何以劍，肖國強，鄒志剛，王 然，毛永祥

（1.昆明煤炭設(shè)計研究院，云南 昆明 650000；2.云南先鋒煤業(yè)開發(fā)有限公司，云南 昆明 650224）

我國南方露天煤礦主要分布于云南省，具有代表性的礦山如：云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局布沼壩露天礦，規(guī)模1 400萬t/a；山心村露天煤礦，規(guī)模500萬t/a；先鋒露天煤礦，規(guī)模300 t/a等。受季風氣候影響，南方露天礦山采掘場排水特點：旱、雨兩季排水極不均衡，旱季時排水量極少或不排、雨季時大量排水。目前礦山基本采用半固定泵站排水，暴雨或特大暴雨時常出現(xiàn)淹泵事件。

近年來個別礦山開始探索浮船泵站排水，但因制造過于簡單粗糙，曾發(fā)生進水沉沒，使用存在風險，且浮船缺少與岸邊的連接通道，系統(tǒng)不健全，造成許多不便。

以先鋒露天煤礦為例對礦山采用的半固定泵站排水存在的問題進行了分析，并對浮船泵站在露天煤礦采掘場排水中的應(yīng)用進行了研究。經(jīng)過分析總結(jié)，浮船泵站在提高制造水平、完善系統(tǒng)組成的情況下，在露天煤礦采掘場排水中應(yīng)用優(yōu)勢明顯，可徹底解決礦山淹泵事件，保障礦山正常安全生產(chǎn)。

1 礦山概況

先鋒露天煤礦位于云南省昆明市尋甸回族、彝族自治縣境內(nèi)，該區(qū)為亞熱帶高原季風氣候區(qū)，干濕季分明，雨量多集中在5—9月間，約占全年降雨量的81%。年平均降雨量為1 018.6 mm，年最高降雨量1 328.3 mm，日最大降雨量為142.4 mm，長歷時降雨天數(shù)為25 d，降雨量為292.6 mm。2018年前礦山采用半固定泵站排水，因泥沙淤積嚴重水倉有效容積不足，暴雨時大量降雨匯水涌入礦坑，曾出現(xiàn)數(shù)次淹沒泵房事件。

為避免泵房淹沒，礦山曾采取提高泵房標高，增大坑底水倉有效容積的辦法解決。由于礦山泥沙淤積速度達2.23萬m3/a，且難以清淤，水倉有效容積呈快速減小態(tài)勢，暴雨淹泵問題始終困擾礦山生產(chǎn)。2017年應(yīng)礦山委托昆明煤炭設(shè)計研究院對浮船泵站在先鋒露天煤礦的應(yīng)用進行設(shè)計，2018年浮船泵站正式投入礦山使用，至今歷時2個雨季和數(shù)次暴雨考驗，礦山未發(fā)生淹泵事件。

2 半固定泵站排水方式及存在的問題

2.1 半固定泵站排水方式

先鋒露天煤礦采掘場半固定泵站[1]排水方式工藝系統(tǒng)由坑底水倉、半固定泵站、離心泵、排水管路及供配電系統(tǒng)組成，先鋒露天煤礦采掘場半固定泵站排水工藝示意圖如圖1。

圖1 先鋒露天煤礦采掘場半固定泵站排水工藝示意圖

系統(tǒng)特點：于采掘場最低洼位置開挖水倉儲水，岸邊擋墻支護后設(shè)置半固定泵站及配電室，離心泵安裝于半固定泵站內(nèi)，離心泵通過吸水管吸水后加壓由排水管排出采場。正常生產(chǎn)時采場每年需降深10 m，半固定泵站需隨采場降深每2年移設(shè)1次。

先鋒露天煤礦坑底水倉開挖于2014年，水倉底標高為＋2 061.5 m，排水泵房布置于＋2 072.5 m水平，坑底水倉儲水容積為20萬m3。因泥沙淤積，2017年雨季前水倉容積減少至13.46萬m3。因離心泵吸水高度限制，水倉容積13.46萬m3中，有效容積僅為9.43萬m3（最低吸水標高+2 068.5 m水平以上），無效容積為4.03萬m3（最低吸水標高＋2 068.5 m水平以下）。

2.2 存在的問題

2017年9月14日，礦區(qū)突降特大暴雨，水倉水位快速上漲，其中凌晨3—4時上漲最快，僅1 h內(nèi)匯入水倉的水量達6萬m3，最終淹沒坑下排水泵房，淹沒標高為＋2 073.2 m，淹沒高度達0.7 m。

