于功江

(中國煤炭科工集團 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

隨著礦井開采深度的不斷增加，建設(shè)了越來越多的千米深井，部分深井涌水量巨大，水溫高且礦井涌水有腐蝕性。礦井很深、涌水量大、排水溫度高及水質(zhì)差等均為排水設(shè)計的惡劣工況，這些不利工況給礦井的主排水設(shè)計帶來了種種困難。尤其是在數(shù)個惡劣工況并存的條件下，排水系統(tǒng)的設(shè)計更需考慮和注意各個環(huán)節(jié)可能存在的問題，特別是水泵選擇、泵房散熱、管路選擇及安裝等方面應(yīng)在設(shè)計和施工中加以注意，方能保證系統(tǒng)安全可靠運行。

1 設(shè)計注意問題探討

1.1 水泵選擇

針對千米深井、大涌水量的礦井，推薦首選高揚程、大流量水泵，這樣可以減少水泵臺數(shù)，實現(xiàn)直排，達到簡化系統(tǒng)的目的。但針對礦井不同條件，水泵的選型需考慮不同因素對選型設(shè)計的影響[1，2]。

1.1.1 高水溫

深井排水往往伴隨著地?zé)?，水溫較高，勢必會影響水泵的吸程，因此在設(shè)計計算時，除了海拔，還應(yīng)將水溫對水泵吸程的影響考慮進去。選擇常規(guī)的水泵，吸程很低，水泵很容易造成氣蝕，影響水泵運行壽命。通過降低水倉高度來滿足水泵吸水高度會造成水倉面積過大，增加投資太多，極不經(jīng)濟[3]。因此提高水泵的吸水高度是理想的做法，提高吸程通常有兩種方法：①水泵選型時應(yīng)選擇必需氣蝕余量小、吸程高的水泵，水泵可選擇雙吸泵或采用帶有誘導(dǎo)輪的水泵，提高抗氣蝕性能；②采用子母泵的方式，即在臥泵的吸水口前加裝潛水泵給臥泵喂水，解決水泵吸程較低的問題。這種方式的優(yōu)點是節(jié)省了射流泵系統(tǒng)，但這種方式需子母泵密切配合，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了配電控制系統(tǒng)的投資，同時降低了系統(tǒng)的可靠性。以上兩種方式都可以幫助解決水泵吸程問題，設(shè)計時可根據(jù)實際情況確定方案。在兩種方式都能滿足的情況下，建議使用方法①，這樣可以簡化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。

1.1.2 礦井水質(zhì)

水泵的選擇同時應(yīng)考慮礦井涌水水質(zhì)問題，在對水質(zhì)酸堿度較高的礦井進行調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)水泵的使用壽命在兩三個月，主要損害原因是水質(zhì)酸堿度過高對水泵葉輪的腐蝕，造成水泵的損壞。在這個過程中往往伴隨著水泵效率的降低，增加電耗等問題。因此在水泵的材質(zhì)上應(yīng)根據(jù)礦井水質(zhì)情況有針對性的選取，這樣雖然初期投資會提高，但使用壽命會明顯增加，大大減少水泵檢修和更換次數(shù)，增加礦井排水的安全性。同時水泵的效率降低較慢，比普通材質(zhì)水泵節(jié)能效果明顯，綜合經(jīng)濟效益同樣明顯提升[4]。

1.1.3 電機匹配

大涌水量的礦井，選擇大排量水泵可以減小水泵臺數(shù)，簡化系統(tǒng)，同時大排量水泵的效率通常比小涌水量的水泵要高，有很好的節(jié)能降耗效果，但水泵的設(shè)計選型時應(yīng)注意和電機相配合，綜合選取。由于大功率電機使用并不是很多，取得煤安證的隔爆型電動機最大功率在3000kW左右，所以選用更大水泵時，也受電機功率限制，因此建議水泵選型過程中，匹配電機最大功率建議控制在3000kW左右，如特殊情況需要選擇更大電機，應(yīng)和生產(chǎn)廠家溝通解決[5]。

1.2 泵房散熱

大涌水量礦井，水泵臺數(shù)多，配套電機也多，且功率大。所以水泵運行時電機總發(fā)熱量很大，水泵房的溫度非常高，如果還伴隨著地?zé)釂栴}，問題會更加嚴(yán)重，如不妥善解決，會造成設(shè)備溫度過高而停止運轉(zhuǎn)，危及礦井生產(chǎn)安全。對于安裝有多臺大功率電機的水泵房，解決散熱問題主要采用兩種方式，一是通過加大泵房通風(fēng)量，主要是通過增加局部通風(fēng)機的方式增加水泵房通風(fēng)量。還有就是將冷卻電機出來的熱風(fēng)通過管道的方式直接排至大巷中，然后通過主通風(fēng)系統(tǒng)將熱量帶走。在實際應(yīng)用中，采用以上兩種方式配合使用，效果會更好。但設(shè)計初期應(yīng)和礦井通風(fēng)系統(tǒng)密切配合，將電機散熱量與系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計配合，增加通風(fēng)量，滿足散熱要求。

