礦井排水設備的選型計算

趙建群

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024；2.山西小回溝煤業有限公司，山西 清徐 030400）

礦井排水設備的選型計算

趙建群1，2

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024；2.山西小回溝煤業有限公司，山西 清徐 030400）

介紹了礦井排水設備的選型，結合《煤礦安全規程》、《煤礦設計規范》的各項規定，參照《礦山固定機械手冊》和《流體機械》所推薦的選型計算過程，通過精確計算，最后確定排水設備選擇D450--60×11型水泵。

礦井；排水；選型；計算

1 概述

礦井建設和生產中，會有各種來源的水涌入礦井，科學合理地將礦井的涌水排出，特別是防止突然涌水的襲擊，對保證礦井生產具有重要意義。礦井排水設備，不僅要排除各個時期涌入礦井的水，而且在遇到涌水襲擊，有可能淹沒礦井的情況下還要搶險排水。排水設備始終伴隨礦井建設和生產而工作，直到礦井壽命終止。因此，排水設備是礦井建設和生產中不可或缺的關鍵設備。為使排水設備能在安全、可靠、經濟的狀態下工作，必須選擇好排水設備。

2 排水設備選型計算

2.1 排水設備選型計算條件

井深585 m，正常涌水量：qz=820 m3/h，正常涌水期290 d，最大涌水量：qmax=1700 m3/h，最大涌水持續時間75 d，礦水中性，密度：1.04T/m3，礦井供電電壓6000 V，礦井主排水設備泵房在井底車場附近，礦井年產量300萬t。

2.2 工作水泵必須的排水能力

根據有關規定，要求投入工作的水泵排水能力應在20 h內排完24 h的正常涌水量，即QB≥24/20×qz=984m3/h。并且要求工作水泵與備用水泵的總能力能在20h內排完24h的最大涌水量，即

式中:QB為工作水泵必須的排水能力，m3/h；Qmax為工作與備用水泵必須的排水能力，m3/h。

2.3 工作水泵的揚程

按估算公式計算水泵的揚程:

式中:HC為井深+井底車場與最低吸水面標高差+排水管出口高出井口的高度=585+4+1=590 m；α為干管傾斜敷設時的傾角，豎井α=90°。

2.4 排水設備的選擇

根據上述條件及相關計算值，經分析后，選用D450--60型多級離心泵。

2.4.1 泵的級數和臺數的確定

D450--60型多級離心泵的額定流量Qe=450 m3/h，單級額定揚程Hci=60m。

1）水泵臺數的確定：比較 QB、Qmax、Qe知：n1+n2≥Qmax/Qe=2040/450=4.53≈5。n1≥QB/Qe=984/450≈2。n2≥0.7n1。選取工作水泵臺數n1=2，備用水泵臺數n2=3。此外，取檢修水泵臺數n3=1，共計6臺水泵。

2）泵級數的確定：由水泵特性曲線查得：Q=984/2=492 m3/h時的揚程Hi=60 m，則所需泵的級數 I=HB/Hi=（649～660.8）/60=10.81～11.01；故級數取11。

3）校驗泵的穩定性：水泵特性曲線查得：Q=0時泵相應的揚程H0=70×11=770 m，又770×0.9=693 m，該值大于HC=590m，滿足穩定條件0.9H0≥HC。

2.4.2 管路及管路布置

《規程》規定：主要排水必須要有工作和備用水管，工作水管的能力要配合工作水泵在20 h內排出24 h的涌水量。工作和備用水管的總能力，應配合工作和備用水泵在20 h內排出礦井24 h的最大涌水量。根據各涌水期投入工作的水泵臺數，選用兩種方案：2臺水泵工作時，可用一趟管路排水，最大涌水期內，5臺泵同時工作，兩趟管路同時排水。

1）計算管徑，選擇管材。（1）取經濟流速Vp=2 m/s，則排水管內徑 dp=[4Q/(3600πVp)]1/2=[4×984/（3600π×2）]1/2=0.417 m。查標準，取外徑Dp=426 mm的無縫鋼管，取壁厚18 mm試算，此時dp=426-2×18=390 mm，所需壁厚：δ=0.5dp{[σz+0.4×0.11Hp/（σz-1.3×0.11Hp）]1/2-1}+0.15=1.60cm。

式中：dp為標準管內徑，28cm；σz為無縫鋼管許用應力，800 kg/cm2；Hp為排水高度，590 m；δ=16 mm 小于所選標準厚度18mm，故所選管壁厚度合適。（2）吸水管直徑及管材的確定：吸水管直徑通常應比排水管直徑大25mm，以降低礦水流速減少損失，取得較大的吸水高度，則有Dx=Dp+25=426+25=451 mm。由標準YB231--64查得，對于吸水管選用Φ459×12 mm無縫鋼管。

