矿井排水设计

第一部分

矿井排水设备选型设计

述1概

2设计的原始资料

开拓方式为斜井片盘，其井口标高为+212.7m，开采水平标高为+48m，正常涌水量为9.5m3/h；最大涌水量为19.0m3/h；持续时间60d。矿水PH值为中性，水温为15℃。该矿井属于低瓦斯矿井，年产量为6万吨。

3排水方案的确定

在我国煤矿中，目前通常采用集中排水法。集中排水开拓量小，管路敷设简单，管理费用低，但由于上水平需要流到下水平后再排出，则增加了电耗。当矿井较深时可采用分段排水。

涌水量大和水文地质条件复杂的矿井，若发生突然涌水有可能淹没矿井。因此，当主水泵房设在最终水平时，应设防水门。

在煤矿生产中，单水平开采通常采用集中排水；两个水平同时开采时，应根据矿井的具体情况进行具体分析，综合基建投资、施工、操作和维护管理等因素，经过技术和经济比较后。确定最合理的排水系统。

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从给定的条件可知，该矿井只有一个开采水平，故可选用单水平开采方案的直接排水系统，只需要在+19m标高水泵房设立中央泵房，就可将井底所有矿水集中排至地面。

4水泵的选型与计算

根据《煤矿安全规程》的要求，主要排水设备必须有工作水泵、备用水泵和检修水泵。工作水泵的能力应能在20h内排除矿井24h的正常涌水量（包括充填水和其他用水）。备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%，并且工作水泵和备用水泵的总能力，应能在20h内排出矿井24h的最大泳水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况在主水泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另增设水泵。

排水管路必须有工作和备用水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排完24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。 4.1水泵必须排水能力计算

正常涌水期

QB24qz1.2qz1.29.511.4m3/h20

最大涌水期

Qmax24qmax1.2qmax1.21922.8m3/h20

式中 QB——工作水泵具备的总排水能力，m3/h；

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Qmax——工作和备用水泵具备的总排水能力，m3/h； qz ——矿井正常涌水量，m3/h； qmax———— 矿井最大涌水量，m3/h。

4.2水泵所需扬程估算

由于水泵和管路均未确定，无法确切知道所需的扬程，所以需进行估算，即

HB=Hsy/ηg=198+4/0.9=224

式中 HB——估算水泵所需扬程，m；

Hsy——侧地高度，即吸水井最低水位至排水管出口间的

高度差，一般可取Hsy=井底与地面标高差+4（井底车场与吸水井最低水位距离），m；

ηg——管路效率。当管路在立井中铺设时，ηg=0.9～

0.89；当管路在斜井中铺设，且倾角>30时,

g=0.83～0.8；＝30～20时，g＝0.8～0.77；＜20时，g＝0.77～0.74。

4.3水泵的型号及台数选择

4.3.1水泵型号的选择

根据计算的工作水泵排水能力，初选水泵。从水泵产品目

3

录中选取D46-50×7型号泵，流量46m3/h额定扬程350m。则：

4.3.2水泵级数的确定 I=HB/Hi=

取i=5级

式中 i——水泵的级数；

Hi——单级水泵的额定扬程，m。 4.3.3水泵台数确定

n1QB3840.85Qe450 取n1=1

iHB2964.93Hi60

工作泵台数

备用水泵台数

n2≥0.7n1=0.7×1=0.7和n2≥Qmax/Qe-n1=780/450-1=0.73 取n2=1 检修泵数

n3≥0.25 n1=0.25×1=0.25，取n3=1 因此，共选3台泵。

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5管路的选择

5.1管路趟数及泵房内管路布置形式

根据泵的总台数，选用典型三泵两趟管路系统，一条管路工作一条管路备用。正常涌水时，一台泵向一趟管路供水；最大涌水时，两台泵同时工作就能达到20h内排出24h的最大涌水量，故从减少能耗的角可采用两台泵向两趟管路供水，从而可知每趟管路内流量Qe等于泵的流量。

