哈拉溝煤礦3-1煤開采井下排水系統設計

杜秀明

(鄂爾多斯市神東工程設計有限公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

哈拉溝煤礦下水平開采接續中，由于2-2煤采空區積水面積廣、水量大，對3-1煤開采會產生較大的安全隱患，可能會導致井下發生突水事故，因此，井下排水系統設計顯得尤為重要。對此，以安全生產、節能降耗為控制目標，設計了礦井3-1煤開采綜合排水系統，充分利用采空區儲水，將部分涌水注入采空區，進行沉淀過慮后重復利用。這樣可以有效地降低地面污水處理廠的處理能力，提高井下水利用率，節約能源。

1 現狀及3-1煤排水方案

1.1 礦井水文地質條件

水文地質：哈拉溝煤礦主要充水水源為地表水(大氣降水)、孔隙水(薩拉烏蘇組含水層潛水)、鉆孔水、燒變巖水和老空水，其中地表水、孔隙水和老空水是該礦3種最主要的水害隱患。雨季時的瞬時暴雨，可能沿小窯井口、塌陷裂隙等進水通道潰入井下，使礦井涌水量迅速變大，造成潰水或其他事故，對礦井安全開采影響較大。

涌水量預測：礦井下水平3-1煤投產后，礦井總共布置2個綜采工作面，分別位于3-1煤一盤區和四盤區。3-1煤開采時預計全礦正常涌水量為525.62 m3/h，最大涌水量為587.36 m3/h，其中3-1煤正常涌水量為360.62 m3/h，最大涌水量為402.36 m3/h，2-2煤正常涌水量約為165 m3/h，最大涌水量為185 m3/h；3-1煤一盤區開采時，正常涌水量為151.16 m3/h，最大涌水量為187.4 m3/h；3-1煤四盤區開采時，正常涌水量為209.46 m3/h，最大涌水量為214.96 m3/h。

1.2 礦井排水現狀

礦井現在采用直接排水方式，由2個中央排水泵房直接外排至地面污水處理廠。其中，在2-1煤主斜井井底設有1號中央排水泵房，泵房內安裝3臺MD280-43×3主排水泵(電機功率160 kW，流量280 m3/h，揚程129 m)，安裝有兩趟D219主排水管路，通過主斜井，直接排至地面污水片理廠；在回風立井井底設有2號排水泵房，泵房內安裝5臺MD280-43×4的水泵(電機功率220 kW，流量280 m3/h，揚程172 m)，安裝有兩趟D325主排水管路，通中中央膠運大巷，可直接通過鉆孔排至地面污水處理廠，也可在中央膠運大巷2-1聯巷處注入11-14采空區。2座中央排水泵房負責全礦井的排水任務。

1.3 3-1煤排水方案

結合涌水量數據及3-1煤水平延深開拓布置方案，考慮到3-1煤投產后，2-1煤將陸續封閉。因此，設計在3-1煤井底設置3-1煤中央排水泵房，負責后期全礦井的排水任務；在3-1煤大巷與3-1煤三盤區大巷交接處設置3-1煤盤區排水泵房，負責3-1煤三盤區或四盤區開采時的排水任務，同時考慮到礦井地面污水處理廠處理能力(約200 m3/h)有限且3-1煤開采初期水量較大，從節約投資、降低成本等方面考慮，3-1煤開采初期需將部分涌水(約170 m3/h)通過臨時排水系統將水注入2-2煤二盤區采空區，剩余涌水(約190 m3/h)排至地面污水處理廠。待2-2煤全封閉后，3-1煤涌水可利用3-1煤下水平己形成的采空區進行沉淀過濾，過濾后的部分清水除井下生產、消防自用外，其余涌水外排至地面污水處理廠溢流池。

1.4 排水能力校核

根據3-1煤排水方案，3-1煤開采初期將有約170 m3/h涌水注入2-2煤采空區，此時2-2煤正常涌水量有170+165=335 m3/h，最大涌水量共有170+185=355 m3/h，同時考慮到3-1煤生產期間將消耗一部分2-2煤采空區復用水約150 m3/h，最終2-2煤正常涌水量約為335-150=185 m3/h，最大涌水量約為355-150=205 m3/h。而2-2煤1號中央水泵房正常排水能力約為280 m3/h>185×1.2=222 m3/h，最大排水能力560 m3/h>205×1.2=246 m3/h。因此，3-1煤開采初期部分涌水注入2-2煤采空區，現有2-2煤排水系統能力經以上校核滿足排水需求。

