朱文翔

(國能鄂爾多斯市工程設(shè)計有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

1 抗災(zāi)排水系統(tǒng)

礦井的水文地質(zhì)類型，依據(jù)相關(guān)規(guī)定，劃分為簡單、中等、復(fù)雜和極復(fù)雜4 個等級，其具體劃分依據(jù)詳見《煤礦防治水細則》。同時《煤礦安全規(guī)程》第三百零八條要求：“在水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜或者有突水淹井危險的礦井，應(yīng)當在井底車場周圍設(shè)置防水閘門或者在正常排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上另外安設(shè)由地面直接供電控制，且排水能力不小于最大涌水量的潛水泵?！痹谒牡刭|(zhì)類型復(fù)雜、極復(fù)雜類型的礦井中井下抗災(zāi)排水系統(tǒng)作為水災(zāi)防治的重要組成部分，與礦井正常排水系統(tǒng)相結(jié)合，可以為煤礦井下的設(shè)備和人員安全提供進一步的安全保障。

2 煤礦井下強排泵房

以神東補連塔煤礦為例，根據(jù)最新的涌水量數(shù)據(jù)預(yù)測，井下正常涌水量預(yù)測約為852.7 m3/h，最大涌水量預(yù)測約為1 382.8 m3/h。根據(jù)礦井水文地質(zhì)類型劃分，補連塔煤礦屬于水文地質(zhì)復(fù)雜礦井，且在井底車場周圍未設(shè)置有防水閘門，根據(jù)要求，需要在正常排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加抗災(zāi)排水系統(tǒng)，且這套新增的抗災(zāi)排水系統(tǒng)的能力不能小于1 382.8 m3/h。

本文對神東補連塔煤礦井下強排泵房的設(shè)計思路進行簡單探討。

2.1 礦井排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

神東補連塔煤礦目前主要開采1-2 煤和2-2 煤，以2-2煤四盤區(qū)為主?，F(xiàn)井下設(shè)有4 個主要排水泵房，分別是：+1 055 m水平大巷處1 號排水泵房、2-2 煤二盤區(qū)2 號排水泵房、2-2 煤制油大巷3 號排水泵房和2-2 煤四盤區(qū)4 號排水泵房。4號排水泵房正在進行擴容改造，改造完成后這4 個排水泵房共安裝MD450 型離心泵9 臺，MD280 型離心泵9 臺，MD155 型離心泵3 臺，全礦井的外排能力最大將達到7 035m3/h，在不發(fā)生災(zāi)害性突水的情況下完全滿足礦井最大涌水量時的排水要求。

2.2 強排系統(tǒng)方案

根據(jù)礦井開拓開采接續(xù)情況和井下排水系統(tǒng)布置，并結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范中的設(shè)計要求，關(guān)于強排系統(tǒng)的設(shè)置，提出了以下兩個方案。

方案一：在呼和烏素進風(fēng)立井井底設(shè)置強排泵房，選用2 臺725 m3/h 的潛水電泵，水泵直接起泵。在地面設(shè)置配電系統(tǒng)，電源從地面風(fēng)井場區(qū)110 kV 變電站取出，通過鉆孔將電纜接入泵房。泵房內(nèi)安裝兩趟φ377 mm 管路，一泵一管，管路分別經(jīng)鉆孔至地面，在地面并成一趟φ710 mm 管路排至考考烏素溝。

方案二：在五、六盤區(qū)井底泵房水倉內(nèi)設(shè)置強排泵房，設(shè)備選用2 臺725 m3/h 的潛水電泵，直接起泵、配電系統(tǒng)設(shè)在地面，電源取自地面呼和烏素回風(fēng)立井場區(qū)變電站，電纜通過鉆孔接入泵房。管路從五、六盤區(qū)井底泵房經(jīng)巷道敷設(shè)至呼和烏素回風(fēng)立井，與呼和烏素回風(fēng)立井內(nèi)的原有兩趟φ377 mm 管路對接后將水排至地面。

經(jīng)過對比，兩個方案均可滿足補連塔煤礦所需要的不小于1 382.8 m3/h 的設(shè)防要求，也均可滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的設(shè)計要求。方案二不需要新掘水倉，礦建工程比較少，地面不需要征地，但由于強排泵房位置略高，位置較偏，如二、三盤區(qū)發(fā)生水害時，這里無法輻射整個礦井；呼和烏素進風(fēng)立井的位置位于目前井下開采煤層的較低點，有利于發(fā)揮強排泵房的排水能力，附近的空間也比較寬裕，利于施工，因此，推薦方案一。

由于強排泵房設(shè)置于全礦井采區(qū)較低點，為了防止突然發(fā)生水災(zāi)，井下水流卷著各種雜物沖擊水泵而導(dǎo)致排水設(shè)施損壞或水泵進水口堵塞，需要在泵房入口處巷道的兩側(cè)建設(shè)防護擋墻(約2 m 高），并在泵房內(nèi)兩臺潛水電泵的前后設(shè)置水倉篦子用以抵擋雜物。

2.3 潛水電泵的選型方案和依據(jù)

