應急排水系統在章村礦-200 水平的設計研究

安勇燁

（煤炭工業石家莊設計研究院有限公司，河北 石家莊 050051）

0 引 言

章村礦位于河北省邢臺地區沙河市白塔鎮與邯鄲地區武安市邑城鎮交界地帶，目前章村礦開采位置位于-200 水平的4226 采區和4231 采區，主要開采2 號煤層及2 下煤層，頂板砂巖為主要含水層。

2021 年章村礦礦井正常涌水量為604 m3/h，最大涌水量為646 m3/h，水文地質類型為復雜型。根據2022 年1 月《涌水量預測報告》審查結論，礦井未來可采期（8～10 a） 正常涌水量為717.72 m3/h，最大涌水量為789.49 m3/h。該數據符合礦井實際，可作為礦井排水系統設防依據。根據相關規定，礦井需建設防水閘門或應急排水系統以提高礦井抗災能力。

1 抗災方式

1.1 抗災方式的種類

《煤礦安全規程》第三百零八條規定：水文地質條件復雜、極復雜或者有突水淹井危險的礦井，應當在井底車場周圍設置防水閘門或者在正常排水系統基礎上另外安設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。

《煤礦防治水細則》第九十六條規定：水文地質條件復雜、極復雜或者有突水淹井危險的礦井，應當在井底車場周圍設置防水閘門或者在正常排水系統基礎上另外安設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排水系統。

水文地質條件復雜礦井建立防水閘門或抗災性強排系統是必要的，對保障礦井安全生產起著不可忽視的作用[4]。

1.2 抗災方式分析

1.2.1 防水閘門

-200 水平車場附近均為采空區，與采空區相連通的巷道數量眾多，且附近發育4 條斷層，設置防水閘門難以實現有效隔離。根據《煤炭礦井防治水設計規范》 防水閘門不應設于巖溶、斷層、節理、裂隙發育的破碎地帶[5]規定，-200 水平車場附近不具備設置防水閘門的條件。

1.2.2 強排系統

當煤礦發生突水事故時，瞬間涌水量極大，往往超過泵房最大排水能力，排量不足時可造成泵房被淹，排水系統癱瘓，導致淹井事故。鑒于此，對于有突水危害或者局部突水嚴重難以有效治理的礦井，為了有效地預防和搶險救災，有必要建設強排系統[6]。

1.3 抗災方式的確定

礦用潛水泵不僅排水量大、揚程高，而且能在地面控制，泵房淹沒后仍能正常工作。因此在有突水淹井危險的礦井中建立潛水泵強排系統或采用臥泵加潛水泵排水系統的方案，變防水閘門被動堵水為主動排水，對避免淹井、抗災搶險有著極其重要的意義[7-8]。

按照《煤礦安全規程》《煤礦防治水細則》對有突水淹井危險的礦井增建潛水泵強排系統的規定，設計在合適地點增加潛水泵的排水系統是解決礦井正常排水和抗災搶險排水的有效方案。

根據國家礦山安全監察局《關于煤礦抗災潛水泵排水系統設置問題的復函》精神，為了保證抗災排水系統在發生災害時能發揮應有的作用，保護人民生命財產安全，推薦水害抗災方式為潛水泵強排系統。

2 排水方案的確定

2.1 排水方案的比選

本文對在不同區域增設潛水泵房的方案進行比選，同時對新設排水管路、利用礦井已有排水管路進行方案比較。

方案一：在-200 水平泵房附近設潛水泵硐室，利用-200 水平排水系統的排水管路φ325 mm×10 mm 排至南風井地面水處理站。選用2 臺BQ550-425/5-1000-S 潛水泵，工況點流量為509 m3/h，揚程為438 m。該方案系統簡單，利用已有管路，電機功率低，設備投資較低。

方案二：在-200 水平泵房附近設潛水泵硐室，并新設φ650 排水鉆孔，排水管路直接通過直 排 鉆 孔 排 至 地 面 。 選 用 2 臺BQ550-425/5-1000-S 潛水泵，2 趟φ325 mm×10 mm 排水管路。工況點流量544 m3/h，揚程427 m。該方案系統簡單，電機功率較低，設備投資較低；缺點是地面需另行征地，管路損壞無法修復，后續不確定性較大。

方案三：在-350 區域泵房附近設潛水泵硐室，均利用已有排水管路，沿-350 區域排水系統的排水管路至-200 水平附近，再利用-200 水平排水系統的排水管路排至風井地面水處理站。選用2 臺BQ550-680/8-1600-S 潛水泵。工況點流量563 m3/h，揚程671 m。該方案利用了部分已有排水管路，節省投資；缺點是-350 區域泵房至-200水倉附近已有排水管路φ325 mm×10 mm 需更換為φ325 mm×15 mm ，長度2 100 m，且電機功率較大。