2 排水設備

2.1 排水泵房設備選型

設計依據：①《涌水量資料報告》；②《煤礦安全規程》(2016年版)；③《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》(GBT 50451-2017)；④新建3-1煤中央排水泵房底板標高+1 065.20 m；地面污水處理廠標高+1 184 m；⑤排水路線從3-1煤中央排水泵房-鉆孔-地面污水處理廠，單趟排水管路長度700 m。

排水設備方案：①方案一。啟泵方式采用真空泵抽真空啟泵，選MD450-60×3耐磨性離心泵3臺，配套2臺SZ-3J真空泵；水泵主要參數Q=450 m3/h、H=180 m、YB2-4502-4/400 kW/10kV(防爆)；泵房安裝兩趟D325×9主排管路。工作制度：正涌涌水時，1臺工作、1臺備用、1臺檢修，一趟D325×9管路工作；最大涌水時，2臺工作、1臺備用/檢修，兩趟D325×9管路工作；②方案二。選用潛水電泵，直接啟泵、配電系統設在地面，電源取自地面風井場區35 kV變電站，電纜通過鉆孔接入泵房；泵房選BQ550-170/2-450/W-S10 kV，潛水電泵3臺，水泵主要參數Q=550 m3/h、H=170 m、YB2-450 kW(防爆)；泵房安裝兩趟D325×9主排管路；正涌涌水量時，1臺工作、1臺備用、1臺檢修，一趟D325×9管路工作；最大涌水量時，2臺工作、1臺備用/檢修，兩趟D325×9管路工作；③方案三。選用IS150-100-380(LXH)型離心泵5臺，配套2臺SZ-3J真空泵，水泵主要參數Q=218 m3/h、H=170 m、配套電機功率200 kW；泵房安裝三趟D273×7主排管路。工作制度：正涌涌水量時，2臺工作、2臺備用、1臺檢修，兩趟D273×7管路工作；最大涌水量時，3臺工作、2臺備用/檢修，三趟D273×7管路工作。

方案比選：3個方案經過綜合技術經濟比較可知，方案一和方案三的水泵均具有汽蝕性能好，運行平穩可靠，均可滿足礦井排水需要。但方案一所選水泵綜合費用相對較低且從水泵的軸功率、揚程及設備總投資方面考慮方案一的綜合排水效率明顯優于方案二及方案三。方案二所選水泵為潛水電泵，泵房硐室施工較為簡單，但設備投資費用較高，水泵尺寸較大，檢修不方便。方案三所選水泵為恒壓單級離心泵，水泵揚程不會因為水泵出口流量變大而壓力變小，但水泵相對報價過高，數量較多且水泵市場使用率較小；因此從節能降耗及設備穩定性等因素綜合考慮，故設計推薦采用方案一。

2.2 推薦方案的選型計算

排水設備能力：

排水量

QB≥24×QZ÷20=1.2×360.62=432.74 m3/h

QBmax≥24×Qmax÷20=1.2×402.36=482.832 m3/h

水泵必須的楊程：

根據計算所得，當流量為432.74 m3/h，管路公稱管徑為325 mm(壁厚為9 mm)時，流速為1.71 m/s，水力坡度為i=0.014 7。

HB=L×i+HC=700×0.014 7×1.1+118.8+5=135.12 m

管路阻力系數(考慮新管和結垢后的管路)：

新管時，揚程，H=Hc+kRtQ2=118.8+1×204.8×0.125=144.4 m

舊管時，揚程，H=Hc+kRtQ2=118.8+1.7×204.8×0.125=162.3 m

允許吸水高度：

電動機容量：

校驗水泵的穩定性：滿足0.9H0>HC條件。

式中：H0—DIU零流量時的揚程。

代入得：0.9×180=162>HC=118.8m，滿足穩定要求。

排水管路壁厚的計算：

δ=δ′+c=δ′+0.15×(δ′+1)=0.52

同時考慮管路受腐蝕及管路制造有誤差等因素，附加厚度可取，α=1～2 mm。經計算，排水管選用D325×9 mm型無縫鋼管，吸水管選用D325×9.0 mm型無縫鋼管。

排水時間校驗：

正常涌水時，水泵工作1臺：

新管T=24×360.62/560.3=15.45 h<20 h

舊管T=24×360.62/492.5=17.57 h<20 h

最大涌水時，水泵工作2臺：

新管T=24×402.36/560.3/2=8.62 h<20 h

舊管T=24×402.36/492.5/2=9.81 h<20 h

年排水電耗：

排水初期

排水后期

噸煤排水電耗：

排水初期

排水后期

配套設備：主水泵房配套2臺SZ-3J型真空泵，實現水泵無底閥排水，降低能耗。水泵啟動前先關閉電動閘閥，再開啟真空泵，使水泵吸水管及泵腔內產生負壓后再啟動電機，開電動閘閥；停泵時，先關閉電動閘閥，然后再斷電停水泵電機。為防止或減輕“水錘”現象對泵體內部的沖擊采用多功能水泵控制閥。

