煤礦井下大型抗災(zāi)排水泵房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

魏 洋，張迎春，盛朝輝

(1．中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2．陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著高產(chǎn)高效大型礦井的發(fā)展，煤礦井下水害已成為嚴(yán)重影響煤礦安全、高效生產(chǎn)的重大關(guān)鍵問(wèn)題之一，尤其水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜或有突水淹井危險(xiǎn)性的礦井。為有效遏制煤礦開(kāi)采過(guò)程中由于透水等水災(zāi)事故對(duì)井下生產(chǎn)安全和人員的危害，在水災(zāi)事故發(fā)生時(shí)，保證礦井救災(zāi)排水系統(tǒng)及時(shí)啟動(dòng)，強(qiáng)行排水[1-3]，在礦井設(shè)置抗災(zāi)排水系統(tǒng)已經(jīng)成為必不可少的水害防治手段。

1 工程概況

納林河二號(hào)井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬烏審旗無(wú)定河鎮(zhèn)管轄。西北約63 km處為烏審旗政府所在地嘎魯圖鎮(zhèn)，向東40 km可達(dá)陜西省榆林市橫山縣，從橫山縣向東北約60 km可至陜西省榆林市。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8.0 Mt/a，裝備一個(gè)3-1煤大采高綜采工作面，一個(gè)3-1上煤綜采工作面，2個(gè)連掘工作面，2個(gè)掘錨工作面；服務(wù)年限61.6 a。礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井正常涌水量912 m3/h，礦井最大涌水量1 140 m3/h。抗災(zāi)排水系統(tǒng)中排水設(shè)備設(shè)置在井下31盤(pán)區(qū)排水泵房附近，排水管路沿排水鉆孔敷設(shè)。抗災(zāi)排水量1 180 m3/h，排水垂高609 m，排水距離約820 m。

2 井下抗災(zāi)排水泵房工藝布置設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)抗災(zāi)泵房布置

抗災(zāi)排水泵多采用大功率礦用潛水泵，其安裝布置方式主要有立式、平臥式和斜臥式安裝等3種形式。立式安裝方式，潛水泵受力較好，最有利于水泵運(yùn)行，但吸水井與運(yùn)輸巷道需要有較大的落差，吸水井深度較大時(shí)不利于水泵的安裝和檢修；平臥式安裝方式較立式安裝方式井巷工程量較小，但對(duì)潛水泵軸的受力不利。尤其是在抗災(zāi)時(shí)期，潛水泵長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，易使?jié)撍玫妮S產(chǎn)生不利撓度，使其軸承既受水平推力又受徑向支撐力，從而大大縮短了潛水泵的使用壽命；斜臥式安裝方式在受力方面和使用壽命上不如立式安裝方式，但其優(yōu)于水平安裝方式，在巷道工程量方面，斜臥式安裝方式較立式安裝方式巷道工程量少，投資更省，且更易于施工，與水平安裝方式接近[4-8]。綜上所述，立式、平臥式和斜臥式安裝方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 潛水泵各安裝方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of various installation methods of submersible pump

依據(jù)GB/T 50451—2017 《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.4 中：“泵井布置方式采用立式或斜臥式”。斜臥式布置方式有諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)多數(shù)煤礦抗災(zāi)排水系統(tǒng)采用斜臥式布置。采用斜臥式安裝的強(qiáng)排泵房由潛水泵井、試驗(yàn)水源配水巷道、絞車(chē)硐室等組成。潛水泵井設(shè)計(jì)傾角約20°左右，設(shè)置用于固定潛水泵的軌道，側(cè)邊設(shè)有人行臺(tái)階；試驗(yàn)水源配水巷道與泵井連接處設(shè)置有配水閘閥；潛水泵井附近沒(méi)有用于提升、下放及檢修用的潛水泵絞車(chē)硐室[4]。

2.2 納林河二號(hào)礦井抗災(zāi)排水泵房設(shè)計(jì)