5.2管材的选择

由于井深远大于200m ，确定采用无缝钢管。

5.3排水内径

dp'4Q3600vp0.0188Q4500.0188m0.269~0.326mvp1.5~2.2

式中 dp——排水管内径，m； Q——排水管中的流量，m3/h；

vp——排水管内的流速，通常取经济流速vp＝１.５～２.２

（ｍ／s）来计算。

从表1－１预选Φ325×８无缝钢管，则排水内径dp=（325-2×8）mm = 309mm

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表1-1热轧无缝钢管 （YB231-70）

外径/mm 89 95 102 108 114 121 127 133 140 常用壁厚尺寸系列 壁厚/mm 3.5～24.0 3.5～24.0 3.5～28.0 3.5～28.0 4.0～28.0 4.0～32.0 4.0～32.0 4.0～32.0 4.5～36.0 外径/mm 146 152 159 168 180 194 203 219 245 壁厚/mm 4.5～36.0 4.5～36.0 4.5～36.0 5.0～45.0 5.0～45.0 5.0～45.0 6.0～50.0 6.0～50.0 7.0～50.0 外径/mm 273 299 325 351 377 402 426 459 480 壁厚/mm 7.0～50.0 8.0～75.0 8.0～75.0 8.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 25 28 30 32 36 40 50 56 60 63 70 75 5.4壁厚验算

0.4p0.5dp1.3p1C

 6

式中 dp——所选标准内径，cm；

z——管材许用应力。焊接钢管z=60MPa，无缝钢管z=80MPa；

p——管内水压，考虑流动损失，作为估算p0.011a；

C——附加厚度。焊接钢管C0.2cm，无缝钢管C0.1~0.2cm。

所选标准壁厚应等于或略大于按上式计算所得的值。吸水管壁厚不需

要验算。

800.40.0112960.530.91801.30.0112960.15 0.704cm0.8cm因此所选壁厚合适。

5.5吸水管径

据根选择的排水管径，吸水管选用Φ351×８无缝钢管。

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6工况点的确定及校验 6.1管路系统

管路布置参照图1-2所示的方案。这种管路布置方式任何一 台水泵都可以经过两趟管路中任意一趟排水，排水管路系统图如图1-2所示。

图1-2泵房管路布置图

6.2估算管路长度

排水管长度可估算为：

Lp=Hsy+（40～50）m=266+（40～50）m=（306～316）ｍ 取Lp=３１５m ，吸水管长度可估算为Lx=7m 。

6.3管路阻力系数R的计算

沿程阻力系数

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吸水管 λx = 排水管 λp =

0.0210.021= = 0.0292 0.30.3dx0.3350.021dp0.3=

0.021= 0.0299 0.30.309局部阻力系数 吸、排水管及其阻力系数分别列于表1-3、表1-4中

表1-3吸水管附件及局部阻力系数 附件名称 底阀 90弯头 异径管

表1-4排水管附件及局部阻力系数 附件名称 闸阀 逆止阀 转弯三通 90弯头 异径管 直流三通 30弯头

。。。数量 1 1 1 局部阻力系数 3.7 0.294 0.1 数量 2 1 1 4 1 4 2 x4.094 局部阻力系数 25.511.04 3.2 1.5 40.2941.176 0.5 40.72.8 20.29430/900.196 p20.412 lp8lxx1R2[x54p5(1p)4]gdxdxdpdp

874.094315[0.02920.029925450.3350.3350.309 9.81

125(120.412)]}h/m0.3094{ 9

501.69s2/m5 501.69(1225)h/m 36003.871105h2/m5 式中 R——管路阻力系数，s2/m5；

lx、lp——吸、排水管的长度，m；

dx、dp——吸、排水管的内径，m；

x、p——吸、排水管的沿程阻力系数，对于流速v≥1.2m/s，其值

可按舍维列夫公式计算，即

0.021d0.3

x、p——吸、排水管附件局部阻力系数之和，根据排水管路系

统中局部件的组成，见表1-3、1-4。

6.4管路特性方程

新管

252KRQ26613.87110Q 1 sy旧管

2syKRQ2661.73.87110Q

式中 K——考虑水管内径由于污泥淤积后减小而引起阻力损

失增大的系数，对于新管K=1，对挂污管径缩小10%，取K=1.7，一般要同时考虑K=1和K=1.7两种情况，俗称新管和旧管。

252 10

6.5绘制管路特性曲线并确定工况点

根据求得的新、旧管路特性方程，取8个流量值求得相应的损失，列入表1-5中。

表1-5管路特性参数表

Q/（m·h） 200 250 300 350 400 450 500 550

H1/m 267.5 268.4 269.5 270.7 272.2 273.8 275.7 277.7 268.6 270.1 271.9 274.1 276.5 279.3 282.5 285.9 H2/m

