第五章矿井排水设备

1、第五章 矿井排水设备 第一节 概述 一、矿井排水设备的任务和分类 v1、矿水v（1）矿水来源v涌入矿井的水统称为矿水。矿水主要来源于地面水和地下水。v（2）涌水量v绝对涌水量：单位时间内涌入矿井的水的体积量（q），单位是m3/h；v相对涌水量：同时期内相对于单位煤炭产量的涌水量，也称含水系数。以“Ks”表示。 tmTqKs/243v3、分类v矿井排水设备分为固定式和移动式。固定式排水设备根据其服务范围又分为主排水设备、区域排水设备和辅助排水设备。 v二、矿井排水设备的组成v1、组成v水泵、电机及电控设备、管路及附件、监测仪表等。v2、各部分功用v叶轮:传递能量,提高水的能量(静压和动压)v电动

2、机:驱动设备,通过联轴器与泵轴联接,带动泵轴上的叶轮转动.v底阀:水泵启动前向水泵内灌引水时或水泵停止运转时水泵和吸水管内的水不漏掉.v调节阀:安装在靠近水泵的出水管上,用来调节水泵的扬程和流量.启动时关闭调节阀,电动机功率最小,停泵时关闭闸阀 以避免水击.v 逆止阀:安装在闸阀有上方,防止水泵突然停电时,发生水击.v旁通管：接在逆止阀和闸阀两端，水泵启动前向水泵充灌引水。v放气栓：在充灌引水时排出水泵内的空气。v放水管：检修水泵和管路时放掉排水管中的水。v 滤水器：装在吸水管的末端，过滤水中的杂物，防止杂物进入水泵。 排水设备一般由水泵、电动机、吸水管、排水管、管路附件及仪表等组成 。如图1

3、所示。图1 排水设备示意图1、水泵，2、电机，3、启动设备，4、吸水管，5、滤水器，6、底阀，7排水管，8、调节阀门，9、逆止阀，10、旁通管，11灌引水漏斗，12、放水管，13、放水阀，14、真空表，15放气栓，16、压力表第二节、离心式水泵的组成及工作原理离心泵1、离心泵离心泵的实物图 手动闸阀示意图手动闸阀实物图2、闸阀、闸阀目前自动闸阀主要有两种形式：电动执行的电动闸阀和液压执行的液动闸阀。 液动闸阀 电动闸阀 自动闸阀液动闸阀的液压原理图 1-油箱；2-梭阀；3-液压泵；4-溢流阀；5-液控单向阀；6-油缸液动闸阀3、水介质电液球阀、水介质电液球阀防爆外壳液压管路入口转动球阀（a）

4、关闭状态（b） 打开状态1、组成： 离心式水泵主要由叶轮、叶片、外壳、泵轴和轴承等组成 。 2、离心式水泵的工作原理水泵启动前，应先用水注满泵腔和吸水管，以排除空气。启动后，泵轴带动叶轮旋转，叶轮中的水在离心力的作用下被甩向叶轮叶轮周围压向泵壳，通过排水管排至地面，与此同时，叶轮中心进水口处，由于水被抛至轮缘而形成真空，吸水井中的水在大气压的作用下，通过滤水器、底阀及吸水管进入水泵，填补叶轮中心的真空，叶轮连续旋转，吸水井中的水就不断被吸入和甩出，形成连续不断的排水。1叶轮；2叶片；3轴；4外壳；5吸水管；6滤水器底阀；7排水管；8注水漏斗；9闸板阀v按水泵的安装分：v1）固定式水泵 将水泵固

5、定在水泵房内工作，是矿井的主排水设备。v2）移动式水泵 将水泵安装后可以移动其工作位置，是矿井的辅助排水设备，常用于掘进或淹没巷道的排水。v 在煤矿中，主要的排水设备常用D型水泵。D型泵是单吸多级分段式离心泵，输送液体的温度一般不超过80度，并有清水泵和酸碱泵之分，具有流量和扬程范围大、效率高、工作平稳等特点，适合矿山排水。v 井底水窝和采空局部排水常用JS型单级离心式水泵。第二节离心式水泵的结构v一、离心式水泵的分类v按叶轮数目分v1)单级水泵 泵轴上仅装有-个叶轮v2)多级水泵 泵轴上装有几个叶轮v按水泵吸水方式分v1)单吸水泵 叶轮上仅有-个进水口v2)双吸水泵 叶轮两侧各有-个进水口v

6、按泵壳的结构分 v1)螺壳式水泵v2)分段式水泵 垂直泵轴心线的平面上有泵壳接缝v3)中开式水泵 在通过泵轴心线的水平面上有泵壳接缝按泵轴的位置分1)卧式水泵 泵轴呈水平位置2)立式水泵 泵轴呈垂直位置按比转数分 1)低比转数水泵 比转数nS=4O802)中比转数水泵 比转数nS=8O1503)高比转数水泵 比转数nS=150300二、离心式水泵的结构 D型泵的结构主要由转动部分、固定部分、和密封部分组成。1、转动部分主要由泵轴、叶轮、平衡盘和轴承组成。叶轮和平衡盘装在泵轴上，泵轴支承在轴承上，电动机带动泵轴转动。（1）叶轮 作用：是泵的主要部件。将机械能传递给水，使水的压力能和动能得到提高。

