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摘要:在礦井的主排水系統中，排水高度超千米，涌水量巨大，水溫高，礦井涌水有腐蝕性等均為排水設計的惡劣工況，尤其是在數個惡劣工況并存的條件下，設計中要考慮和注意的問題很多。文章針對類似復雜條件下主排水系統設計中需要考慮或注意的問題進行了探討。主要探討了水泵選型怎么考慮高水溫、高海拔、腐蝕性水質、電機功率等因素的影響;對吸程影響很大的情況下，怎么考慮排水系統的設計;在總排水功率很大的情況下，泵房散熱問題的考慮及設計方案;以及系統排水管路數量確定，管路系統的設計要考慮的因素等。文章以數個惡劣工況并存的新莊礦為例，對相關問題考慮后的系統設計進行了論述。

關鍵詞:千米深井;大涌水量;高水溫:主排水;泵房散熱;吸水高度

隨著礦井開采深度的不斷增加，建設了越來越多的千米深井，部分深井涌水量巨大，水溫高且礦井涌水有腐蝕性。礦井很深、涌水量大、排水溫度高及水質差等均為排水設計的惡劣工況，這些不利工況給礦井的主排水設計帶來了種種困難。尤其是在數個惡劣工況并存的條件下，排水系統的設計更需考慮和注意各個環節可能存在的問題，特別是水泵選擇、泵房散熱、管路選擇及安裝等方面應在設計和施工中加以注意，方能保證系統安全可靠運行。

1設計注意問題探討

1.1水泵選擇

針對千米深井、大涌水量的礦井，推薦首選高揚程、大流量水泵，這樣可以減少水泵臺數，實現直排，達到簡化系統的目的。但針對礦井不同條件，水泵的選型需考慮不同因素對選型設計的影響［1，2］。

1.1.1高水溫深井排水往往伴隨著地熱，水溫較高，勢必會影響水泵的吸程，因此在設計計算時，除了海拔，還應將水溫對水泵吸程的影響考慮進去。選擇常規的水泵，吸程很低，水泵很容易造成氣蝕，影響水泵運行壽命。通過降低水倉高度來滿足水泵吸水高度會造成水倉面積過大，增加投資太多，極不經濟［3］。因此提高水泵的吸水高度是理想的做法，提高吸程通常有兩種方法:①水泵選型時應選擇必需氣蝕余量小、吸程高的水泵，水泵可選擇雙吸泵或采用帶有誘導輪的水泵，提高抗氣蝕性能;②采用子母泵的方式，即在臥泵的吸水口前加裝潛水泵給臥泵喂水，解決水泵吸程較低的問題。這種方式的優點是節省了射流泵系統，但這種方式需子母泵密切配合，增加了系統的復雜性，增加了配電控制系統的投資，同時降低了系統的可靠性。以上兩種方式都可以幫助解決水泵吸程問題，設計時可根據實際情況確定方案。在兩種方式都能滿足的情況下，建議使用方法①，這樣可以簡化系統，提高系統可靠性。

1.1.2礦井水質水泵的選擇同時應考慮礦井涌水水質問題，在對水質酸堿度較高的礦井進行調研中發現，多數水泵的使用壽命在兩三個月，主要損害原因是水質酸堿度過高對水泵葉輪的腐蝕，造成水泵的損壞。在這個過程中往往伴隨著水泵效率的降低，增加電耗等問題。因此在水泵的材質上應根據礦井水質情況有針對性的選取，這樣雖然初期投資會提高，但使用壽命會明顯增加，大大減少水泵檢修和更換次數，增加礦井排水的安全性。同時水泵的效率降低較慢，比普通材質水泵節能效果明顯，綜合經濟效益同樣明顯提升［4］。

1.1.3電機匹配大涌水量的礦井，選擇大排量水泵可以減小水泵臺數，簡化系統，同時大排量水泵的效率通常比小涌水量的水泵要高，有很好的節能降耗效果，但水泵的設計選型時應注意和電機相配合，綜合選取。由于大功率電機使用并不是很多，取得煤安證的隔爆型電動機最大功率在3000kW左右，所以選用更大水泵時，也受電機功率限制，因此建議水泵選型過程中，匹配電機最大功率建議控制在3000kW左右，如特殊情況需要選擇更大電機，應和生產廠家溝通解決［5］。