2.2.1 暴雨時半固定泵站淹沒風險較高

為判斷現(xiàn)有半固定泵站淹沒風險程度，對99%、50%、20%、10%、5%、2%等不同暴雨頻率下，采掘場坑下最大積水Qj為[2]：

式中：Qj為采掘場積水量；m3；Qa為采掘場地下涌水量，m3；Qb為采掘場暴雨匯水量，m3；Qp為水泵排水量，m3。

1）采掘場地下涌水量Qa。根據(jù)礦山生產(chǎn)實際，采掘場地下涌水量3 082 m3／d，Qa=3 082-T，式中：T為排水天數(shù)。

2）采掘場暴雨匯水量。參考云南省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集，根據(jù)皮爾遜Ⅲ（P—Ⅲ）型曲線確定99%、50%、20%、10%、5%、2%等不同暴雨頻率下。

采場暴雨匯水量[3]Qb為：

式中：Qb為坑內(nèi)T日暴雨匯水量，m3；F為目前采場匯水面積，F(xiàn)=2.345×106m2；HT為設(shè)計暴雨頻率下降雨歷時T天內(nèi)暴雨量，HT=H1×Ta；H1為設(shè)計暴雨頻率下1 d暴雨量值；T為長歷時暴雨天數(shù)；a為長歷時暴雨衰減系數(shù)；αb為暴雨徑流系數(shù)，按煤-泥巖選取，長歷時選取暴雨αb=0.5。

3）水泵排水量。礦山現(xiàn)有3臺DFSS200-670型離心泵和2臺DFSS200-520A型離心泵排水，現(xiàn)有的5臺離心泵總額定排水能力3 371 m3/h，受設(shè)備老舊磨損及排水管路結(jié)垢等影響，水泵實際排水能力已降效?，F(xiàn)有離心泵排水能力約為2 696.8 m3/h。煤礦利用現(xiàn)有5臺離心泵全開排水，排水2 696.8 m3/h，日排水20 h。水泵排水量Qp=2 696.8×20×T=5 3936·T。

4）采掘場坑下積水計算。Qj=Qa＋Qb-Qp=3 082T＋2.345×106·H1·Ta·0.5·5 3936·T。通過對函數(shù)Qj求導(dǎo)得Qj’，令Qj’=0，得到極值點時變量T取值，代入函數(shù)Qj計算得出相應(yīng)暴雨頻率下坑下積水的最大值。尋甸地區(qū)不同暴雨頻率降雨量值見表1。

表1 尋甸地區(qū)不同暴雨頻率降雨量值

先鋒露天煤礦坑底水倉容積13.46萬m3中，有效容積僅為9.43萬m3，根據(jù)表1計算出現(xiàn)20年一遇及以上暴雨時即會出現(xiàn)淹泵危險。

2.2.2 泥沙淤積嚴重影響水倉有效儲水

先鋒露天煤礦煤系地層為第三系中新統(tǒng)小龍?zhí)督M地層，該地層巖體軟弱，礦山開采揭露后，在風化作用下巖體結(jié)構(gòu)被破壞變成散體狀態(tài)。雨季時在雨水沖刷、攜帶下，大量泥沙進入水倉，造成水倉淤積。據(jù)水倉實測圖，2014—2017年3年間水倉累計淤積泥沙達6.6萬m3，平均年淤積泥沙量為2.23萬m3，截止2017年雨季前水倉有效容積降至9.43萬m3。隨著時間推移，泥沙將進一步淤積，水倉有效容積還將繼續(xù)減小，今后發(fā)生5年一遇、10年一遇等較高頻率暴雨均可能導(dǎo)致半固定泵站淹沒。

2.2.3 受水泵吸水高度限制及水倉容積利用率低

水泵固定安裝于＋2 072.5 m水平半固定泵站，受水泵吸水高度影響[4-6]，水倉總?cè)莘e13.46萬m3中，有效容積僅為9.43萬m3（最低吸水標高＋2 068.5 m水平以上），無效容積為4.03萬m3（最低吸水標高＋2 068.5 m水平以下），水倉容積有效利用率僅為70%，水倉容積利用率低，不利于排水。

1）泵站頻繁建設(shè)，建設(shè)成本高。其它排水泵站為半固定泵站，隨著生產(chǎn)降深泵站需每2年移設(shè)1次，泵站需頻繁建設(shè)、安裝，成本較高。

2）隨著礦山開采泵站淹沒風險進一步提高。隨著礦山開采降深，今后采場匯水面積將不斷增大，最大時將達5.21 km2，相比目前的2.345 km2增加，暴雨匯水量將大大增加，暴雨時泵站被淹沒風險較高。

