 1.0 5%9 2%=-780m水系房设备工况点H()3885/h,76.9m.61.05%60n.C0昆点（Q.H，）/b,78.85m,60.9%10203040506070水泵明曲线水泵Q曲线管路时鱼线2656.17%。可知-7 8 0 m水泵房水泵工况点：（Q，H，m）为（52.7 1m/h，9 4 6.2 m，6 0.9%）。管路效率为8 9.6 2%。MD50-80水泵排水效率为54.58%。3.3设备运行时间管理依照现阶段设备运行时间MD50水泵运行18 h、M D 2 5水泵运行10 h，估算井下排水量52.7 118+2 8.2 9 10=1231.68m。改造后设备运行时间：t=11.7h。按照施工单位人员组织管理模式同时结合国网分时电价收费方式，采取夜班2 1：0 0 至0 5：0 0 排水，白班11：30至17：0 0 排水的方式，以避开用电高峰及尖峰时刻。3.4经济效益-780m水平结约电量：式中,W-排水电耗差值，kWh;N-排水功率，kw；T-排水时间，h;p密度，10 2 0 kg/m；水泵效率；n传-传动效率；Q、H-水泵工况点的流量、扬程。代人数据算得：W3600 1000 0.4895 0.981020 9.8 52.71 946.22.28.29 83600 1000 0.609 0.9852.71则每月节约电量18 13 0=54 3 0 kWh。-1050m水平结约电量（MD25水泵效率按照MD46水泵估算）：1020 9.8 1231.68 3501020 9.8 1231.68 307.6W=3600 1000 0.63 0.983600 1000 0.6105 0.98则每月节约电量18 0 3 0=54 0 0 kWh。合计每月节约电量10 8 3 0 kWh。4?排水系统优化方案的实施结合现场实际情况，并考虑投资费用拟采取分步实施计划如下：1）加强设备管理。鉴于7 8 0 m水泵房MD25水泵大修次数较多，而MD50水泵大修次数少的情况，改变设备运行模式，7 8 0m水泵房采用2 台MD50水泵排水，另外两条MD25水泵作为备用；-10 50 m水泵房采用2 台MD46水泵排水另外两条MD25水泵作为备用；同时定期开启MD25水泵试运行，防止备用水泵损坏。Analysis and Optimization of Infrastructure Mine Drainage SystemAbstract:In this paper,the operation status of the existing drainage system of Chentaigou Mine is analyzed.Combined with theprogress of infrastructure construction and the change of underground water inflow,the suggestions for optimizing the drainage systemare given to ensure the drainage and fortification capacity during the infrastructure construction period.The equipment operation andmanagement status is analyzed and the targeted measures are taken to reduce operating costs.Key words:mine infrastructure;drainage system;water pump;flow;design optimization矿业工程同时采取定点排水方案：夜班2 1：0 0 至0 5：0 0 排水，白班11：3 0 至17：0 0 排水，以避开用电高峰及尖峰时刻。此方案需施工单位增加一台MD50水泵控制柜（项目部-7 8 0 m水泵房仅1台MD50水泵控制柜）。2）建立能耗考核体系，提高员工节能意识。MD50水泵、MD46水泵增加简易计量装置，管路增加流量计量装置，建立设备能耗统计指标，定期分析设备运1231.68行状况。培训泵工节能意识、责任意识，在无淹井情况下52.712避开有点高峰时刻排水。3）适时安装新设备。-1050m水泵房可采取：MD25-509水泵拆除2节叶轮或首先安装地表的备用MD46水泵。同时采购1台MD50-804水泵作为应急备用。-7 8 0 m水泵房采购一台MD50-8012水泵作为应急备用。MD25-8012水pgQHpgQH1020 9.8 28.29 898.8x8-=181 kWh。=180 kWh。ZHOU Tengjiao,QIN Fei(Anshan Minmetals Chentaigou Mining Co.,Ltd.,Anshan 114000,China)第2 1卷第4 期泵不再进行大修，需大修时进行拆除并更换新泵。结合设备运行情况分析结果，拟采取排水系统改造并分步实施。改变设备运行模式并加强设备管理以及建立能耗考核制度基本不需要投资即可产生经济效益，可立即实施。同时为保证安全提前采购MD50水泵作为应急备用。5结语井下排水系统作为矿山主要系统之一，设备选型的合理与否对排水系统的安全经济可靠运行极为重要。MD50水泵在陈台沟矿业应用效果表明，该泵与MD25相比具有故障率低、运行效率高、排水效率高、节能降耗的优势，通过设备运行时间的合理管控，能够实现每月节约电量10 8 3 0 kWh。参考文献：1吴富祥，敖顺福，朱贵运云南某大水地下矿山排水系统设计 J中国矿山工程.2 0 16，4 5（2)：19-2 2.2张宇光：谦比希铜矿主矿体井下排水系统优化措施【J.中国矿山工程.2 0 15，4 4（4）：15-17.3张文锋，王绍群，谷林林利用差异电价降低地下矿山排水费用的研究J矿业工程2 0 19，17（2）：6 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