1.2泵房散熱

大涌水量礦井，水泵臺數多，配套電機也多，且功率大。所以水泵運行時電機總發熱量很大，水泵房的溫度非常高，如果還伴隨著地熱問題，問題會更加嚴重，如不妥善解決，會造成設備溫度過高而停止運轉，危及礦井生產安全。對于安裝有多臺大功率電機的水泵房，解決散熱問題主要采用兩種方式，一是通過加大泵房通風量，主要是通過增加局部通風機的方式增加水泵房通風量。還有就是將冷卻電機出來的熱風通過管道的方式直接排至大巷中，然后通過主通風系統將熱量帶走。在實際應用中，采用以上兩種方式配合使用，效果會更好。但設計初期應和礦井通風系統密切配合，將電機散熱量與系統通風設計配合，增加通風量，滿足散熱要求。采用管道將熱量送出泵房的這種方式，在電機的訂貨要求中，應提前要求電機帶有出風口法蘭，這樣便于將熱風導風通道安裝在電機出風口處，方便熱風導出。在有地熱災害的礦井中，通常礦井會設有井下降溫系統，可考慮將冷風送入泵房的方式給泵房降溫，效果更好。

1.3管路選擇及安裝

通常設計中，水泵運行采用單泵對單管的運行方式。這樣設計，設備運行穩定，運行工況最好，因此在條件允許的情況下建議優先選用單泵對單管的運行方式。但對于涌水量大的礦井，單泵單管運行方式的問題是管路數量過多，需要增加井筒直徑。但在深井的情況下，井筒設計要盡量縮小井筒直徑，可減小投資。特別是地質條件復雜的情況下，增大井筒直徑直接增加了鉆井的復雜性和危險性。因此井筒的大小和排水管路的選擇方式成為了一對矛盾。為了減少管路數量，縮小井筒直徑，設計可采用兩泵一管并聯運行的方式，這樣設計的缺點就是管路直徑較大，帶來了管重，水重，管路溫度力等都非常的大等問題，常規設計的話，直管座采用托架梁進行支撐非常困難。所以針對這樣排水系統復雜的礦井，建議設計初應做好系統各個節點的設計，井筒施工時留好梁窩，直管座梁在條件允許的情況下采用預埋的方式。如果受到井筒施工的限制，如井筒的施工方法采用凍結施工等，必須采用托架支撐，則需要通過優化設計降低托架受力，滿足托架的承載要求。減小托架承載力的方法如下:1)提高管路材質減小溫度力。管路的材料通常采用20號鋼，千米深井的管路，由于壓力比較大，且管徑也大，壁厚會非常厚，管重和溫度力都會非常大，針對這種情況，建議提高管路材質，如選用Q345的鋼材，這樣會大大降低管路壁厚，減小管重和溫度力，效果明顯。2)加裝管路伸縮器的方式減小溫度力。為減小溫度力，可采用加裝了管路伸縮器的方式清除溫度力。常規做法是在每個直管座梁的下方加裝伸縮器，但考慮到伸縮器的價格非常貴，同時壓力很大的伸縮器產品可靠性有待驗證，因此可以在井筒最上部溫度變化大的位置加裝。同時應同采礦專業配合，確定地質層變形較大的部位應給與加裝。在調研發現有的礦井地質層沉降較大，會出現局部變形，造成管路彎曲幅度很大，影響罐籠或箕斗的運行，所以應在此層加裝，抵消井筒沉降對管路的影響。3)分散直管座管路支撐，減輕支撐梁的受力。直管座支撐管路時，管路對直管座的受力不是很大的情況下，通常采用條梁支撐多個管路的設計，但對于管路受力很大的情況，往往設計托架不能滿足過大的受力，這時候可采用減少直管座量支撐管路數量和增加直管座梁的數量來解決。達到降低托架受力，使得托架支撐能滿足要求。

2實際設計案例

北京華宇工程有限公司設計的甘肅慶陽煤電新莊煤礦就是這樣一個數種不利工況并存的礦井。

2.1新莊礦井排水系統基礎條件

新莊礦井屬于水文地質條件復雜礦井，主排水采用直接排水系統，在副立井井底車場附近設有水倉及主排水泵房。新莊礦井設有在主井工業場地和副井工業場地，兩個場地相距約3km。由于場地限制，井下水處理站只能設置在副井工業場地，因此，管路只能在副立井內敷設。由于地質條件原因，新莊礦井副立井提升采用凍結法施工，井筒尺寸在條件允許的情況下要盡量小。副立井井口標高:+1118.3m;井底車場標高:+128m;排水高度:997.3m;礦井水處理站附加揚程:2m;排水管路總長度:1300m;正常涌水量Q'正常:1850m3/h;最大涌水量Q'最大:2850m3/h;水溫:40℃;水質:強腐蝕性。

