煤礦井下強排泵房設計應用分析

朱文翔

(國能鄂爾多斯市工程設計有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

1 抗災排水系統

礦井的水文地質類型，依據相關規定，劃分為簡單、中等、復雜和極復雜4 個等級，其具體劃分依據詳見《煤礦防治水細則》。同時《煤礦安全規程》第三百零八條要求：“在水文地質條件復雜、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。”在水文地質類型復雜、極復雜類型的礦井中井下抗災排水系統作為水災防治的重要組成部分，與礦井正常排水系統相結合，可以為煤礦井下的設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，根據最新的涌水量數據預測，井下正常涌水量預測約為852.7 m3/h，最大涌水量預測約為1 382.8 m3/h。根據礦井水文地質類型劃分，補連塔煤礦屬于水文地質復雜礦井，且在井底車場周圍未設置有防水閘門，根據要求，需要在正常排水系統的基礎上增加抗災排水系統，且這套新增的抗災排水系統的能力不能小于1 382.8 m3/h。

本文對神東補連塔煤礦井下強排泵房的設計思路進行簡單探討。

2.1 礦井排水系統現狀

神東補連塔煤礦目前主要開采1-2 煤和2-2 煤，以2-2煤四盤區為主。現井下設有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，在不發生災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 強排系統方案

根據礦井開拓開采接續情況和井下排水系統布置，并結合相關規程規范中的設計要求，關于強排系統的設置，提出了以下兩個方案。

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

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

經過對比，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 的設防要求，也均可滿足相關規程規范的設計要求。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、三盤區發生水害時，這里無法輻射整個礦井；呼和烏素進風立井的位置位于目前井下開采煤層的較低點，有利于發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。

由于強排泵房設置于全礦井采區較低點，為了防止突然發生水災，井下水流卷著各種雜物沖擊水泵而導致排水設施損壞或水泵進水口堵塞，需要在泵房入口處巷道的兩側建設防護擋墻(約2 m 高），并在泵房內兩臺潛水電泵的前后設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

2.3.1 選型方案

根據選定的強排系統設置方案，對泵房內潛水電泵做出如下的選型方案： 在呼和烏素進風立井井底附近設置強排泵房，設備選用可以直接起泵的潛水電泵，泵房的配電系統按規定設在地面，電源取自地面呼和烏素進風立井場區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：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。

強排系統的排水能力為725×2=1 450 m3/h＞1 382.8 m3/h。符合規程規范的設計要求[1]。

2.3.2 主排水設備選型依據

1）《煤礦安全規程》第三百零八條規定：抗災排水系統的排水能力不小于礦井的最大涌水量。

2）相關部門提供的井下涌水量數據，礦井的正常涌水量為852.7 m3/h，最大涌水量為1 382.8 m3/h。由涌水量數據可知，本次井下設置的強排系統的能力不能低于1 382.8 m3/h。因此，設計強排泵房的排水能力為1 450 m3/h。

2.4 設備選型計算

2.4.1 設計依據

呼和烏素進風立井井底強排泵房水倉底板標高：+1024.1m。

呼和烏素進風立井井口標高：+1 326.8 m。

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

2.4.2 設備的選型計算

1）管路阻力系數

根據相關設計規范要求，抗災排水設備的管路應該以不利情況的水泵工況計算，即管路淤積時，其附加阻力系數可取1.7[2]。從水泵運行工況點參數表(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、電機轉速1 488 r/min。

3）校驗水泵的穩定性

水泵揚程應滿足：

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]為管材許用應力，MPa，無縫鋼管一般取85MPa；φ 為管子焊縫系數，無縫鋼管取1。

結合礦井現有管路情況，選擇敷設兩趟φ377 mm×10 mm無縫鋼管，法蘭壓力PN=4.0MPa。

(5）電耗的計算

式中，T 為設備工作小時，h；ηc為電網傳動效率，取0.94。

2.5 強排泵房的布置

依據GB/T 50451—2017 《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》[3]中的規定和解釋，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，各有優劣。立式布置節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 結語

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