矿井主排水系统设计方法探讨.pdf

科技信息 一、 概述 矿井主排水系统安全可靠运行是矿井安全生产的重要保证，主排 水设备还是矿井的耗电大户，其效率的提高能降低生产成本提高企业 竞争力。目前矿井主排水系统还存在系统不完善、 管理困难、 自动化程 度低等问题。 本文总结了矿井主排水系统设计观点， 提出了新的设计方 法， 可大大提高矿井排水的安全性、 可靠性和经济性。 现简述如下， 与同 行共同探讨。 二、 主排水泵选择 因为离心水泵具有运行效率高、设备投资低、现场维护方便等优 点，所以目前矿井主排水泵房通常采用卧式离心泵配隔爆型电动机机 组模式， 而矿用大流量高扬程潜水泵由于产品较少， 设备效率较低等原 因， 还未在矿井主排水泵房普及应用。 小流量低扬程防爆潜水电泵和风 动潜水泵以其安装简单， 运行方式灵活等特点， 被广泛用于井下各局部 排水场所。 三、 离心水泵特点 离心水泵是一种利用水的离心运动的抽水机械， 由泵壳、 叶轮、 泵 轴、 泵架等组成。离心水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下， 泵 体内部才能造成必要的真空度实现正常排水， 因此， 启动前的注水是离 心水泵工作的重要操作项目之一。 起动前应先往泵里灌满水， 起动后旋 转的叶轮带动泵里的水高速旋转， 水作离心运动， 向外甩出并被压入出 水管。水被甩出后， 叶轮附近的压强减小， 在转轴附近就形成一个低压 区。这里的压强比大气压低得多， 外面的水就在大气压的作用下， 从进 水管进入泵内。 进入泵体的水在随叶轮高速旋转中又被甩出， 并压入出 水管。 叶轮在电动机带动下不断高速旋转， 水就源源不断地从低处被抽 到高处。 水泵起动过程可概括为以下几个环节 注水环节、 闸阀操作环节、 稳定运行环节， 注水环节是整个排水系统可靠运行的第一步， 同时也是 关键一步。 离水式水泵的抽水高度称为扬程。离心水泵的吸水扬程由大气压 决定。 它是采用 “吸进来” 、“甩出去” ， 的方法来抽水的。 第一级扬程称为 “吸水扬程” ， 叶片旋转形成一个低压区， 靠大气压把水压入低压区， 而 1 标准大气压能支持约 1 0 米高的水柱， 所以吸水扬程的理论极限值是 1 0 米。但由于离心水泵汽蚀现象的存在， 实际吸水扬程远小于 1 0 米。 汽蚀是一种液体动力学现象， 对金属起化学腐蚀作用， 致使金属表 面出现麻点以导致穿孔，严重时金属晶粒松动并剥落呈现出蜂巢状甚 至把壁面蚀穿, 以致材料受到破坏, 泵体损坏。为避免产生汽蚀现象， 离 心水泵的吸程中必须预留汽蚀余量，最大吸水高度减掉汽蚀余量和吸 水管路沿程阻力损失， 就得到离心泵的吸水高度。 而实际的允许吸上真 空高度 H s 值并不是根据理论计算值，而是由泵制造厂家实验测定的 值， 此值附于泵样本中供用户查用， 一般为 4 6 米。但应注意的是泵样 本中给出的 H s 值是用清水为工作介质，操作条件为 2 0 ℃及及压力为 1 . 0 1 3 1 0 5 P a 时的值， 当操作条件及工作介质不同时， 需进行修正换算。 离心水泵实际的允许吸上真空高度决定了水泵安装高度，即水泵距最 低水面的距离一般为 4 6 米。水泵的吸水高度也确定了水仓底板距水 泵房底板的高差。 根据 煤矿安全规程 要求， 当正常涌水量在 1 0 0 0 m 3 / h 以下时， 主要 水仓的有效容量应能容纳 8 h 的正常涌水量 ， 当正常涌水量在 1 0 0 0 m 3 / h 以上时， 主要水仓的有效容量应满足 V 2 Q 3 0 0 0 m 3 。 