〔摘 要〕通過對國內(nèi)外的千米深井排水方式以及排水設(shè)備進(jìn)行了調(diào)研考察，分析了在千米深井排水系統(tǒng)中應(yīng)用良好的國產(chǎn)水泵型號，以及常用排水管路布置方案和防護(hù)措施。在對國內(nèi)某超千米的金屬礦排水設(shè)計(jì)中，對直排方案和接力排水方案進(jìn)行了方案比選，最終選擇了直排方案。經(jīng)過對設(shè)備的選型計(jì)算和工況點(diǎn)校核，各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，證明了該排水方案的可行性。同時(shí)，針對安裝過程可能存在的問題，提出了相應(yīng)的解決措施。

〔關(guān)鍵詞〕超千米深井;排水系統(tǒng);涌水量;水錘力

中圖分類號： TD862；TU992 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）06-0011-04

Design and Discussion of Drainage Systems for Over Kilometer Deep Wells

XU Gaofeng， XIONG Gen， WAN Qingyu， QU Fangyu， QI Yan

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" The research and investigation was conducted on the drainage methods and equipment of kilometer deep wells at home and abroad.Additionally， an analysis was performed on domestic water pump models that perform well in kilometer-deep well drainage systems， as well as common drainage pipeline layout schemes and protective measures.In the drainage design for a metal mine exceeding one kilometer in depth in China， a direct drainage scheme and a relay drainage scheme were compared. Ultimately， the direct drainage scheme was selected.After the selection and calculation of the equipment， and verification of the operating condition points， all parameters has fulfilled the design requirements， proving the feasibility of the drainage scheme. Furthermore， corresponding solutions have been proposed to address potential problems of the installer.

Keywords" "over-kilometer deep well; drainage system; water inflow; water hammer force

隨著資源開采的深入和需求的不斷增長，地表及淺部礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭，礦山企業(yè)不得不向更深的地下探索新的資源。目前，采礦技術(shù)已逐步走向超千米深井開采。超深開采帶來的大涌水量、大高差、高地?zé)峒皬?fù)雜水質(zhì)等難題，使排水系統(tǒng)的可靠性成為采礦作業(yè)能否持續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵因素。因此，排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需綜合考慮多方面因素，以確保其高效、穩(wěn)定運(yùn)行。本文旨在深入探討超千米深井排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難題及解決方案。

1 超千米排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

目前隨著礦山開采深度的增加，國內(nèi)也建設(shè)了多個(gè)擁有千米深井的礦山。隨著深度的增加，礦井的涌水量更多，水溫也更高，水質(zhì)變差。垂直高差大、涌水量大、溫度高等問題給千米深井排水帶來難題。在這種惡劣的工況下，應(yīng)在設(shè)計(jì)中充分考慮水泵、大功率電機(jī)的選擇，管道的布置，以及水錘的預(yù)防等，以保證排水系統(tǒng)的可靠性。

1.1" 水泵選型[1]分析

水泵的正確選型是深井排水問題的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)礦山深井排水主要以一段排水和接力排水兩種方式為主。一般而言，一段排水是指通過1臺或多臺水泵直接從井底抽水至地面。采用該方式的排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，適用于井深較淺、涌水量相對穩(wěn)定的礦井。國內(nèi)已有千米深井采用了一段排水的實(shí)際案例。接力排水是通過多臺水泵接力抽水，這種方式可以提高排水的可靠性和效率，更適用于井深較深、涌水量大或水文地質(zhì)條件復(fù)雜的深井。無論采取哪種排水方式，水泵的選型都需要根據(jù)深井的具體條件和水文地質(zhì)特點(diǎn)，綜合考慮流量、揚(yáng)程、類型及耐腐蝕性能等因素，以確保深井排水的穩(wěn)定、高效和可靠。筆者對國內(nèi)已實(shí)施超千米排水的礦山進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前生產(chǎn)應(yīng)用且運(yùn)轉(zhuǎn)良好的水泵主要為上海第一水泵廠生產(chǎn)的PJ200型水泵。該水泵引用了國外的技術(shù)研制成果，額定流量Q=420 m3/h，揚(yáng)程H=1 127.9 m，目前運(yùn)行良好。該廠還有其他較大級數(shù)的水泵可以滿足不同礦山的排水需求。另外，湖北石首水泵廠生產(chǎn)的DKM360型水泵也在超千米礦山的排水系統(tǒng)中有實(shí)際應(yīng)用。該水泵額定流量Q=360 m3/h，揚(yáng)程H=1 097.0 m。該泵自2000年在某礦山投入使用以來，各項(xiàng)工藝指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求[2]。

