孫智宇

(陜煤集團(tuán)神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引言

榆神礦區(qū)地處中國(guó)西北部，處于毛烏素沙漠邊緣，地方干旱少雨且地下水資源分布極不平衡，自然形成的水資源相對(duì)匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱。因此綜合有效的利用地下水資源，極大地實(shí)現(xiàn)地下水、地表水處于基本平衡狀態(tài)，不但是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在，也是企業(yè)應(yīng)盡的責(zé)任與義務(wù)?；袈鍨趁旱V二水平開采時(shí)，礦井正常涌水量為365.28 m3/h，最大涌水量為547.92 m3/h。其中正常涌水量中清水210 m3/h、污水155.28 m3/h，最大涌水量中清水365.9 m3/h、污水182.02 m3/h。同時(shí)考慮到地面礦井污水處理廠能力僅為180 m3/h，若按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，地面污水處理廠能力需要擴(kuò)建至365.28 m3/h能力，投資約為1 500萬元，況且征地難度較大。本次二水平中央排水系統(tǒng)采用清、污分流方式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)清水井下復(fù)用，污水去地面污水處理廠設(shè)計(jì)思路，節(jié)約了污水處理廠投資，實(shí)現(xiàn)了地下水綜合利用。

1 現(xiàn)狀與排水方案

1.1 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

霍洛灣礦井劃分為2個(gè)水平進(jìn)行開采，一水平大巷布置在2-2煤層，二水平大巷布置在3-1煤，一水平負(fù)責(zé)2-2上及2-2煤開采，二水平負(fù)責(zé)3-1上及3-1煤開采。目前霍洛灣煤礦正在一水平二盤區(qū)開采2-2煤，待2-2煤開采完畢后，一水平同時(shí)回采完畢，接續(xù)二水平一盤區(qū)開采。目前一水平中央水泵房及遞接水泵房主要負(fù)責(zé)全礦井開采過程中的總排水任務(wù)。

一水平中央排水泵房位于主斜井井底附近，輔運(yùn)平硐井底附近設(shè)有遞接排水泵房，共同擔(dān)負(fù)一水平的排水任務(wù)。現(xiàn)有的一水平中央排水泵房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)150TSWA×3型礦用耐磨排水泵，出兩趟D219排水管路。遞接排水泵房?jī)?nèi)安裝3臺(tái)MDA280-43×3型礦用耐磨排水泵，出兩趟D219排水管路。正常涌水時(shí)，一臺(tái)工作，兩臺(tái)備用，一臺(tái)檢修，管路一趟工作，一趟備用；最大涌水時(shí)，兩臺(tái)工作，兩臺(tái)檢修/備用，管路兩趟工作。

排水路線為一水平中央水泵房(替接水泵房)→行人斜井(輔運(yùn)平硐)→地面→輔運(yùn)平硐場(chǎng)地井下水處理廠調(diào)節(jié)池。

1.2 二水平排水方案

礦井涌水量主要是來自上覆2-2煤層采空區(qū)水和生產(chǎn)期間產(chǎn)生的污水，對(duì)上覆2-2煤層采空區(qū)清水進(jìn)行提前打鉆孔疏放。據(jù)此預(yù)計(jì)正常涌水量中清水210 m3/h、污水155.28 m3/h，最大涌水量中清水365.9 m3/h、污水182.02 m3/h。

結(jié)合礦井現(xiàn)有地面污水處理廠能力、二水平開拓布置及二水平一盤區(qū)采空區(qū)積水量，確定二水平開采初期礦井涌水主要以疏放水(清水)為主。為了減輕地面污水處理廠負(fù)荷，設(shè)計(jì)二水平工作面涌水采用清污分離方式排放，其中31101～31104工作面及31109～31112工作面開采期間的涌水可分別通過順槽內(nèi)敷設(shè)的清、污排水管路與主運(yùn)大巷內(nèi)敷設(shè)的清、污水管路對(duì)接，然后直接排至二水平中央水倉(cāng)的清水倉(cāng)和污水倉(cāng)；31106及其它工作面的涌水可先排至一盤區(qū)清、污水倉(cāng)，經(jīng)一盤區(qū)排水泵房加壓后再經(jīng)過大巷內(nèi)敷設(shè)的清、污水管路分別排至二水平中央水倉(cāng)的清水倉(cāng)和污水倉(cāng)。礦井清、污水通過暗副斜井、輔運(yùn)平硐直接排到地面井下污水處理廠調(diào)節(jié)池。

2 二水平中央水泵房設(shè)備

2.1 排水設(shè)備選擇

方案一：選用MD280-43×3型礦用耐磨排水泵6臺(tái)，水泵額定流量為280 m3/h，揚(yáng)程129 m，配防爆電動(dòng)機(jī)YB3-315L-4-160 kW、電壓等級(jí)660 kV，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 488 r/min。泵房出三趟D273×7 mm無縫鋼管。泵房水泵及配套管路工作制度為：正常涌水量時(shí)，水泵兩臺(tái)工作(一臺(tái)排清水一臺(tái)排污水)、兩臺(tái)備用、兩臺(tái)檢修，管路兩趟工作、一趟備用；最大涌水量時(shí)，水泵3臺(tái)工作、3臺(tái)備用/檢修，管路三趟工作。