2.2.1 原設(shè)計(jì)概況

納林河二號(hào)礦井水文地質(zhì)類(lèi)型為復(fù)雜型，《煤礦安全規(guī)程》第308條規(guī)定：水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜或有突水危險(xiǎn)的礦井，應(yīng)當(dāng)在井底車(chē)場(chǎng)周?chē)O(shè)置防水閘門(mén)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。礦井選用防水閘門(mén)能夠起到分區(qū)隔離、減少礦井水害損失的作用，但防水閘門(mén)在制造、安裝和使用過(guò)程中也存在以下缺點(diǎn)：防水閘門(mén)要求有較好的抗壓及防水密封性能，該設(shè)備投資成本較高；礦井發(fā)生突水透水事故后，要在多處同時(shí)關(guān)閉防水閘門(mén)，然而在透水發(fā)生時(shí)，一般來(lái)水非常快、水量極大，井下根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)多處同時(shí)關(guān)閉防水閘門(mén)，且日常管理復(fù)雜；防水閘門(mén)主動(dòng)搶險(xiǎn)排水能力差。

2.2.2 礦用潛水泵選型及布置

相比防水閘門(mén)，抗災(zāi)潛水泵排水量大、水泵揚(yáng)程高，而且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地控制，泵房淹沒(méi)后仍能正常工作，較防水閘門(mén)變被動(dòng)堵水為主動(dòng)排水，對(duì)避免淹井有著極其重要的意義[7-10]。納林河二號(hào)礦井地處蒙陜礦區(qū)，該區(qū)域開(kāi)采深度大，主采煤層受多層含水層威脅[11]。考慮到礦井開(kāi)采深度對(duì)于設(shè)備選型的影響，為了煤礦抗災(zāi)排水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，提高抗災(zāi)排水的主動(dòng)性，對(duì)比防水閘門(mén)和抗災(zāi)潛水泵方案，本礦井設(shè)計(jì)考慮在正常排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加抗災(zāi)潛水泵方案。根據(jù)抗災(zāi)排水量、排水垂高和排水距離等條件，設(shè)計(jì)選用2臺(tái)BQ1100-680/8-3150/W-S礦井潛水泵，2臺(tái)同時(shí)工作[12-13]，水泵主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。本礦井抗災(zāi)排水泵采用斜臥式布置，為減少礦建工程量，水泵吸水井采用矩形深井，底部采用傾斜水泵支架固定，水泵泵體與吸水井底板成一定傾角，吸水井與主排水泵房配水巷連接，配水閘閥控制引水，用于水泵的定期試運(yùn)行。抗災(zāi)排水泵房設(shè)起吊梁，采用單軌小車(chē)配合手拉葫蘆進(jìn)行安裝、檢修。

表2 礦用潛水泵主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of mine submersible pump

2.2.3 實(shí)施方案

設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，主水倉(cāng)入口目前有1#、2#這2個(gè)水倉(cāng)入口，水倉(cāng)入口段坡度形式如圖1所示。根據(jù)礦井最新水文地質(zhì)資料和礦井涌水量，經(jīng)核算一個(gè)水倉(cāng)入口即可滿足匯水需要。結(jié)合水倉(cāng)施工現(xiàn)狀，為減少抗災(zāi)泵房礦建工程量，經(jīng)方案論證，設(shè)計(jì)確定利用水倉(cāng)1#入口段改造為抗災(zāi)潛水泵房硐室。對(duì)比傳統(tǒng)形式，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，抗災(zāi)排水泵房及水泵安裝形式如圖2所示，優(yōu)化主要表現(xiàn)在抗災(zāi)排水泵房采用“4°～9°”變角度形式布置；在抗災(zāi)排水泵房與水倉(cāng)連接處設(shè)置擋墻，吸水井中設(shè)置集泥坑；抗災(zāi)水泵房硐室出口設(shè)置檢修絞車(chē)硐室；潛水泵采用“并作錯(cuò)位”布置。