調(diào)研結(jié)果表明，目前國產(chǎn)品牌在超千米排水系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，這對設(shè)計(jì)過程中水泵選型提供了更大的便利性和靈活性。

1.2" 水泵的電機(jī)匹配分析

在超千米深井中，由于水量通常較大，選擇水泵時(shí)應(yīng)在遵循相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，盡量減少水泵臺數(shù)，以簡化排水系統(tǒng)。但考慮到目前煤礦礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志認(rèn)證的水泵最大功率約為3 000 kW，因此在選型時(shí)，還應(yīng)避免選擇流量過大的水泵。

1.3" 排水管路布置及防護(hù)措施分析

在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單泵對應(yīng)單管的配置方式通常被視為最優(yōu)方案。這是因?yàn)樵摲桨改艽_保水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性，并使設(shè)備處于最佳工況。然而，在超千米深井的排水系統(tǒng)中，若涌水量較大，所需水泵的數(shù)量也會相應(yīng)增多。若此時(shí)采用單泵對應(yīng)單管的配置方案將導(dǎo)致排水管路增多，進(jìn)而使井筒斷面擴(kuò)大，影響經(jīng)濟(jì)性。

為減少排水管路的數(shù)量并縮小井筒斷面尺寸，設(shè)計(jì)中常采用雙泵對應(yīng)單管的方案，但這會相應(yīng)地增大排水管的直徑。因此，在井筒設(shè)計(jì)與裝備過程中，需要預(yù)先規(guī)劃并留設(shè)足夠的梁窩以適應(yīng)排水管直徑增大所帶來的變化。

排水系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，對排水管的工況通常不會產(chǎn)生不良影響。但在水泵突然啟停的過程中，會產(chǎn)生較大的水錘力。若缺乏有效的防護(hù)措施，這種水錘力可能會對排水系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害。通常，選擇經(jīng)濟(jì)流速在1.2～2.2 m/s的范圍內(nèi)，有助于降低水錘力的產(chǎn)生。此外，為了增強(qiáng)排水管的抗沖擊能力，還應(yīng)在排水管上設(shè)置專門的托梁，以承載水錘力帶來的沖擊。

2" "排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比選

目前，礦山大揚(yáng)程排水普遍采用臥式離心泵。該泵因設(shè)備投資低、運(yùn)行效率高、維護(hù)方便及技術(shù)運(yùn)用較為成熟等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。

某生產(chǎn)多年的金礦已在-380 m和-580 m設(shè)有接力排水系統(tǒng)。目前，該礦考慮深部延伸至 -1 330 m，延伸后現(xiàn)有泵站能力不能滿足生產(chǎn)需求。經(jīng)過前期可行性研究后，在深部區(qū)域擬建1套排水系統(tǒng)。待新系統(tǒng)建成后，廢棄現(xiàn)有排水系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)案例中，井下各中段涌水及廢水除進(jìn)入礦區(qū)排水系統(tǒng)滿足生產(chǎn)需要外，-1 030 m以上剩余的涌水及廢水均通過-1 030 m沿脈巷道水溝自流至-1 030 m排水系統(tǒng)，-1 030～-1 330 m中段剩余的涌水及廢水則通過-1 330 m沿脈巷道水溝自流至其他礦區(qū)排水系統(tǒng)排至地表。井下-1 330 m排水系統(tǒng)揚(yáng)送至-1 030 m豎井排水系統(tǒng)，由該排水系統(tǒng)接力排出地表（標(biāo)高18.88 m）。在本方案設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員綜合考慮了地下正常涌水量（26 710 m3/d）與最大涌水量（43 300 m3/d），以及排水高差（1 048 m）的要求，提出了直接排水（方案1）和接力排水（方案2）兩種設(shè)計(jì)方案。兩種方案的詳細(xì)對比如表1所示。

經(jīng)過對比分析，盡管方案1的設(shè)備投資和可比投資略高于方案2，但其排水系統(tǒng)更為簡單，且國內(nèi)已有較多成功案例。因此，綜合考慮各方面因素，最終決定采用方案1，即直接排水方案。