方案二：選用BQ275-153/4-180W-S型礦用潛水電泵6臺(tái)，水泵額定流量為275 m3/h，揚(yáng)程153 m，配防爆電動(dòng)機(jī)功率180 kW、電壓等級(jí)660 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 875 r/min。泵房出三趟D273×7 mm無縫鋼管。泵房水泵及配套管路工作制度為：正常涌水量時(shí)，水泵兩臺(tái)工作(一臺(tái)排清水一臺(tái)排污水)、兩臺(tái)備用、兩臺(tái)檢修，管路兩趟工作、一趟備用；最大涌水量時(shí)，水泵3臺(tái)工作、3臺(tái)備用/檢修，管路三趟工作。

方案三：選用IS150-100-380-C型單級(jí)恒壓離心泵6臺(tái)，水泵額定流量為260 m3/h，揚(yáng)程151m，配防爆電機(jī)功率185 kW、電壓等級(jí)660 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 950 r/min。泵房出三趟D273×7 mm無縫鋼管。泵房水泵及配套管路工作制度為：正常涌水量時(shí)，水泵兩臺(tái)工作(一臺(tái)排清水一臺(tái)排污水)、兩臺(tái)備用、兩臺(tái)檢修，管路兩趟工作、一趟備用；最大涌水量時(shí)，水泵3臺(tái)工作、3臺(tái)備用/檢修，管路三趟工作。

方案比選：排水設(shè)備選型方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1。經(jīng)過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知，方案一和方案三的水泵均具有汽蝕性能好，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，均可滿足礦井排水需要。但方案一所選水泵綜合費(fèi)用相對(duì)較低且從水泵的軸功率、揚(yáng)程、年電耗量及設(shè)備總投資方面考慮方案一的綜合排水效率明顯優(yōu)于方案二及方案三；方案二所選水泵為潛水電泵，泵房硐室施工較為簡(jiǎn)單，但設(shè)備投資費(fèi)用較高，檢修不方便；方案三所選水泵為恒壓?jiǎn)渭?jí)離心泵，水泵揚(yáng)程不會(huì)因?yàn)樗贸隹诹髁孔兇蠖鴫毫ψ冃?，但水泵相?duì)報(bào)價(jià)過高，且水泵市場(chǎng)使用率較小；因此從節(jié)能降耗及設(shè)備穩(wěn)定性等因素綜合考慮，故設(shè)計(jì)推薦采用方案一。

2.2 推薦方案的選型計(jì)算

排水設(shè)備能力：排水量QB污水=1.2×210=252 m3/h；排水量QB清水=1.2×365.9=439 m3/h。

根據(jù)計(jì)算所得，當(dāng)流量為252 m3/h、管路公稱管徑為250 mm(壁厚為7 mm)時(shí)，流速為1.4 m/s，水力坡度為i=0.012 7。

則水泵必須的揚(yáng)程為HB=L×i+HC=1 800×0.012 7×1.1+93+5=122.146 m。

式中：HB—水泵的必須揚(yáng)程，m；L—單趟管路的長(zhǎng)度，m；I—水力坡度，i=0.012 7；HC—測(cè)地高度，m。選取的水泵的水泵及管路特性曲線如圖1所示。

管路阻力系數(shù)(考慮新管和結(jié)垢后的管路)：從圖1水泵及管路特性曲線中，可知新管時(shí)，揚(yáng)程H=127.5 m；舊管時(shí)，揚(yáng)程H=134.6 m。

水泵運(yùn)行工況點(diǎn)：水泵運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)表，見表2。

表1 排水設(shè)備選型方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

表2 水泵運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)表

圖1 水泵特性曲線及管路特性曲線

電動(dòng)機(jī)容量的計(jì)算：

=151.03 kW

=138.2 kW

離心泵選擇用防爆電動(dòng)機(jī)YB3-4160 kW、電壓等級(jí)660/1 140 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 488 r/min。

校驗(yàn)水泵的穩(wěn)定性：需滿足0.9H0>HC條件，式中H0—DIU零流量時(shí)的揚(yáng)程，代入得：0.9×129=116.1>HC=93 m，可見滿足要求。

排水管路壁厚的計(jì)算：排水管路選擇為無縫鋼管，D273管路計(jì)算壁厚為5.1 mm，選擇壁厚7 mm；排水管路為三趟D273×7無縫鋼管。

2.3 排水管路敷設(shè)