采用管道將熱量送出泵房的這種方式，在電機的訂貨要求中，應(yīng)提前要求電機帶有出風(fēng)口法蘭，這樣便于將熱風(fēng)導(dǎo)風(fēng)通道安裝在電機出風(fēng)口處，方便熱風(fēng)導(dǎo)出。

在有地?zé)釣?zāi)害的礦井中，通常礦井會設(shè)有井下降溫系統(tǒng)，可考慮將冷風(fēng)送入泵房的方式給泵房降溫，效果更好。

1.3 管路選擇及安裝

通常設(shè)計中，水泵運行采用單泵對單管的運行方式。這樣設(shè)計，設(shè)備運行穩(wěn)定，運行工況最好，因此在條件允許的情況下建議優(yōu)先選用單泵對單管的運行方式。但對于涌水量大的礦井，單泵單管運行方式的問題是管路數(shù)量過多，需要增加井筒直徑。但在深井的情況下，井筒設(shè)計要盡量縮小井筒直徑，可減小投資。特別是地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，增大井筒直徑直接增加了鉆井的復(fù)雜性和危險性。因此井筒的大小和排水管路的選擇方式成為了一對矛盾。

為了減少管路數(shù)量，縮小井筒直徑，設(shè)計可采用兩泵一管并聯(lián)運行的方式，這樣設(shè)計的缺點就是管路直徑較大，帶來了管重，水重，管路溫度力等都非常的大等問題，常規(guī)設(shè)計的話，直管座采用托架梁進行支撐非常困難。所以針對這樣排水系統(tǒng)復(fù)雜的礦井，建議設(shè)計初應(yīng)做好系統(tǒng)各個節(jié)點的設(shè)計，井筒施工時留好梁窩，直管座梁在條件允許的情況下采用預(yù)埋的方式。如果受到井筒施工的限制，如井筒的施工方法采用凍結(jié)施工等，必須采用托架支撐，則需要通過優(yōu)化設(shè)計降低托架受力，滿足托架的承載要求。

減小托架承載力的方法如下：

1)提高管路材質(zhì)減小溫度力。管路的材料通常采用20號鋼，千米深井的管路，由于壓力比較大，且管徑也大，壁厚會非常厚，管重和溫度力都會非常大，針對這種情況，建議提高管路材質(zhì)，如選用Q345的鋼材，這樣會大大降低管路壁厚，減小管重和溫度力，效果明顯。

2)加裝管路伸縮器的方式減小溫度力。為減小溫度力，可采用加裝了管路伸縮器的方式清除溫度力。常規(guī)做法是在每個直管座梁的下方加裝伸縮器，但考慮到伸縮器的價格非常貴，同時壓力很大的伸縮器產(chǎn)品可靠性有待驗證，因此可以在井筒最上部溫度變化大的位置加裝。同時應(yīng)同采礦專業(yè)配合，確定地質(zhì)層變形較大的部位應(yīng)給與加裝。在調(diào)研發(fā)現(xiàn)有的礦井地質(zhì)層沉降較大，會出現(xiàn)局部變形，造成管路彎曲幅度很大，影響罐籠或箕斗的運行，所以應(yīng)在此層加裝，抵消井筒沉降對管路的影響。

3)分散直管座管路支撐，減輕支撐梁的受力。直管座支撐管路時，管路對直管座的受力不是很大的情況下，通常采用條梁支撐多個管路的設(shè)計，但對于管路受力很大的情況，往往設(shè)計托架不能滿足過大的受力，這時候可采用減少直管座量支撐管路數(shù)量和增加直管座梁的數(shù)量來解決。達到降低托架受力，使得托架支撐能滿足要求。

2 實際設(shè)計案例

北京華宇工程有限公司設(shè)計的甘肅慶陽煤電新莊煤礦就是這樣一個數(shù)種不利工況并存的礦井。

2.1 新莊礦井排水系統(tǒng)基礎(chǔ)條件

新莊礦井屬于水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，主排水采用直接排水系統(tǒng)，在副立井井底車場附近設(shè)有水倉及主排水泵房。新莊礦井設(shè)有在主井工業(yè)場地和副井工業(yè)場地，兩個場地相距約3km。由于場地限制，井下水處理站只能設(shè)置在副井工業(yè)場地，因此，管路只能在副立井內(nèi)敷設(shè)。由于地質(zhì)條件原因，新莊礦井副立井提升采用凍結(jié)法施工，井筒尺寸在條件允許的情況下要盡量小。