如前所述， 由于离 心水泵的吸水高度较小， 水仓深度即水泵的最低吸水位较小， 为满足规 程要求的水仓容量， 只有加大水仓宽度、 延长水仓长度， 这样就增加了 水仓开拓工程量， 增大了井下巷道布置难度。 四、 注水方式选择 由上叙述得知， 离心泵只有在泵腔中充满水的情况下才允许启动， 目前为离心泵充水的方法主要包括真空泵抽真空和射流泵抽真空两 种， 或者两者互为备用。 1 、 真空泵抽真空方式的安装系统如图 1 所示， 真空泵、 管路、 电磁 阀和真空表等共同组成抽真空系统，该方式主要缺点是需要配置真空 泵、 占用泵房硐室空间大、 管路闸阀系统复杂、 管路系统漏气、 启动时间 长、 自动化控制复杂。 2 、 射流泵抽真空方式的安装系统如图 2 所示， 射流泵为纯机械装 置， 以压力水源或压缩空气为动力源， 是一种低能耗充水方式， 其主要 缺点是首次启动时需要压力水源或压缩空气、 管路闸阀系统复杂、 管路 系统漏气、 启动时间长、 自动化控制复杂。 图 1利用真空泵加注引水 图 2利用射流泵加注引水 水泵起动过程主要包括以下几个环节 注水环节、 闸阀操作启泵环 节、 稳定运行环节， 关闭闸阀停泵环节， 每一个环节都需要精确连续、 环 环相扣， 采用人工操作时操作过程繁琐、 劳动强度大、 水泵启动时间长、 要求操作工人经验丰富。 人工操作存在操作失误多、 多泵磨损不均等问 题。矿井自动排水装置采用集中控制器对水泵房设备运行实行在线监 控， 自动、 手动控制水泵的启停及闸阀的开、 关及开度， 并具有自诊断功 能。 这不仅解决了传统人工操作存在的问题， 而且提高了矿井排水的安 全性和可靠性， 提高了矿井主排水系统的自动化水平。 矿井自动排水装 置主要有如下功能 控制系统用于井下水泵房的集中分布控制；在井下泵房集控室设 P L C集中控制站， 采集各种信号， 按照工艺流程控制各台水泵及相应的 闸阀， 显示各种工作状态。整个集中控制系统由 P L C集控及监控部分、 就地控制部分和现场设备三大部分组成。 采用集中控制器对水泵房设备运行实行在线监控， 自动、 手动控制 水泵的启停及闸阀的开、 关及开度， 并具有自诊断 矿井主排水系统设计方法探讨 北京圆之翰煤炭工程设计有限公司李井民 ［摘要］ 本文通过对排水设备工作原理的分析， 指出了目前矿井主排水系统中存在的缺陷， 提出了矿井主排水系统的优化设计方 案。通过系统优化， 提高自动化水平， 不仅可以提高矿井主排水系统的安全性和可靠性， 而且可以减小井下巷道工程量。 ［关键词］ 矿井主排水系统设计方法优化 （下转第 3 2 8 页 ） 工程技术 3 2 6 科技信息 功能， 可实现水泵房的无人值守。 控制系统通过以太网接入矿井工业以太干网，实现水泵监控子系 统与全矿井的监控系统信息共享。 根据水位控制原则， 自动实现水泵的轮换工作。 五、 潜水副泵的主要作用 不论是采用真空泵还是采用射流泵抽真空注水，因为离心水泵必 须在真空度达到设定值时才允许启动， 所以启动过程中， 对抽真空系统 包括抽真空设备、 管路及阀门、 泵体及泵抽口闸阀的密封性要求较高， 对真空度的检测要适时、 准确。 自动控制系统需在每台水泵吸水口上安 装真空传感器、 还要在真空系统出水管路上装设流量传感器， 才能准确 检测真空系统的运行状态和参数，增加了自控系统输入输出控制点的 数量， 增大了系统运行故障率。