方案四：在-350 區域泵房附近設潛水泵硐室，并新設φ650 排水鉆孔，排水管路直接通過直排鉆孔排至地面水處理站。 選用 2 臺BQ550-595/7-1400-S 潛水泵，2 趟φ325 mm×14 mm 排水管路。工況點流量563 m3/h，揚程588 m。該方案優點是系統簡單；缺點是電機功率較大，另需要新打排水鉆孔，地面需另行征地。

安裝工程估算價值見表2。

采用直排環節少，但另行征地后續不確定性較大；在-350 區域泵房附近設潛水泵房，排水距離長、揚程大、設備功率較大，對設備管路要求略高，而且需要更換-350 區域泵房至-200 水平的已有排水管路，長度約2 100 m，投資較大。

方案一較-350 水平中轉減少一級，水泵運轉、排水效率高。同時具有排水距離較短、揚程小、利用已有管路進行排水，對管路設備要求低，有利于節能、排水系統運行安全、對現有系統影響小等優點，故推薦方案一。

表2 安裝工程估算價值Table 2 Estimated value table of installation project

2.2 排水系統布置方式及設備選型

2.2.1 應急排水泵的布置方式

應急排水泵布置形式主要有兩大類，即立式、臥式[9]，優缺點如下。

（1） 連接及安裝。

臥式泵采用聯軸器與電機連接，需要定期找正。立式泵電動機水泵體是子口連接。臥式泵安裝時要保證絕對的水平安裝，在安裝后進行精度調整。立式泵整體連接，安裝容易。

（2） 維修及使用壽命。

立式泵檢修難度大。立式泵葉輪檢修時，需將上部全部移去且起吊后方能進行，并需及時更換滑動軸承，否則將導致軸離心力增大，軸跳動值變大，易形成機械事故。臥式泵效率高于立式泵。臥式泵維修和維護相對容易，運行平穩，對管路沖擊較小，使用壽命長[6]。

（3） 施工難易程度及工程量。

立式泵方案需要新設直徑4 m、深15 m 的潛水泵井，新設高8 m 的潛水泵壁龕供起吊用，需由專業的施工隊伍施工；潛水泵硐室、潛水泵井、潛水泵水窩、潛水泵配水井、潛水泵壁龕、潛水泵配水巷等工程量較大，施工工期較長。立式泵方案布置形式如圖1 所示。

臥式泵方案需要新設19 m×2.5 m×5.4 m 潛水泵井，新設高3 m 的潛水泵壁龕供起吊用，可由煤礦內部施工隊伍施工；潛水泵井、潛水泵配水井、潛水泵壁龕、潛水泵配水巷等工程量較小，施工工期較短。臥式泵方案布置形式如圖2 所示。

經比較，推薦臥式泵方案。

2.2.2 應急排水系統設備選型

根據礦井最大涌水量、排水高度及管路系統，設計選用BQ550-425/5-1000/W-S 型礦用防爆潛水泵2 臺，其技術參數：流量550 m3/h，揚程425 m，配套電動機功率1 000 kW，電壓6 kV，2 臺工作即可滿足規范抗災要求。

BQ550-425/5-1000/W-S 型水泵主要性能參數見表3。

圖1 立泵布置方式示意Fig.1 The layout of vertical pump

圖2 臥泵布置方式示意Fig.2 Layout of horizontal pump

表3 BQ550-425/5-1000/W-S 型水泵主要性能參數Table 3 Main performance parameters of BQ550-425/5-1000/W-S pump

2.3 排水系統硐室

經現場考察，設計將位于-200 泵房附近的底橫貫進行維修擴砌后作為潛水泵排水硐室。該工程主要含潛水泵吸水井、潛水泵配水井、潛水泵配水井壁龕、配水巷等井巷工程，井巷工程量共計55.5 m/1 077.25 m3。

潛水泵排水系統工程均采用錨網索+鋼筋混凝土聯合支護方式。為減少底鼓，潛水泵吸水井、潛水泵配水井、潛水泵配水巷等硐室采用反底拱一次性澆筑底板的支護方式，從而減小因底鼓造成的維修費用。施工時在潛水泵吸水井井壁預留注漿管，以備壁后注漿使用。

2.4 概算投資

章村礦-200 水平建設潛水泵強排應急排水系統工程總投資1 657.50 萬元，見表4。

表4 概算投資Table 4 Estimated investment

3 結 論

（1） 對在不同區域增設潛水泵房的方案進行比選，同時對新設排水管路、利用礦井已有排水管路進行方案比較，最終確定在-200 水平泵房附近設潛水泵硐室，利用-200 水平排水系統的排水管路φ325 mm×10 mm 排至南風井地面水處理站的應急排水方案。

（2） 應急排水泵布置形式經連接及安裝方式、維修方式、使用壽命、施工難易程度及工程量大小等多方面比較后，確定選擇臥式泵方案。

（3） 設計選用BQ550-425/5-1000/W-S 型礦用防爆潛水泵2 臺。將位于-200 泵房附近的底橫貫進行維修擴砌后作為潛水泵排水硐室，井巷工程量共計55.5 m/1 077.25 m3。

（4） 章村礦-200 水平建設潛水泵強排應急排水系統工程總投資1 657.50 萬元。