3

-1

利用表1-5中各点数据绘制出管路特性曲线如图1-7所示，新、旧管路特性曲线与扬程特性曲线的交点分别为M1和M2，即为新、旧管路水泵的工况点。由图中可知：新管的工况点参数为QM1=532m3/h,HM1=277m,ηM1=0.8,HsM1=5.1m,NM1=498KW；旧管的工况点参数为QM2=516 m3/h，HM2=283m,ηM2=0.81,HsM2=5.3m,NM2=492KW，因ηM1、ηM2均大于0.7，允许吸上真空度HsM1=5.1m，符合《规范》要求。

6.6校验计算

6.6.1排水时间的验算

管路挂污后，水泵的流量减小，因此应按管路挂污后工况点流量校核。

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正常涌水时，工作水泵n1台同时工作时每天的排水小时数

24qz24320zh14.9h20h

n1QM21516 最大涌水期，工作水泵n1、n2台同时工作时每天的排水小时数

max24qmax24650h15.1h20h

(n1n2)QM2(11)516即实际工作时，只需2台水泵同时工作即能完成在20h内排出24h的最大涌水量。 6.6.2经济性校核

工况点效率应满足ηM1=0.8≥0.85ηmax≥0.85×0.81=0.69， ηM2=0.81≥0.69。 6.6.3稳定性校核

Hsy=266≤0.9iH0=0.9×5×72=324m 式中 0——单级零流量扬程，m。 由D450-60型水泵特性曲线图可知0=72m 6.6.4经济流速校核

QM1532m/s1.68m/s 吸水管中流速vx22900dx9000.335排水管中流速vpQM1532m/s1.97m/s 22900dp9000.309吸、排水管中的流速在经济流速之内，故满足要求。

注：吸、排水管的经济流速通常取1.5～2.2m/s

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6.6.5吸水管高度校核

8lxx12 xSM12x5QM1 4gdxdx874.094153225.470.02922543.149.810.3350.33536005.470.82 4.65m式中 [HSM1] = HSM1-（10-ha）-（hn-0.24）

=5.1-（10-10.3）-（0.17-0.24） =5.47m

注: ha——不同海拔高度ｚ时大气压值见表［］ｍ； hn——不同水温ｔ时的饱和蒸汽压力值［］ｍ；

实际吸水高度Hx=4m＜[Hx]，吸水高度满足要求。 6.6.6电机功率计算

KdNdQM1HM110003600M1

=1.110003532277563kw

100036000.8式中 Kd——电动机容量富余系数，一般当水泵轴功率大于

100KW时，取Kd=1.1；当水泵轴功率为 10～100KW时，取Kd=1.1～1.2。

水泵配套电机功率为Nd680KW，大于计算值，满足要求。

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6.6.7电耗计算 1）年排水电耗

EQM2HM2nzTzrznmaxTmaxrmax

10003600M1cdw10003516283m114.9305215.160100036000.810.90.95

63.77110kw•h/a式中 E——年排水电耗， kw•h/a；

——水的重度，N/m3；由给定条件可知=10003N/m3 nz、nmax——年正常和最大涌水期泵工作台数； rz、 rmax——正常和最大涌水期泵工作昼夜数； Tz、Tmax——正常和最大涌水期泵每昼夜工作小时数；

c——传动效率，对直联接取1，联轴器联接取0.95～0.98；

d——电动机效率，对于大电动机取0.9～0.94，小电动

机取0.82～0.9；

w——电网效率，取0.95；

2)吨水百米电耗校验

et1003.673M2cdwHsy

HM22833.6730.8110.90.95266 =0.418<0.5 kwh/(t100)

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