泵体及抽口闸阀、 真空系统的任何一个 环节出现密封问题， 都会造成抽真空失败， 进而影响水泵启动。 图 3利用潜水副泵加注引水 针对目前主排水泵的充水环节存在的缺点，结合离心水泵吸程较 小造成水仓宽度加大、 长度增加现状， 采用在离心主泵的吸水管路末端 装设潜水副泵， 用于离心主泵充水。 潜水副泵安装示意图见图 3 。 通过使 用发现， 这一局部调整为整个排水系统带来全新面貌， 明显提高了矿井 主排水系统的安全性、 可靠性和经济性， 简化了排水自动化系统的控制 环节，提高了排水自动化程度。潜水副泵的主要作用包括以下几个方 面 1 、 直接为离心主泵充水， 充水时间短， 离心主泵启动时间短。潜水 副泵启动后快速为离心主泵充水。由于无需抽气设备及管路，系统简 单， 避免了因抽气系统的漏气问题而影响整个排水系统的重大事故。 如 果吸水高度满足， 离心主泵启动后潜水副泵可以退出运行， 仅作为吸水 管中的一部分， 但增加了离心主泵的吸程运行阻力。 当然潜水副泵也可 与主泵串联运行。 2 、 当潜水副泵启动后仍与主泵串联运行时， 离心主泵吸水口相当 于正压运行， 系统效率将明显提高， 排水电耗降低， 达到节能效果。 3 、煤矿安全规程 要求水仓容量必须满足矿井 8 h 容水量， 按传统 抽气式排水时， 受离心主泵吸水高度限制， 水仓与泵房底板垂直高差比 较小， 水仓宽度和长度较大， 当潜水副泵启动后仍与主泵串联运行时， 可以不受离心主泵吸水高度限制，适当加大水仓底板和水泵房底板的 垂直高差， 减小水仓宽度和长度， 减小了井下水仓开拓工程量和井下巷 道布置难度。 4 、 使用潜水电泵后， 取消了抽真空系统， 系统简化， 控制点数大量 减少， 运行可靠性大大提高， 排水系统自动化程度提高。 六、 潜水副泵流量及扬程的确定 1 、 潜水副泵扬程的确定 潜水副泵的流量应接近且大于离心主泵的流量，为减小吸程阻力 损失， 吸水管管径应比排水管管径大一级。 否则在离心主泵的吸水口容 易产生汽蚀。 如果两泵串联运行， 离心主泵的入口结构应能承受一定的 正压。 2 、 潜水副泵扬程的确定 为了保证充水功能， 潜水泵扬程须大于离心水泵的吸水高度。 为方 便水仓的设计和施工， 潜水泵的扬程须与水仓入口标高相适应。 七、 结论 综上所述， 通过对矿井排水系统传统设计方法的优化， 大大提高了 排水系统的自动化程度， 不仅减少了工人的劳动强度， 而且提高了矿井 排水系统的安全性和可靠性。 以上排水设计方案不仅适用于老旧排水泵房改造，同样也适用于 新建排水泵房的设计。 （上接第 3 2 6 页 ） 混凝土强度高且比较均匀， 面层表面的薄弱处也就越少。 另外，沥青面层常有因基层施工质量不高而引起的反射裂缝。因 此， 在基层施工中， 及时的养护、 良好的接头处理及整体强度是有效防 治沥青面层反射裂缝的有效方法之一。 （二 ） 水破坏 由于水破坏的产生数量及速度与沥青混凝土密实性及空隙率大 小、 沥青与粗集料的粘结力大小或有无抗剥落剂、 交通量大小及重 （超 ） 载车辆的多少有关。所以， 有效防治水破坏发生， 应从以下几点着手 1 、 选择合适的混凝土类型。沥青面层各层应尽量使用空隙率≯5 的密实型沥青混凝土。 从当前的技术水平看， 密实式粗集料断级配沥青 混凝土既具有良好的不透水性，又具有明显优于连续级配沥青混凝土 （如 A C 1 6 Ⅰ、 A C 2 0 Ⅰ、 A C 2 5 Ⅰ） 的高温抗永久形变能力， 用前者 作为表面层时， 还具有良好的抗滑性能。 S M A路面的广泛应用是最好的 例证。 