3）管理水平及供電可靠性直接關(guān)系泵站安全。暴雨時保證設(shè)備完好正常運行和及時開啟水泵排水直接關(guān)系到泵站安全，半固定泵站對礦山管理水平要求較高。同時泵站容易受停電等外在不可控因素影響，供電可靠性直接影響泵站安全。

綜上，傳統(tǒng)半固定泵站排水，泵站安全受水倉有效容積、暴雨量、匯水面積、管理水平、供電可靠性等因素影響，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題均可能發(fā)生淹泵事故，且泵站頻繁建設(shè)，使用成本相對較高。

3 浮船泵站排水方式

為解決半固定泵站排水存在的隱患，對浮船移動泵站排水進行了研究。浮船移動泵站排水方式工藝系統(tǒng)由坑底水倉、泵船、浮橋、離心泵、排水管路及供配電系統(tǒng)組成[7]，露天煤礦采掘場浮船移動泵站排水工藝示意圖如圖2。

圖2 露天煤礦采掘場浮船移動泵站排水工藝示意圖

系統(tǒng)特點：礦山于采掘場最低洼位置開挖水倉儲水，水泵置于浮船上，吸水管深入水中，排水管及電纜通過浮橋于岸邊相連，離心泵通過吸水管吸水后加壓由排水管排出采場。

浮船移動泵站核心為浮船和連接岸邊的浮橋。浮船負責承載水泵、管路、供配電設(shè)備（可置于岸邊）、船上構(gòu)筑物、作業(yè)人員、管道中的水，浮船無需配置動力系統(tǒng)，建造重點為密封及防腐。浮橋負責連接岸邊與浮船，是人員和設(shè)備進入浮船作業(yè)、排水管路和電纜走行的通道，其隨水面升降而浮起落下，為鉸接浮橋。浮橋與岸邊的搭接點位置決定了浮船運行的最高標高，搭接點位置越高浮船服務(wù)的范圍越大，其允許的水倉儲水容積越大[8]。

浮船移動泵站排水方式，存在如下優(yōu)點：①采掘場坑底水倉水面平穩(wěn)、寬闊，水中無漂浮物，較適合泵船使用；②浮船無需配置動力系統(tǒng)，建造工藝簡單，可自行或外委建造，造價低；③浮船移動泵站無需建擋墻，泵站建設(shè)投資少；④水泵置于浮船之上，隨船上下浮動，任何暴雨工況水泵均不存在淹沒風險；⑤離心泵吸水管始終處于水面下一定位置，水泵作業(yè)時汽蝕小，吸水工況好，有利于發(fā)揮水泵效率；⑥吸水管隨水位降低而降低，水倉儲水基本可全部排出，水倉容積利用率高；⑦隨著生產(chǎn)降深，僅水倉須兩年建設(shè)一次，泵船及浮橋隨之移動，無需新建設(shè)泵站；⑧設(shè)備故障、未及時開啟水泵排水、停電等因素對泵站安全影響小，泵站的運行對礦山管理水平要求一般。

針對個別礦山曾出現(xiàn)的進水沉沒問題，經(jīng)現(xiàn)場查看，分析認為泵船沉沒原因為船體制造過于簡單粗糙，未做密封。今后制造過程中，通過將船體設(shè)置多個密封倉，可解決進水沉沒危險。

浮船移動泵站排水方式缺點：管路沿浮橋鋪設(shè)，設(shè)柔性連接，連接位置水壓過大時容易損壞，須定期更換。

綜上，浮船移動泵站在南方露天礦山實用性好、工藝簡單、建造成本低，受泥沙淤積影響小、水泵效率高、水倉容積利用好、管理簡單、可徹底解決半固定泵站淹泵風險，在降雨量豐富，暴雨頻發(fā)的南方露天煤礦采掘場排水中應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

4 結(jié)語

先鋒露天煤礦目前采用的半固定泵站，水泵為固定安裝，排水泵站安全受水倉有效容積、暴雨量、匯水面積、管理水平、供電可靠性等因素影響，任何一個因素出現(xiàn)問題均可能發(fā)生淹泵危險，且泵站頻繁建設(shè)，使用成本相對較高。

浮船移動泵站，水泵隨船上下浮動，破除了半固定泵站受吸水高度影響的限制，泵站服務(wù)的水倉容積可極大放大，泵站對降雨不均衡、單點暴雨反應(yīng)不靈敏，對供電可靠性、管理水平要求不高，可解決傳統(tǒng)半固定泵站排水淹泵風險，且系統(tǒng)簡單、投資小、建造容易，是一種良好的排水方式，適合南方降雨不均衡、暴雨量大、降深速度快的露天礦采掘場排水。