大巷排水管路布置：根據(jù)二水平涌水量預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)在二水平輔運(yùn)大巷和回風(fēng)大巷各敷設(shè)一趟D108的臨時(shí)排水管路，在膠運(yùn)大巷敷設(shè)一趟D159臨時(shí)排水管路，3條大巷淋水通過大巷臨時(shí)設(shè)置的小潛水泵(功率45 kW，流量100 m3/h，揚(yáng)程80 m)直接將水排至二水平中央水泵房污水倉(cāng)或一盤區(qū)污水倉(cāng)。在二水平主運(yùn)大巷敷設(shè)三趟D245主排管路(其中一趟排清水一趟排污水、一趟備用)，主要負(fù)責(zé)二水平一盤區(qū)工作面的排水任務(wù)，其中31101～31104工作面及31109～31112工作面可直接排至二水平中央水泵房清、污水倉(cāng)，31105及其它工作面涌水先統(tǒng)一排到一盤區(qū)清、污水倉(cāng)，再通過一盤區(qū)水泵房排水設(shè)備將水直接排入二水平中央水泵房清、污水倉(cāng)；最終由二水平中央水泵房的主排水設(shè)備將中央水倉(cāng)水統(tǒng)一排放至地面井下水處理廠。中央水泵房出三趟D273管路，其中一趟負(fù)責(zé)清水外排、一趟負(fù)責(zé)污水外排，另外一趟作為備用管路。

順槽排水管路布置：根據(jù)二水平涌水量預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)并結(jié)合礦井現(xiàn)有管路庫(kù)存情況，設(shè)計(jì)在31101回風(fēng)順槽敷設(shè)一趟D219管路、一趟D159管路及一趟D108管路，其中D219管路和D159管路分別作為工作面的主排水管路(一趟排清水一趟排污水)，出順槽后與大巷管路對(duì)接后直接排入二水平中央水泵房清、污水倉(cāng)；設(shè)計(jì)在31102回風(fēng)順槽敷設(shè)一趟D245管路、一趟D159管路及一趟D108管路，其中D245管路和D159管路分別作為工作面的主排水管路(一趟排清水一趟排污水)，出順槽后也分別與大巷管路對(duì)接后直接排入二水平中央水泵房清、污水倉(cāng)； 31101回風(fēng)順槽及31102回風(fēng)順槽的D108管路分別作為順槽的清水收集管路；同時(shí)在31101運(yùn)輸順槽敷設(shè)一趟D108管路作為順槽的臨時(shí)污水排水管路。

管路排水路線：工作面涌水→順槽排水管路→一盤區(qū)水倉(cāng)→一盤區(qū)水泵房→二水平主運(yùn)大巷主排管路→二水平中央水倉(cāng)→二水平中央水泵房→暗副斜井→輔運(yùn)平硐→地面井下水處理廠污水池或清水調(diào)節(jié)池。

2.4 排水系統(tǒng)功能

清污分流：井下排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了清、污分流排水。

強(qiáng)排水系統(tǒng)：在二水平中央水泵倉(cāng)附近設(shè)有礦井強(qiáng)排系統(tǒng)，配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)在地面10 kV變電所，當(dāng)?shù)V井發(fā)生水害險(xiǎn)情時(shí)，可通過調(diào)度實(shí)際遠(yuǎn)程控制。

自動(dòng)控制：PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位的高低、井下用電負(fù)荷的高、低峰和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價(jià)時(shí)間段等因素，建立數(shù)學(xué)模型合理調(diào)度水泵，根據(jù)實(shí)際情況先后開啟水泵、或者同時(shí)開啟多臺(tái)水泵，并且做到出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)能及時(shí)報(bào)警。

設(shè)備自檢功能：主要設(shè)備提供自檢功能，上位機(jī)程序?qū)υO(shè)備故障進(jìn)行報(bào)警。設(shè)備的主要故障類型實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示，幫助運(yùn)行人員診斷設(shè)備故障。

故障診斷功能：系統(tǒng)提供故障診斷功能，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排水壓力、真空負(fù)壓、排水流量、電壓和電流參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵不上水、壓力不足、排水效率降低、啟動(dòng)負(fù)荷大、軸承過熱等故障的診斷，降低系統(tǒng)故障時(shí)間。另外系統(tǒng)設(shè)檢修閉鎖功能。

潛水電泵自我保護(hù)功能：當(dāng)潛水電泵因水位下降而不能工作時(shí)，可通過潛水電泵吸水口處的跳閘水位控制系統(tǒng)自動(dòng)斷電，實(shí)現(xiàn)水泵自我保護(hù)。

3 結(jié)語

排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)從工作面至中央水泵房均采用清、污分流排水系統(tǒng)，既解決了地面污水處理廠能力不足問題，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了清水在井下直接復(fù)用，其多余水排至地面后不用處理，直接作為地方企業(yè)生產(chǎn)、生活用水或直接排入地方自然河流，不但可以作為沿線農(nóng)田的灌溉用水，也可以作為下游河流及水庫(kù)的補(bǔ)水水源。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)不但大大減少了排水環(huán)節(jié)，而且節(jié)約了近1 500萬元的污水處理廠改擴(kuò)建投資。目前此系統(tǒng)設(shè)計(jì)己在神東礦區(qū)及陜煤礦區(qū)普遍推廣，得到了較好的社會(huì)評(píng)價(jià)。