2.2 新莊礦井排水系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計選用MD600-118×9型礦用多級離心泵8臺，配YB800M1-4型(2800kW、10kV、1480r/min)礦用隔爆異步電動機，正常涌水時每2臺1組并聯(lián)1趟管路運行，共4臺(2組)同時工作，3臺備用，1臺檢修；最大涌水時共6臺(3組)同時工作。排水管路選用DN450無縫鋼管3趟，2趟工作，1趟備用，沿副立井井筒敷設(shè)，井筒管路分段選擇壁厚，排水系統(tǒng)如圖1所示。工況點參數(shù)：

新管(并聯(lián))：流量1261.6m3/h、揚程1030.0m、效率76.5%、軸功率4767.0kW(單趟管路兩臺水泵)。

舊管(并聯(lián))：流量1225.9m3/h、揚程1048.9m、效率76.6%、軸功率4710.2kW(單趟管路兩臺水泵)。

新莊礦井設(shè)有主井工業(yè)場地和副井工業(yè)場地，兩個場地相距約3km。由于場地限制，井下水處理站只能設(shè)置在副井工業(yè)場地，因此，管路只能延副立井敷設(shè)。由于地質(zhì)條件原因，新莊礦井副立井采用凍結(jié)法施工，井筒尺寸在條件允許的情況下要盡量小。綜合以上原因，如果采用單泵單管運行方式，主排水要6趟管路，再加上強排系統(tǒng)管路，管路過多，井筒直徑過大，不僅不好布置，且井筒施工困難增大，綜合考慮放棄了單泵單管的方案。

新莊礦井選用MD600-118×9型氣蝕性能好的水泵，標(biāo)準(zhǔn)流量下的必需氣蝕余量為3.5m，考慮海拔和溫度影響后水泵的允許安裝高度為5.5m，滿足礦井排水要求，同時由于新莊礦井涌水有較強的腐蝕性，根據(jù)水質(zhì)情況，水泵設(shè)計采用不銹鋼材質(zhì)。水泵配套電機選用YBKK型(2800kW、10kV、1480r/min)礦用隔爆異步電動機，有滿足井下排水使用的電機。

對于泵房散熱問題，考慮到礦井有降溫系統(tǒng)，采用將冷風(fēng)送入泵房的方式給泵房降溫，效果更好，因此采用這種方式給泵房降溫。同時為增加主排水泵房的安全運行系數(shù)，在電機的訂貨要求中，要求電機帶有出風(fēng)口法蘭，便于將熱風(fēng)到導(dǎo)出，幫助泵房降溫，保證系統(tǒng)運行安全。

由于新莊礦井井筒采用凍結(jié)法施工，除了底部均無法預(yù)留梁窩，因此設(shè)計盡量減小支撐梁的受力，以滿足托架受力要求。新莊礦井采用20號鋼時，井筒底部管路壁厚達到了30mm。針對這種情況，新莊礦井管路材質(zhì)選用Q345的鋼材，這樣會降低管路壁厚，換材料后，井筒底部底部管路壁厚25mm，大大減小管重和溫度力，效果明顯。

圖1 新莊主排水系統(tǒng)圖

為進一步減小溫度力，新莊礦井在溫度變化最大的區(qū)域，井筒頂部管路支撐梁的底部加裝了管路伸縮器。設(shè)計同時考礦井上部黃土地層的厚度，在上部第二層支撐梁底部也加裝了管路伸縮器，用以抵消井筒沉降對管路的影響，同時可以減小溫度力的影響。

新莊礦井副井管路很多，敷設(shè)有3趟主排水管路、3趟應(yīng)急排水管路，同時還有壓風(fēng)管路、注漿管路、注氮管路及消防灑水管路等。在直管座梁的支撐管路的設(shè)計上，為減輕托架的支撐力，設(shè)計直管座支撐梁采用重管配輕管的原則，比如1個支撐梁支撐1趟排水管和1趟壓風(fēng)管，降低托架受力，使得托架支撐能滿足要求。

3 結(jié) 論

1)千米深井、涌水大、且伴有地?zé)岬葟?fù)雜工況排水系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)考慮：海拔、水溫、水質(zhì)及電機功率對水泵選型的影響。

2)泵房的散熱問題設(shè)計初期應(yīng)綜合考慮，提前考慮電機訂貨、泵房通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計等。

3)井筒管路設(shè)計時應(yīng)考慮減小梁的受力，如采用提高管路材料強度，降低管路壁厚達到降低管重和溫度力，增加管路伸縮器及合理分配支撐梁支撐管路的方式。

同時設(shè)計初期應(yīng)系統(tǒng)考慮排水方案，結(jié)合排水系統(tǒng)合理性，地質(zhì)條件等，在整個礦井井筒動工前同各個專業(yè)協(xié)商優(yōu)化方案，避免施工圖設(shè)計階段出現(xiàn)配合不到位的問題。