2 、 使用优质沥青及抗剥落剂以增强沥青与碎石的粘附性。一般情 况下， 酸性石料 （花岗岩、 玄武岩等） 与沥青的粘附性较差， 所以在高等 级公路中， 宜使用针入度较小的沥青并采用抗剥落剂。 严格控制细集料 含泥量也是提高沥青与碎石的粘附性的有力措施。 3 、 提高施工质量。 施工前原材料的选用必须规格、 均匀、 合理， 配合 比设计必须严密。 在施工过程中必须注意沥青混凝土拌合的均匀性， 防 止粗细集料离析。严格控制沥青混合料拌合温度、出场温度及碾压温 度， 混合料拌合温度过高会容易造成沥青老化， 与集料的粘附性也会明 显降低， 严重时会造成面层局部色泽不一致等现象。 据国外有关试验数 据表明， 沥青混合料的温度低于 9 0 ℃， 实际上已不可能再被进一步压 实。再者， 尽量通过使用高效配套的碾压设备、 增加碾压遍数等提高压 实度以减小空隙率， 空隙率大的位置越多水破坏现象越严重。 设法加强 沥青面层间粘结力也是有效防治水破坏的措施之一。 4 、 严格控制超载车辆。公路管理部门应该按照 公路法 及交通部 超限运输车辆行驶公路规定 的要求对超载车辆进行强制卸载， 并在 入口处设卡不得让超载车辆进入高速公路。 5 、 优化设计。 沥青面层层间应使用防水材料， 无论是何种沥青混合 料， 必然有一定的空隙率存在， 就会遭受一定的水破坏。在沥青面层表 面涂上防水材料， 形成一种不透水的薄膜封层， 能使沥青面层中因降雨 而聚集的水大大减少。 （三 ） 松散 松散的产生往往是由于沥青混凝土面层强度不足、 压实度过小、 面 层内部空隙率过大而造成的。 所以为有效预防松散现象的产生， 应该做 到 1 、 选用合格的原材料， 特别严格控制细集料含泥量及矿粉掺量以 增强沥青混合料的粘结力。 2 、 严格控制施工温度及压实效果。沥青混合料施工温度过高会导 致沥青老化， 降低与矿料的粘附性； 温度过低会导致混合料压实困难， 造成混合料内部空隙率过大。 3 、 严格控制沥青混合料均匀性， 防止混合料离析。 （四 ） 泛油 由于泛油往往是沥青用量过大造成的，所以在配合比设计阶段必 须严格按照试验规程进行最佳油石比的选定；在施工过程中严格按照 工程师批准的配合比进行施工， 任何人不得随意改变生产配合比。 （五 ） 推移、 壅包、 波浪 推移、 壅包、 波浪往往产生在行车道上， 特别是沥青面层只有一层 时， 由于长期荷载作用下， 因基层与沥青面层粘结力较差而产生推移， 推移严重时会产生壅包、 波浪等破坏。 所以有效防治推移等病害必须注 意以下几点 1 、 加强路面基层施工质量， 提高基层平整度是有效防治病害的条 件之一。再者， 沥青面层铺筑前透层油的洒布尤为重要， 透层油洒布前 首先必须认真清扫基层表面浮土及杂物并且保证透层油洒布的均匀性 和设计用量， 提高基层与面层的粘结力。 2 、 有效阻止超载车辆。 随着油价上涨等原因， 近年来超载车辆越来 越多， 与设计荷载相比超载十分严重。在重荷载重复作用下， 特别在车 辆启动或刹车频繁的叉路口及转弯处沥青路面很快产生破坏， 推移、 裂 缝尤为常见。 四、 结束语 总之， 沥青混凝土路面早期病害的产生有多方面的因素， 无论设计 方面、 还是施工方面都存在一些不足。 鉴于目前沥青混凝土路面病害早 期化的特点， 在优化设计的同时， 更为重要的是应该加强施工管理、 提 高现场施工质量， 规范施工， 尽量在提高沥青路面使用性能的同时， 延 长使用寿命， 提高投资效益。 工程技术 3 2 8