李元堃

（寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750021）

礦井排水系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際排水路線進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，本文以國能集團(tuán)寧煤分公司金鳳煤礦+1125m 水平排水系統(tǒng)為具體案例，對機(jī)械管道壓力排水和重力排水2 種方案進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算比選，對同類型礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

金鳳煤礦為國能集團(tuán)寧煤分公司主力生產(chǎn)礦井，隨著礦井生產(chǎn)開拓需要，金鳳煤礦委托寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院對礦井北部區(qū)域進(jìn)行延深設(shè)計(jì)，筆者為該設(shè)計(jì)主要參與者。

設(shè)計(jì)需在礦井北部區(qū)域+1125m 水平設(shè)排水泵房，建立北部區(qū)域+1125m 水平排水系統(tǒng)，將北部區(qū)域涌水排至礦井現(xiàn)有+1150m 主水倉，再由+1150m 水平排水系統(tǒng)接力排至礦井地面污水處理廠。

北部區(qū)域預(yù)計(jì)正常涌水量550m3/h，最大涌水量900m3/h，排水路線為：+1125m 水平水泵房→管子道→北部區(qū)域回風(fēng)巷→緩沖水倉→北部區(qū)域帶式輸送機(jī)大巷→+1150m 水平主水倉，排水線路總長3910m。

整個(gè)排水路線分為上、下坡兩部分。上坡段：+1125m 水平排水泵房→管子道→北部區(qū)域回風(fēng)巷，最高點(diǎn)巷底標(biāo)高+1223m，排水垂高+98m；下坡段：北部區(qū)域帶式輸送機(jī)大巷→+1150m 水平主水倉，排水垂高-73m（見圖1 排水路線平、剖面圖）。

圖1 排水路線平、剖面圖

2 排水方案

根據(jù)礦井涌水量，+1125m 水平泵房內(nèi)排水設(shè)備初步選擇5 臺MD450-60 型多級礦用耐磨離心泵，在整個(gè)排水路線中針對上、下坡段如何進(jìn)行排水?dāng)M選擇兩種方案進(jìn)行對比。

方案一，礦井北部區(qū)域涌水由北部+1125m 水平水泵房排水設(shè)備，通過排水管路沿管子道、北部區(qū)域回風(fēng)巷敷設(shè)至緩沖水倉，再由北部區(qū)域帶式輸送機(jī)大巷巷道內(nèi)的水溝自流至礦井+1150m 主水倉。

方案二，礦井北部區(qū)域涌水由北部+1125m 水平水泵房排水設(shè)備，通過管路沿排水線路全程敷設(shè)，將礦井水排至+1150m 主水倉。

2.1 排水管直徑計(jì)算

按2m/s 經(jīng)濟(jì)流速計(jì)算排水管直徑：

選直徑為φ325×8mm 無縫鋼管Dg=309mm。

2.2 水溝流量計(jì)算

水溝容許最大流量計(jì)算公式如下：

式中，Q 為水溝流量（m3/s）；F 為水溝過水?dāng)嗝娣e（m2）；V 為水流速度（m/s）；C 為謝基系數(shù)；R 為水力半徑（m）；P 為過水周界(m)；i 為水溝底坡坡度；n 為水溝粗糙度；（一般混凝土面0.014，粗糙混凝土面0.017，不構(gòu)筑的水溝0.02）。

Y 為與n 和R 有關(guān)的指數(shù)，采用上述公式計(jì)算（或按近似公式計(jì)算：R＜1.0m 時(shí)，，R＞1.0m 時(shí)，；計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 水溝流量計(jì)算結(jié)果

2.3 排水方案比選

排水路線上坡段全長810m，起點(diǎn)標(biāo)高+1125m，終點(diǎn)標(biāo)高+1223m，排水垂高+98m，應(yīng)采用機(jī)械管道壓力排水。排水路線下坡段全長3100m，起點(diǎn)標(biāo)高+1223m，終點(diǎn)標(biāo)高+1150m，排水垂高-73m，坡度（23.55‰），符合明渠均勻流的特點(diǎn)，適合采用重力自流排水。

方案一與方案二均為從泵房至排水路線最高點(diǎn)敷設(shè)管路采用機(jī)械壓力排水，區(qū)別在于：方案一上坡段敷設(shè)管路排水（線路長810m），下坡段使用巷道內(nèi)水溝自流排水（線路長3100m），需將現(xiàn)有水溝斷面擴(kuò)大；方案二全程敷設(shè)排水管路（線路長3910m）。