2.3 盤區排水泵房

盤區泵房位置：根據3-1煤開拓布置、煤層賦存條件、開采技術條件及首采工作面布置情況、底板等高線并結合3-1煤中央排水泵房位置，設計在3-1煤大巷末端附近設置3-1煤盤區水泵房。3-1煤中央排水泵房底板標高 +1 065.20 m；3-1煤盤區排水泵房底板標高：+1 094.83 m。

確定水泵臺數：選擇排水泵為MD280-43×2多級耐磨離心泵3臺；正常涌水時，1臺工作；1臺備用；1臺檢修；最大涌水時，2臺工作；1臺備用/檢修。為了實現泵房內的自動化控制，在泵房內安裝真空泵2臺與排水泵配合使用，其型號為：SZ-3J。

2.4 排水管路敷設

鉆孔管路：鉆孔管路設計時要根據鉆孔柱狀圖及采掘工程平面圖進行。地表松散層要設置大于排水管路一級的套管，且要深入正常基巖2 m，正常基巖不設置套管。管與孔壁之間、管與管之間要用水泥砂漿充填密實。鉆孔中的各管路均采用等強對接焊接且焊縫質量等級不小于Ⅲ級，焊縫高度不小于鋼管壁厚。

大巷排水管路：在3-1煤輔運大巷和回風大巷各敷設一趟D108×4的臨時排水管路；在3-1煤主運大巷敷設兩趟D273×7主排水管路及一趟D108×4的臨時排水管路；3條大巷淋水通過大巷臨時設置的小潛水泵(功率45 kW，流量100 m3/h，揚程80 m)直接將水排至3-1煤中央水泵房水倉。

3 采空區儲水工程

3.1 采空區儲水

針對礦區水資源短缺及礦井水排放受限的實際情況，哈拉溝煤礦3-1煤開采時，初期要將一部分涌水注入2-2煤二盤區采空區，后期將利用3-1煤己形成的采空區進行礦井水儲存，并經沉淀過濾，進行綜合利用。采空區儲水時要利用已完成的綜采采空區，根據煤層底板的傾斜形態由低處向高處布置，在低處要設置防水密閉，預留泄水口，進行復用或外排。還必須考慮儲水范圍、儲水高度、蓄水量、煤柱留設、防水密閉的建設、監控裝置等。在進行儲水位置的選擇時，要全局規劃，綜合考慮，采空區要形成適當的規模，確保儲水的連續性。且儲水區必須遠離目前開采區及房采區。

3.2 防水密閉墻

礦井水通過采空區儲水復用前，要在采空區與生產區之間選擇適當地點設置隔離采空區儲水區域的防水密閉墻。防水墻的位置應結合哈拉溝煤礦的地質條件、采空區儲水區空間、采空區和生產區位置等因素進行綜合考慮，應選擇在堅硬、致密、穩定的煤層或巖層中，有沖擊地壓的區域不應設置防水密閉墻硐室。防水密閉墻的巷道前后方有巷道或采空區圍巖破碎或有破壞擾動時，應對墻體周圍的圍巖進行注漿加固，使密閉墻墻體與圍巖形成整體，同時封堵圍巖裂隙，提高圍巖的完整性和強度。

3.3 采空區水利用

為了有效提高礦井水資源化水平，對井下污水進行再利用。由于采煤設備對水質要求較高，采空區水沉淀過濾后直接使用，對設備損壞較大，故障率也會提升。而直接在地面處理后再排至井下使用，會使流程復雜化，成本也會增加。所以需要對采空區水進行井下處理就地復用。目前哈拉溝煤礦2-2煤已建成一座除鐵、除錳的水凈化處理裝置。該裝置主要工作原理為：采空區水沉淀過濾后經原水泵將清水注入處理裝置中，在此過程中，要通過加藥裝置將氧化劑經風壓和清水攪拌均勻后一起與清水注入處理裝置，再結合處理裝置中的天然錳砂、石英砂、無煙煤、濾料將水中鐵、錳離子去除。去除后的水通過靜壓流入清水池，然后經加壓泵房加壓后給工作面生產用水及巷道消防用水。

4 結語

通過哈拉溝煤礦3-1煤主排水系統的設計，提高了3-1煤開采時整個系統的可靠性和安全性，在排水系統設計過程中，充分利用采空區儲水，經沉淀過濾后井下復用。減輕了地面污水處理的能力，降低對淡水資源的使用，推動了煤炭排水領域的發展，解決了礦區水資源緊缺的難題。