圖1 水倉(cāng)入口段坡度形式示意Fig.1 Schematic diagram of slope at inlet section of sump

圖2 抗災(zāi)排水泵房及水泵安裝示意Fig.2 Disaster resistant drainage pump room and pump installation

3 實(shí)施方案優(yōu)化分析

3.1 抗災(zāi)排水泵房技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性分析

吸水井上段對(duì)原水倉(cāng)6°斜坡起底至9°，作為抗災(zāi)排水泵房設(shè)備安裝的運(yùn)輸通道，待進(jìn)入原水倉(cāng)底部2‰坡度時(shí)，起底改造為4°坡。技術(shù)方面，該方案保證了水泵的斜臥式安裝，確保水泵運(yùn)行安全可靠；經(jīng)濟(jì)方面，該方案采用“4°～9°”變角度布置較全程采用9°節(jié)省工程量為147.3 m3，墻高降低0～1.47 m，減少了礦建工程量，更易于支護(hù)。

3.2 抗災(zāi)排水泵房吸水井合理性分析

抗災(zāi)排水泵房與水倉(cāng)連接處設(shè)置擋墻代替配水閘閥，擋墻具有隔斷水倉(cāng)的作為，并且可以實(shí)現(xiàn)水倉(cāng)的一次擋淤，防止水倉(cāng)內(nèi)的雜污進(jìn)入吸水井。吸水井清理前，降低水倉(cāng)水位，通過(guò)水倉(cāng)上部水位下降后水倉(cāng)巷道頂部形成空隙解決通風(fēng)問(wèn)題，保證抗災(zāi)排水泵房?jī)?nèi)有足夠空氣，確保工作人員安全。吸水井清理工作也可與水倉(cāng)清理同步進(jìn)行，避免水倉(cāng)水位降低工作的重復(fù)。吸水井中設(shè)置集泥坑，保證抗災(zāi)潛水泵入口處水流充分沉淀，便于集中清理。

3.3 抗災(zāi)排水泵維護(hù)檢修便捷性分析

在抗災(zāi)水泵房硐室出口設(shè)置檢修絞車(chē)硐室，取消起吊設(shè)備，采用“絞車(chē)-軌道”形式提升檢修。硐室開(kāi)鑿時(shí)，可以采用絞車(chē)便捷、安全、高效地將硐室掘進(jìn)碎石通過(guò)礦車(chē)運(yùn)出；水泵檢修時(shí)，可以利用絞車(chē)將抗災(zāi)水泵提升至檢修平段，檢修結(jié)束后，下放水泵并固定，鋼絲繩可以不拆除。

3.4 抗災(zāi)排水泵運(yùn)行安全性分析

抗災(zāi)水泵的跳閘水位傳感器與水倉(cāng)底板平齊，擋墻高出跳閘水位傳感器1 m，保證了水泵運(yùn)行達(dá)到安全水位線，確保水泵的正常啟停，避免水泵脫水運(yùn)行。水泵布置中心距2.1 m，前后錯(cuò)位2.0 m，排水管路沿運(yùn)輸通道懸臂固定。潛水泵采用“并排錯(cuò)位”布置方式，加大了水泵吸水口間距，保證硐室斷面的充分利用，有效避免了吸水口的搶水現(xiàn)象，保證水泵正常吸水。

4 結(jié)論

(1)在設(shè)計(jì)階段，提出了“施工便捷化、安裝簡(jiǎn)單化、維護(hù)方便化、運(yùn)行可靠化”設(shè)計(jì)思路，突破了傳統(tǒng)抗災(zāi)排水泵房的布置方式，取消了起吊設(shè)備、優(yōu)化了吸水井實(shí)施方案、優(yōu)化了吸水井的通風(fēng)方式，提高了抗災(zāi)水泵房硐室的利用率和使用環(huán)境。

(2)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的抗災(zāi)潛水泵房，在施工便捷、安全運(yùn)行、設(shè)備檢修、工作環(huán)境等方面取得了顯著的效果，對(duì)國(guó)內(nèi)抗災(zāi)排水泵房的設(shè)計(jì)與應(yīng)用有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。