3" "排水設(shè)備選型

3.1" 水泵選型計(jì)算

在水泵選型中，必須根據(jù)礦山正常涌水量和最大涌水量，并結(jié)合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》《有色金屬設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)要求考慮水泵型號。另外，井下主要排水設(shè)備應(yīng)包括工作水泵、備用水泵和檢修水泵，其中工作水泵應(yīng)能在20 h內(nèi)排出一晝夜正常涌水量；工作水泵+備用水泵應(yīng)能在 20 h 內(nèi)排出一晝夜的設(shè)計(jì)最大排水量；備用水泵能力不小于工作水泵能力的 50%；檢修水泵能力不小于工作水泵能力的 25%。同樣以上述礦山項(xiàng)目為例進(jìn)行選型計(jì)算。

1）按正常涌水量確定排水設(shè)備所必須的排水能力，計(jì)算公式見式（1）。

Q'=" " " " " （1）

式中： Q'為正常涌水期間設(shè)備所必須具備的排水能力，m3/h；Qzh為礦井正常涌水量，m3/d。計(jì)算得，Q'=1 335.5 m3/h。

2）按最大涌水量確定排水設(shè)備所必須的排水能力，計(jì)算公式見式（2）。

Q'=" " "（2）

式中 ：Q'為最大涌水期間設(shè)備所必須具備的排水能力，m3/h；Qm為礦井最大涌水量，m3/d。計(jì)算得，Q'=2 165 m3/h。

3）按排水高度估算設(shè)備所需的揚(yáng)程，計(jì)算公式見式（3）。

H'=KHp" " " （3）

式中： H'為排水設(shè)備所需要的揚(yáng)程，m；Hp為排水高差，1 048m；K為揚(yáng)程損失系數(shù)，取1.08。計(jì)算得H'=1 132 m。

4）初選水泵。從所推選的方案中確定選取型號MD（P）450-95×12的多級離心泵，其額定流量為450 m3/h，額定揚(yáng)程為1 140 m，功率為2 240 kW。則正常涌水量工作臺數(shù)n1=1 335.5/450 =2.97，取n1=3。最大涌水量工作臺數(shù)n2=2 165/450=4.8，取n2=5。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求。該水泵房總共布置6臺該型號多級離心泵，正常涌水量時(shí)，3臺工作，2臺備用，1臺檢修；最大涌水量時(shí)，5臺水泵工作，1臺檢修。

3.2" 排水管路的選擇

1）管路數(shù)量。管路數(shù)量與泵房內(nèi)的水泵數(shù)量及井筒斷面都有關(guān)系。根據(jù)水泵房的水泵總臺數(shù)，本項(xiàng)目考慮3條排水管路。涌水量正常時(shí)，2用1備；涌水量達(dá)到最大時(shí)，3條管路同時(shí)工作。

2）管路材料。由于井深超過千米，考慮到水錘作用，排水管路采用無縫鋼管。

3）排水管直徑的選擇。排水管直徑可根據(jù)式（4）計(jì)算：

d'=" " （4）

式中： d'為排水管所需的直徑，m；n為向排水管輸水的水泵臺數(shù)；Q為1臺水泵的流量，m3/h；vf為排水管的經(jīng)濟(jì)流速，一般取1.2～2.2 m/s。帶入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得d'=329 mm。

４）排水系統(tǒng)水錘壓力計(jì)算。水錘壓力根據(jù)式（5）計(jì)算。

Pmax=P+" " （5）

式中：Pmax為最大水錘壓力，MPa；P為排水管路中的水的靜壓力，MPa；a為水錘的傳播速度，取1 350 m/s；v為管道水正常流速，取2.2 m/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2。經(jīng)計(jì)算，Pmax=13.51 MPa。

５）排水管壁厚計(jì)算。排水管壁厚根據(jù)式（6）計(jì)算。

δ≥0.5d'（-1）+af" " （6）

式中：δ為鋼管壁厚，mm；σω為管材許用應(yīng)力，取100 MPa；Pd為管道最低點(diǎn)的壓力，取13.51 MPa；af為管道附加厚度，取0.2 cm；d'為排水管直徑，mm。經(jīng)計(jì)算，δ≥22 mm。

由于水錘力較大，水管壁厚設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加2～3 mm。根據(jù)最終計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)選擇377 mm×24 mm無縫鋼管。