2）管路系統：見圖1，圖中只給出了一臺泵的管路布置，其余各泵管路雷同。

圖1 管路系統圖

3）估算管路長度：可估算為

選取排水管長度Lp=635 m，吸水管長度通常取為LX=8m。

2.4.3 計算管路特性

1）計算沿程阻力損失系數：由舍維列夫公式得：排水管λp=0.021/dp0.3=0.021/0.4170.3=0.0273。吸水管 λx=0.021/dx0.3=0.021/0.4350.3=0.0270。

2）計算局部阻力損失系數：對于吸、排水管中的局部管件分別為：排水管局部損失的當量管長Ldp=（Σεp+1）dp/λp=（4.98+1）×0.417/0.0273=91.32m。吸水管局部損失的當量管長 Ldx=Σεx×dx/λx=3.306×0.435/0.0270=53.26m。

表1 排水管阻力系數表

由表1可得：

Σεp=0.618+0.318+1.5+0.52+1.7+0.5=4.98。

表2 吸水管阻力系數表

由表2可得：

4）管路特性方程式：

舊管：H=590+kRTQ2=590+1.7×139×10-6Q2=590+236.3×10-6Q2。其中流量Q的單位，以L/S計算。

2.4.4 確定水泵運轉工況點

分析管路系統，可以發現在正常涌水期和最大涌水期內，水泵的工況點均相同，即為單臺泵與一條管路特性的交點，可得相應的工況點及工況參數：（1）新管：工況點為K'，其相應的工況參數有：流量 Qk'=152L/S=547.2 m3/h；揚程 Hk'=53.9×11=592.9 m；效率 ηk'=68.5%。（2）舊管：工況點為 K''，其相應的工況參數有流量Qk''=150L/S=540 m3/h；揚程Hk''=54×11=594m；效率 ηk''=70%。

2.4.5 排水設備驗算式中：HX'為實際條件下的預計允許吸水高度，m；HS為預計工況時的允許吸上真空高度，m；dx、Lx為吸水管內徑和長度，mm；λx為吸水管沿程阻力損失系數；Σξx為吸水管線上局部阻力損失系數之和；Q為工況流量，取0.152m3/s。

經分析，可取 Pa=9.8×104Pa，Pn'=0.235×104 Pa。又從泵的特性曲線查得Hs=5.3m，則相應實際條件下的允許吸水高度HX'=5.25 m.此值一般可滿足要求。

2）驗算排水時間（按舊管）:正常涌水時期每天必須的排水時間：最大涌水時期每天必須的排水時間：

Tmax=24Qmax/[(n1+n2)×Qk''=15.11h。無論正常涌水時期和最大涌水時期，每晝夜的排水時間均不超過20h，符合《規程》規定。

3）驗算電機容量:根據新管對應的工況多數可算出電機必須的容量為

式中：k 為富裕系數，當 Qk'＞3600 m3/h 時，k=1.1；ρ為礦水密度ρ=1040kg/m3；Jc為傳動效率Jc=0.98。

由上可知，水泵配套電機型號可選為YR2000-12/1730（6kV2000kW）Jd=0.9559.

2.4.6 電耗計算

1）全年耗電總量（按舊管計算）：因各水泵各時期工況完全相同，故全年耗電量

2）噸煤電耗：ET=E/A=32.9×106/（3×106）=10.98 kWh/t。

式中：A為礦井年產量，A=3×106t。

3）噸水百米電耗（按舊管計算）：em3=100E/（NzYzTz+NmaxRmaxTmax）Qk''Hk''=0.467 kWh. 查有關國家規定，礦用水泵的噸煤百米電耗值em3應小于0.5 kWh，因此易知D450--60×11型水泵的百米電耗值滿足要求（0.467＜0.5）。

3 結束語

總之，參照礦山的具體數據，結合《煤礦安全規程》、《煤礦設計規范》的各項規定，參考《礦山固定機械手冊》、《流體機械》的推薦版式精確計算，最后確定排水設備。

Model Selection and Calculation of Mine Drainage Equipment

ZHAO Jian-qun1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi,030024；2.Shanxi Xiaohuigou Coal Co.,Qingxu Shanxi030400)

The paper introduces the model selection of drainage equipments.According to all detailed provisions of Mine Safety Rules and Mine Design Code,the pump(D450-60×11)is determined as the final drainage equipment model after the accurate calculation on the formulas recommended by Mining Fixed Machinery Handbook and Fluid Machinery.

mine;drainage;model selection;calculation

TD74

A

1672-5050（2011）03-0045-03

2010-12-10

趙建群（1966—），男，吉林白山人，在讀工程碩士研究生，高級工程師，主要從事煤礦生產管理工作。

徐樹文