礦井主排水系統的優化設計與改造

王建理

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.19.054

摘 要：礦井企業要降低生產成本，提高生產效率，就應該對礦井主排水系統進行有效的優化設計和改造。應該通過優化設計和改造，保障礦井主排水系統運行的安全性和可靠性，同時不斷地降低礦井主排水系統的能耗。該文針對礦井主排水系統的優化設計和改造提出了一些具體措施，供相關人員參考借鑒。

關鍵詞：礦井主排水系統 優化設計 改造

中圖分類號：TD744 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（a）-0054-02

2007年我國制定了《礦山固定設備選型使用手冊》，大部分礦井都是以該手冊為基礎，對礦井主排水系統進行設計。在近10年的運行實踐過程中，針對礦井主排水系統暴露出的一些問題，應該對其進行進一步的優化和改造，不斷地提高礦井主排水系統的可靠性、環保性，提高礦井主排水系統的技術含量，獲得更好的經濟和環保效益。

1 改造和優化泵房

1.1 泵房底板問題

當前絕大部分礦井都通過沖水的形式來打掃泵房，因此在對泵房地面進行設計時，為了使水流能夠流向吸水小井，避免泵房積水，應該使泵房地面具有一定的坡度[1]。

1.2 泵房斷面問題

如果設計較大的泵房斷面有利于日常維修、擴容改造、泵房斷面拆除和安裝，但是具有較大的工作量。而且如果井深地壓較大，還可能加速變形。因此礦井在對泵房的高度、寬度和長度進行設計時盡量選取較大的數值。

1.3 泵房通風問題

在礦井直接排水系統中，一般在井筒附近設置泵房。井筒附近具有較好的通風條件，如果需要聯合運行多臺泵，則應該設置臨時的通風設備。在分段排水系統中，沒有在副井附近設置當下水平泵房。當下水平泵房必須具有良好的通風條件，而且其通風往往不及上水平泵房。

2 對礦井主排水系統進行優化設計和改造

2.1 選擇主排水泵

在礦井主排水系統的優化設計中，離心水泵的應用越來越普遍。這是由于離心水泵便于維護，具有較低的設備投資和較高的運行效率，因此隔爆型電動機組和臥式離心泵的基礎模式在很多礦井主排水泵房中得到了應用。井下各局供排水場所可以選擇風動潛水泵，或者小流量低揚程防爆潛水電泵，這兩種排水泵運行方式相對靈活，而且安裝比較簡單。

離心水泵包括泵架、泵軸、葉輪、泵殼，這種抽水機械主要是對水的離心運動進行利用。當葉輪淹沒于水中時，離心水泵的內部就會出現真空，從而能夠進行排水。因此要使離心水泵能夠正常工作，在啟動前就應該注滿水。啟動之后泵中的水在葉輪的帶動下開始高速旋轉，出現離心運動，然后被甩出和壓入水管。水的甩出減小了葉輪附近的壓強，從而形成了一個低壓區，避免外部的水進入泵內。這樣一來隨著離心水泵的轉動，低處的水就不斷地被抽到高處。要保障礦井主排水系統的運行可靠性，就必須保障注水環節的可靠性。大氣壓決定了離心式水泵的吸水揚程，也就是其抽水高度，在離心式水的吸水揚程中，1標準大氣壓能夠對10 m高的水柱進行支持，通過大氣壓將水壓進低壓區，因此10 m是離心式水泵的吸水揚程理論極限值，一般情況下實際的吸水揚程難以達到理論極限值，這主要是由于離心水泵汽蝕的存在[2]。氣蝕屬于液體動力學現象，能夠腐蝕金屬。在離心水泵中出現氣蝕會造成金屬表面的麻點、穿孔甚至剝落，直至整個壁面被穿空。因此在離心水泵的吸程中要對氣蝕的余量進行預留，也就是從最大吸水高度中減去吸水管路的沿程阻力損失和氣蝕余量，將離心泵的吸水高度得出來。事實上離心泵的制造廠商會根據實驗將實際允許吸上真空高度的Hs值確定下來，并提供給用戶，一般情況下為4～6 m。

2.2 設計水倉的容量和長度

一般情況下水倉內的流速不超過0.005 m/s，最長停留時間為6 h，水倉的最小長寬為110 m。如果就較小的礦井涌水量，可以適當地延長水泵的持續運行時間，同時提高水倉的有效容量，從而達到避峰填谷的目的。

應該對當前的水槽設施進行一定的改造。在建設初期底板一般略低于道木，便于底板積煤和人員行走，如果礦井的清倉較少，那么往往會鋪設臨時道。在正常生產的過程中，如果需要清理和探查水倉，則應該在巷頂或巷幫上預留照明掛鉤和風筒掛鉤。在改造時還應該對清倉設備的安裝預留設施進行考慮。例如：如果進行水力清倉，就應該對管路托梁進行預留。應該將沉淀池設置在水倉的入口處，并且牢固地澆筑水倉，避免其漏水。