北部區(qū)域帶式輸送機(jī)大巷內(nèi)現(xiàn)有水溝斷面為矩形（300×300mm），經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)有水溝斷面尺寸不滿足礦井正常及最大涌水時(shí)排水要求，需擴(kuò)大水溝斷面尺寸。在設(shè)計(jì)水溝時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)：水溝的寬度與深度應(yīng)以50mm 為模數(shù)，以便于設(shè)計(jì)和施工；水溝在使用過程中需定期清理，因此水溝的寬度應(yīng)大于清理工具的寬度，以便清理；水溝中水流過滿會(huì)溢出，規(guī)定水溝的充滿系數(shù)不應(yīng)大于0.75，安全高度（水面至水溝溝緣的高度）應(yīng)不小于50mm，保證水溝中的水流不溢出。

經(jīng)計(jì)算比較，水溝斷面2 不滿足礦井最大涌水時(shí)3臺水泵同時(shí)工作時(shí)流量（1350m3/h）要求，斷面1 與斷面3 均滿足流量要求，但斷面1 水溝尺寸大于斷面3，本著滿足排水需求的前提下盡可能減小的水溝尺寸，選擇斷面3 作為方案二的水溝斷面（見圖2 為水溝流量計(jì)算結(jié)果）。

由表1（北部區(qū)域+1125m 水平排水系統(tǒng)方案對比表）可知，運(yùn)營費(fèi)用方案一略優(yōu)于方案二，設(shè)備投資方案二遠(yuǎn)高于方案一；方案一在排水路線下坡段需擴(kuò)大水溝斷面尺寸（300mm×300mm 擴(kuò)為500mm×450mm）；方案二需在整個(gè)排水路線上敷設(shè)三趟3910m 長、規(guī)格為φ325×8 的排水管路，管路材料費(fèi)和安裝費(fèi)投資大，綜合考慮設(shè)計(jì)推薦方案一為本次排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

表1 北部區(qū)域+1125m 水平排水系統(tǒng)方案對比表

3 排水系統(tǒng)設(shè)備選型

3.1 水泵及排水管路

北部區(qū)域+1125m 水平水泵房選用MD450-60×2 型多級離心泵5 臺，單臺流量335 ～500m3/h，揚(yáng)程130～114m，轉(zhuǎn)速1480r/min；選用3 趟φ325×8mm 無縫鋼管，由+1125m 水平水泵房經(jīng)管子道、北部區(qū)域回風(fēng)巷敷設(shè)至緩沖水倉，再由北部區(qū)域帶式輸送機(jī)大巷內(nèi)的水溝經(jīng)重力自流至+1150m 水平主水倉，排水線路總長3910m（機(jī)械增壓排水路線長810m，重力自流排水路線長3100m）；正常涌水量時(shí)2 臺水泵工作2 臺備用1 臺檢修、配2 趟排水管路，最大涌水量時(shí)3 臺水泵工作2 臺備用、3 趟排水管路同時(shí)工作（詳見表2 北部區(qū)域+1125m 水平水泵房排水設(shè)備技術(shù)參數(shù)表）。

表2 北部區(qū)域+1125m 水平水泵房排水設(shè)備技術(shù)參數(shù)表

3.2 電動(dòng)機(jī)

設(shè)計(jì)每臺水泵選YB355L1-4 型隔爆電動(dòng)機(jī)1 臺，功率280kW，電壓10kV，轉(zhuǎn)速1480r/min。

3.3 水泵工況點(diǎn)

根據(jù)H ＝Ha ＋Hs ＋R×Q2繪制管路特性曲線，得出水泵在新管與舊管運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)，詳見圖3 排水性能曲線圖。

圖3 排水性能曲線圖

新管時(shí)的工況點(diǎn)：流量：498m3/h，揚(yáng)程：113.8m，效率：79%，水泵軸功率：205.1kW。

舊管時(shí)的工況點(diǎn)：流量：434.6m3/h，揚(yáng)程：123.0m，效率：78%，水泵軸功率：196.0kW。

3.4 水泵房

北部區(qū)域+1125m 水平水泵房排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ZPB型中壓氣液兩用噴射泵起動(dòng)方式，使水泵實(shí)現(xiàn)無底閥排水。為便于水泵檢修，泵房內(nèi)設(shè)置起重梁和環(huán)鏈?zhǔn)掷J。泵房配水井內(nèi)安裝PZ1000-1 型配水閘閥，配水閘閥直徑Dg1000、公稱壓力Pg1。

4 結(jié)語

相比傳統(tǒng)機(jī)械壓力管道排水系統(tǒng)，重力自流排水投資小能耗低，但使用條件受限于排水路線上的巷道坡度，建議排水路線經(jīng)過的巷道坡度滿足重力排水的情況下盡可能采用重力自流排水系統(tǒng)。使用重力自流排水系統(tǒng)時(shí)，需定期對水溝進(jìn)行清淤，以免水溝斷面積減小產(chǎn)生巷道底板積水，如巷道坡度較大導(dǎo)致水流速度過快時(shí)，可視情況在排水路線上設(shè)置緩沖水倉存儲(chǔ)水流勢能避免水溝內(nèi)礦井水淤出。