2.2新莊礦井排水系統設計

設計選用MD600－118×9型礦用多級離心泵8臺，配YB800M1－4型(2800kW、10kV、1480r/min)礦用隔爆異步電動機，正常涌水時每2臺1組并聯1趟管路運行，共4臺(2組)同時工作，3臺備用，1臺檢修;最大涌水時共6臺(3組)同時工作。排水管路選用DN450無縫鋼管3趟，2趟工作，1趟備用，沿副立井井筒敷設，井筒管路分段選擇壁厚，排水系統如圖1所示。工況點參數:新管(并聯):流量1261.6m3/h、揚程1030.0m、效率76.5%、軸功率4767.0kW(單趟管路兩臺水泵)。舊管(并聯):流量1225.9m3/h、揚程1048.9m、效率76.6%、軸功率4710.2kW(單趟管路兩臺水泵)。新莊礦井設有主井工業場地和副井工業場地，兩個場地相距約3km。由于場地限制，井下水處理站只能設置在副井工業場地，因此，管路只能延副立井敷設。由于地質條件原因，新莊礦井副立井采用凍結法施工，井筒尺寸在條件允許的情況下要盡量小。綜合以上原因，如果采用單泵單管運行方式，主排水要6趟管路，再加上強排系統管路，管路過多，井筒直徑過大，不僅不好布置，且井筒施工困難增大，綜合考慮放棄了單泵單管的方案。新莊礦井選用MD600－118×9型氣蝕性能好的水泵，標準流量下的必需氣蝕余量為3.5m，考慮海拔和溫度影響后水泵的允許安裝高度為5.5m，滿足礦井排水要求，同時由于新莊礦井涌水有較強的腐蝕性，根據水質情況，水泵設計采用不銹鋼材質。水泵配套電機選用YBKK型(2800kW、10kV、1480r/min)礦用隔爆異步電動機，有滿足井下排水使用的電機。對于泵房散熱問題，考慮到礦井有降溫系統，采用將冷風送入泵房的方式給泵房降溫，效果更好，因此采用這種方式給泵房降溫。同時為增加主排水泵房的安全運行系數，在電機的訂貨要求中，要求電機帶有出風口法蘭，便于將熱風到導出，幫助泵房降溫，保證系統運行安全。由于新莊礦井井筒采用凍結法施工，除了底部均無法預留梁窩，因此設計盡量減小支撐梁的受力，以滿足托架受力要求。新莊礦井采用20號鋼時，井筒底部管路壁厚達到了30mm。針對這種情況，新莊礦井管路材質選用Q345的鋼材，這樣會降低管路壁厚，換材料后，井筒底部底部管路壁厚25mm，大大減小管重和溫度力，效果明顯。為進一步減小溫度力，新莊礦井在溫度變化最大的區域，井筒頂部管路支撐梁的底部加裝了管路伸縮器。設計同時考礦井上部黃土地層的厚度，在上部第二層支撐梁底部也加裝了管路伸縮器，用以抵消井筒沉降對管路的影響，同時可以減小溫度力的影響。新莊礦井副井管路很多，敷設有3趟主排水管路、3趟應急排水管路，同時還有壓風管路、注漿管路、注氮管路及消防灑水管路等。在直管座梁的支撐管路的設計上，為減輕托架的支撐力，設計直管座支撐梁采用重管配輕管的原則，比如1個支撐梁支撐1趟排水管和1趟壓風管，降低托架受力，使得托架支撐能滿足要求。

3結論

1)千米深井、涌水大、且伴有地熱等復雜工況排水系統設計，應考慮:海拔、水溫、水質及電機功率對水泵選型的影響。2)泵房的散熱問題設計初期應綜合考慮，提前考慮電機訂貨、泵房通風系統的設計等。3)井筒管路設計時應考慮減小梁的受力，如采用提高管路材料強度，降低管路壁厚達到降低管重和溫度力，增加管路伸縮器及合理分配支撐梁支撐管路的方式。同時設計初期應系統考慮排水方案，結合排水系統合理性，地質條件等，在整個礦井井筒動工前同各個專業協商優化方案，避免施工圖設計階段出現配合不到位的問題。

參考文獻:

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［4］蘇亦山．高地溫千米深井排水一次承井關鍵技術［J］．山東工業技術，2014(5):77－78．

［5］曾曉杰．千米深井排水水泵葉輪氣蝕問題分析及解決方案［J］．山東工業技術，2014(10):106－106．

作者：于功江 單位：中國煤炭科工集團