2.3 選擇和安裝排水管

如果排水管路需要對一定的流量進行排送，那么為了減少揚塵損失，降低能耗，就應該適當地擴大管徑，但是這也會增加基建投資。而且在水泵運行的過程中管徑過大，可能會造成電機過載的問題。但是如果管徑過小，盡管可以減小基建投資，但是卻會造成主排水系統的能耗過高，而且具有較大的揚程損失。管徑較小的水管很容易結垢，一旦排水管結構，會進一步加大揚程損失[3]。

排水管的經濟流速一般為1.5～2.2 m/s，管內流速不得低于0.8 m/s，否則排水管內可能會出現嚴重的掛污。吸水管的流速一般為0.8～1.5 m/s，但是還要對災害排水和正常排水這兩種情況進行分別考慮，制定排水管的流速上限。如果管路直徑為150 mm，最大流不得超過2.45 m/h，最大流量不得超過154.8 m3/h；如果管路直徑為175 mm，最大流不得超過2.49 m/h，最大流量不得超過216 m3/h；如果管路直徑為200 mm，最大流不得超過2.69 m/h，最大流量不得超過299.88 m3/h；如果管路直徑為250 mm，最大流不得超過2.72 m3/h，最大流量不得超過479.88 m3/h；如果管路直徑為300 mm，最大流不得超過2.71 m/h，最大流量不得超過691.2 m3/h。還要考慮到排水管的壁厚，盡量選擇較大的附加厚度進行計算。

排水管路的安裝可以分為兩種形式：另作管路鉆孔、井筒內安裝。井筒內安裝的缺點在于容易產生伸縮變形，管路容易銹蝕，但是其維護量較小，安裝投資少。相反管路鉆孔需要較大的初期投資，但是能夠減小溫差變形，避免管路銹蝕，無需后期維護。當前很多礦井開始應用特塑鋼編復合管、聚乙烯涂層復合鋼管，這兩種鋼管管壁不易結垢、阻力小、耐腐蝕。

要注意避免產生水錘，在管路流速為1.2 m/s、排水管路長、排水任務重、礦井較深的排水系統中，很容易出現水錘的問題，水錘會造成井筒排水管路的變形，同時破壞泵房內的環形管，損壞逆止閥。停泵不利和停電都可能造成水錘，應該盡量減少彎頭的管線，牢固的固定排水管，加裝水泵多功能逆止閥，盡量實現合理供電，減少電氣故障的發生。為了實現變頻控制，還可以使用瀉壓溢流裝置[4]。

2.4 設計和改造注水方式

只有當離心水泵的泵腔中都注滿水時，才能對離心水泵進行啟動。當前主要有兩種離心水泵沖水的方法，分別為射流泵抽真空和真空泵抽真空，礦井也可以根據自身的考慮將兩者互為備用。

射流泵抽真空的動力源是壓縮空氣或壓力水源，是一種純機械裝置，這種充水方式具有較低的能耗，但是具有相當復雜的管路閘閥系統，而且每次啟動都需要使用壓縮空氣或壓力水源，具有比較復雜的自動化控制，需要較長時間進行啟動，而且很容易出現管路系統漏氣的問題。

真空泵抽真空方式的抽真空系統，主要包括真空表、電磁閥、管路、真空泵，但是這種方式同樣具有自動化控制復雜、啟動時間長、管路閘閥系統復雜的缺點，且需要配置真空泵，要占用較大的泵房硐室空間，而且也容易出現管路系統的漏氣。

要啟動水泵，必須對啟動的各個環節進行精確的計算。如果使用人工計算具有較大的工作強度，而且操作過程相當繁瑣，錯誤率較高，很容易出現多泵磨損不均的問題。因此在對礦井主排水系統進行優化設計時，可以在水泵房設備中運行集中控制器，實現在線監視，能夠對閘閥的開關及開度和水泵的啟停進行手動和自動控制，而且具有自動診斷功能。經過改造之后的礦井主排水系統能夠實現集中管理和優化管理，安全效益和經濟效益都得到了明顯的提高。而且老礦井排水系統存在的漏水問題得到了妥善解決，避免了水淹大巷的情況出現，保障了礦井的正常提升和生產，具有良好的效益。

3 結語

通過對礦井主排水系統進行優化設計和改造，能夠進一步提高礦井主排水系統運行的可靠性和安全性，使礦井主排水系統更加完善，對原有的泵房、水倉等進行進一步的改造。與此同時，礦井主排水系統中還應該對照明系統、消防系統、電纜吊掛進行科學的設計。

參考文獻

[1] 李令德.礦井主排水系統檢驗若干問題探討[J].科技傳播， 2014（17）：226-227.

[2] 王培培，任家富，孫秀麗.煤礦排水系統的自動控制與監控[J].中國集成電路，2013，22（7）：83-86.

[3] 張樂芳，李超.嵌入式技術在煤礦排水系統中的應用[J].煤炭技術，2013（10）：148-150.

[4] 周遠生.煤礦在用主排水系統檢驗工作中應注意的問題[J].煤礦機械，2012，33（10）：224-226.