4" "排水工況點(diǎn)的確定及校核

本泵站運(yùn)行時(shí)還存在3泵對2管、5泵對3管以及1泵對1管3種工況，分別對其進(jìn)行校核，在水泵特性曲線上做管路特性曲線[4]，求出這3種水泵工況點(diǎn)參數(shù)分別為Q1=470 m3/h、H1=1 102 m，Q2=460 m3/h、H2=1 110 m，Q3=430 m3/h、H3=1 125 m。校核計(jì)算如下。

1）排水管中最大實(shí)際流速。3種工況（3泵對2管、5泵對3管及1泵對1管）下管道中最大流量分別為：705 m3/h、767 m3/h、430 m3/h，排水管中平均流速vp根據(jù)式（7）計(jì)算。

vp=" "（7）

式中：dp為排水管所需的直徑，mm；n為向排水管中輸水的水泵臺數(shù)；Q為單臺水泵的流量，m3/h。計(jì)算得：vp1 =2.3 m/s，vp2=2.5 m/s，p3=1.4 m/s。

2）水泵所需揚(yáng)程。水泵所需揚(yáng)程根據(jù)式（8）計(jì)算[4]。

" " " " "H=H0+λ·Lj+h" " （8）

式中：Lj為管道計(jì)算長度（實(shí)際管長加各種管件和閥門的等值長度），m；d為管內(nèi)徑，m；v為管內(nèi)流速，m/s；λ為管道摩擦阻力系數(shù)；h為自由水頭，m；g為重力加速度，取9.81 m/s２。

當(dāng)MD（P）450-95×12型水泵匹配377 mm ×24 mm的管路工作時(shí)，最大幾何高差為1 048 m，管路最大長度為1 100 m，等值長度為350 m，則所需揚(yáng)程H分別為：H1=1 102 m，H2=1 110 m，H3=1 125 m。

經(jīng)校核：MD（P）450-95×12型水泵在正常排水時(shí)，即2泵對1管時(shí)，管中流速為2.3 m/s，排水能力Q=1 410 m３/h，大于1 335.5 m３/h；最大涌水時(shí)，即5泵對3管時(shí)，管中流速為2.5 m/s，排水能力Q=2 300 m３/h，大于2 165 m３/h，均符合《有色金屬非金屬安全設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]對井下排水的規(guī)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

5" "安裝技術(shù)措施

1）井筒內(nèi)的排水管需采用焊接方式連接，彎管支座則通過套管將排水管與彎頭進(jìn)行焊接。在施工之前，必須對焊接工藝進(jìn)行試驗(yàn)，確保工藝滿足要求方可進(jìn)行施工安裝。在焊接過程中，應(yīng)使用高強(qiáng)度焊條，并對所有焊縫進(jìn)行探傷檢查，確保達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

2）為抵消水錘力對排水管的影響，水泵房內(nèi)應(yīng)增設(shè)能夠抵抗水錘力的支座，防止水錘力將排水管沖擊掉落。同時(shí)，為有效防止水錘力對水泵的損害，需在水泵出口安裝緩閉式止回閥。在使用過程中，若產(chǎn)生水錘力沖擊，應(yīng)采取以下措施：（1）延長閥門開啟和關(guān)閉的時(shí)間；（2）停泵時(shí)，需確保出水閥門完全關(guān)閉后再停泵；（3）水泵啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)待水泵出口壓力達(dá)到10 MPa后，再慢慢開啟水泵出水口閥門。

3）在水泵進(jìn)水口安裝真空管，使水泵由抽吸式吸水變?yōu)樽怨嗍轿?。這種方式簡單實(shí)用、安全可靠，被廣泛采用。真空罐應(yīng)通過井下供水管引出的分支灌滿。

4）為便于水泵和電機(jī)的安裝與檢修，水泵房內(nèi)配備1臺10 t的電動(dòng)單梁起重機(jī)。

6" "結(jié)論

綜上所述，本文深入探討超千米深井排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難題及解決方案，并以某礦山項(xiàng)目為例進(jìn)行了實(shí)際的方案比選、設(shè)備選型計(jì)算、排水工況點(diǎn)的確定及校核等。研究可以得出以下結(jié)論：1）該排水系統(tǒng)經(jīng)過方案比較，最終采用了直排方案，選擇MD（P）450-95×12型多級離心泵，其工況點(diǎn)的流量、揚(yáng)程均滿足設(shè)計(jì)要求，也滿足安全規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)范。校核計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了該排水方案的可行性。2）該設(shè)計(jì)方案提出的有效防止水錘力產(chǎn)生的措施，為今后的千米深井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可靠的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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