2.3.1 選型方案

根據(jù)選定的強排系統(tǒng)設(shè)置方案，對泵房內(nèi)潛水電泵做出如下的選型方案： 在呼和烏素進風(fēng)立井井底附近設(shè)置強排泵房，設(shè)備選用可以直接起泵的潛水電泵，泵房的配電系統(tǒng)按規(guī)定設(shè)在地面，電源取自地面呼和烏素進風(fēng)立井場區(qū)110 kV 變電站，電纜通過鉆孔接入泵房，水泵選擇2 臺BQ725-344/13-1 000/W-S 潛水電泵，主要參數(shù)：額定流量Q=725 m3/h、揚程H=344 m，配套防爆電機功率1 000 kW、電壓等級10 kV。

強排系統(tǒng)的排水能力為725×2=1 450 m3/h＞1 382.8 m3/h。符合規(guī)程規(guī)范的設(shè)計要求[1]。

2.3.2 主排水設(shè)備選型依據(jù)

1）《煤礦安全規(guī)程》第三百零八條規(guī)定：抗災(zāi)排水系統(tǒng)的排水能力不小于礦井的最大涌水量。

2）相關(guān)部門提供的井下涌水量數(shù)據(jù)，礦井的正常涌水量為852.7 m3/h，最大涌水量為1 382.8 m3/h。由涌水量數(shù)據(jù)可知，本次井下設(shè)置的強排系統(tǒng)的能力不能低于1 382.8 m3/h。因此，設(shè)計強排泵房的排水能力為1 450 m3/h。

2.4 設(shè)備選型計算

2.4.1 設(shè)計依據(jù)

呼和烏素進風(fēng)立井井底強排泵房水倉底板標高：+1024.1m。

呼和烏素進風(fēng)立井井口標高：+1 326.8 m。

強排泵房排水路線：強排泵房—與北風(fēng)井的兩趟φ377 mm×10 mm 管路對接—地面風(fēng)井工業(yè)廣場—φ710 mm 排水管路—考考烏素溝。

2.4.2 設(shè)備的選型計算

1）管路阻力系數(shù)

根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，抗災(zāi)排水設(shè)備的管路應(yīng)該以不利情況的水泵工況計算，即管路淤積時，其附加阻力系數(shù)可取1.7[2]。從水泵運行工況點參數(shù)表(見表1）和水泵及管路特性曲線圖(見圖1）可知，新管時，揚程Hn=384.80 m；舊管時，揚程Ho=396.99 m。

表1 水泵運行工況點參數(shù)表

2）電動機容量的計算

式中，Q 為水泵流量，m3/h；H1為水泵揚程，m；η 為水泵效率；ηw為傳動效率，取0.98。

潛水電泵選用2 臺1 000 kW 防爆電動機、電壓等級10 kV、電機轉(zhuǎn)速1 488 r/min。

3）校驗水泵的穩(wěn)定性

水泵揚程應(yīng)滿足：

式中，H0為水泵零流量時的額定揚程，m；HC為水泵的排水高度，m。

代入得：0.9×344=309.6m＞HC=302.7 m，滿足揚程要求。

4）排水管路壁厚的計算

排水管路選擇無縫鋼管，根據(jù)鋼管管壁厚度計算公式：

故δ=0.65+0.25=0.90 cm。

式中，δ 為計入附加厚度后的管壁計算厚度，cm；δ′為管子計算壁厚，cm；c 為計入制造負偏差和腐蝕的附加厚度，cm；P 為計算管段的最大工作壓力，MPa；Dw為管子外徑，cm；[σ]為管材許用應(yīng)力，MPa，無縫鋼管一般取85MPa；φ 為管子焊縫系數(shù)，無縫鋼管取1。

結(jié)合礦井現(xiàn)有管路情況，選擇敷設(shè)兩趟φ377 mm×10 mm無縫鋼管，法蘭壓力PN=4.0MPa。

(5）電耗的計算

式中，T 為設(shè)備工作小時，h；ηc為電網(wǎng)傳動效率，取0.94。

2.5 強排泵房的布置

依據(jù)GB/T 50451—2017 《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計規(guī)范》[3]中的規(guī)定和解釋，強排泵房中潛水電泵的布置方式采用立式布置或斜臥式布置。這兩種不同的布置方式適用于不同的情況，各有優(yōu)劣。立式布置節(jié)省了礦建工程的掘進長度，但由于潛水電泵機身較長，水倉的深度較深。同時，為了保證潛水電泵后期的檢修維護，泵井的頂板高度也需要適當增高，泵房的整體施工難度大，檢修、更換水泵時也比較麻煩。斜臥式布置需要的泵井較長，對潛水電泵布置的位置有一定角度要求，但不需要對巷道進行太多挑頂和深掘的工程。結(jié)合補連塔煤礦的實際情況，選擇強排泵房布置方式為斜臥式布置，布置方式見圖2和圖3。

3 結(jié)語

煤礦的抗災(zāi)排水系統(tǒng)首先要考慮的永遠是系統(tǒng)的可靠性，它是井下發(fā)生水災(zāi)時最關(guān)鍵的一道防線，是保證井下人員和財產(chǎn)安全不可忽視的重要組成。本文論述的強排泵房設(shè)計，在實際試運行中運行穩(wěn)定，符合國家相關(guān)法律法規(guī)要求，希望通過本文的論文能為井下強排泵房的設(shè)計提供一些思路，為其他需要設(shè)置井下強排泵房的礦井提供參考借鑒。