7、结构：形状取决于比转数，由前盘面、后盘面、叶片、轮毂组成。D 型泵叶片数目一般为57片，因后弯叶片的叶轮效率高，所以离心式水泵大都采用后弯的叶轮。（2）泵轴：作用是传递扭矩和支承套装在它上面的转动部件。（3）平衡盘：作用是平衡水泵的轴向推力。离心式水泵的轴向推力及平衡方法 叶轮为单吸式的水泵，从叶轮流出的高压水作用在叶轮的前后盘上，高压水作用在前后盘上的压力不等，后盘压力大，前盘压力小，在工作时产生向吸水侧的轴向推力作用，迫使叶轮和转子一起朝入口方向移动。单级泵的轴向推力有几百公斤；多级分段式水泵的可达几吨。轴向推力必须予以平衡才能保证泵的正常工作。危害使整个转子向吸水侧窜动。1、使叶轮造成破

8、坏性磨损；2、轴承发热、电动机负载增加；3、使叶轮出水口与导水圈的导叶进口发生偏移，引起冲击和涡流，降低泵的效率。（三）轴向推力的平衡方法1、平衡孔构成一个平衡室，降低平衡室内的压强。其方法如下：（1）在叶轮后底盘上钻孔，把平衡室和叶轮入口连接起来，使两侧压强相等；（2）用专门的通路将平衡室与低压区沟通，达到降压目的。2、固定部分：进水段、中段、出水段组成，用拉紧螺栓连接。（1）进水段：接受吸水管来的水，使水均匀地导入第一级叶轮入口，降低流动损失。（2）中段由导水叶片和返水叶片组成 1）导水圈：作用是引导水流运动方向，降低流速，使一部分动压转换为静压。 2）返水圈：作用是以最小的损失把水引入下

9、一级叶轮的入口。注意：导水圈叶片与叶轮叶片数应互为质数。（3）出水段（螺壳型）：出水口位于出水段（最后一级叶轮的后面），为垂直方向。作用是以最小的损失，将导水圈中流出的水汇集起来并均匀地引至出水口；同时，使一部分动压变为静压。水泵的进水段、中间段、叶轮和出水段总称为水泵的过流部件。其形状和材质的好坏是影响水泵性能和寿命的主要因素。进水段：把吸水管进来的水流引入第一级叶轮的入口。 中间段：导水圈、返水圈和密封环都固定在中间段上。水泵的级数越多，中间段的数目也越多。出水段（螺壳）：把后一级叶轮出来的水流收集起来，形成总流，并使其缓慢排向排水管。主要零部件 叶轮：对流体产生扬程。 用于排污浊或含有大

10、量颗粒的液体导水圈、返水圈：设水泵的中段上，导水圈把流体的动能转变为压力能，减少能量损失；返水圈是把水导入次级叶轮。3、水泵的密封水泵的密封包括固定段之间结合面的密封、转动部分的密封。固定件之间密封：纸垫密封转动部分与固定之间的密封（1）叶轮的密封叶轮采用密封环密封。密封环又叫口环，叶轮进口用大口环密封叶轮背面轮毂用小口环密封，便于磨损后更换。（2）吸水侧和排水侧的填料密封2）填料装置吸水侧填料装置：作用是防止空气进入泵内。包括水封环和填料。排水侧填料装置：作用是防止压力水向外泄漏。注意：填料压盖不可拧得太紧。v填料又叫盘根.吸水侧填料由填料箱、填料、水封环及填料压盖组成。一般用浸油石棉绳弯成

11、圆形装入填料箱.水封环装在填料箱中间。水封环上一般有个小孔，由水泵中段引入的压力水通过径向孔流入水封环内缘并四溢到填料周围，封住全部轴隙，阻止空气进入水泵吸水口。(二)离心式水泵的型号表示方法：v 第三节离心式水泵的性能与工况分析一、离心式水泵的性能参数 1） 流量 水泵在单位时间内所排出水的体积，称为水泵的流量，用符号Q表示，单位m3/s , m3/h。 2）扬程 单位重力的水通过水泵后所获得的能量，称为水泵的扬程，用符号H表示，单位为m。吸水扬程(吸水高度)泵轴线到吸水井水面之间的垂直高度，称为吸水扬程，用符号HX 表示，单位为m。v排水扬程（排水高度）v泵轴线到排水管出口处之间的垂直高度

12、，称为排水扬程。用符号Hp表示，单位为m.v实际扬程（测地高度）v从吸水井水面到排水管出口中心线间的垂直高度，称为实际扬程。用符号Hc表示，单位为m，即Hc=Hx+Hp总扬程总扬程H为实际扬程、损失扬程hw和在水在管路中以速度v流动时所需的（速度水头）扬程之和，称为水泵的总扬程,即22ghwHcH1000NxQH3）功率水泵在单位时间内所做的功的大小叫做水泵的功率。水泵的轴功率电动机传给水泵轴的功率，即水泵的轴功率（输入功率）水泵的有效功率 水泵实际传递给水的功率，即水泵的有效功率（输出功率）用符号NX 表示。矿水的重度水泵的流量水泵的扬程ZPQH10004）效率：水泵的有效功率与轴功率之比，

13、叫做水泵的效率，用符号表示。 5）转速 水泵轴每分钟的转速，叫做水泵的转速。6）允许吸上真空度或汽蚀余量 在保证水泵不发生汽蚀的情况下，水泵吸水口处所允许的真空度，叫做水泵的允许吸上真空度。用符号Hs表示。 水泵吸水口处单位重量的水超出水的汽化压力的富余能量，叫做水泵的汽蚀余量。v二、离心式水泵的性能曲线v（1）水泵的性能曲线有四条，即扬程特性曲线（H-Q）、轴功率特性曲线（N-Q）、效率特性曲线（-Q）、和汽蚀余量曲线或允许吸上真空度曲线v（1）扬程特性曲线（H-Q）扬程特性曲线表示流量和扬程之间的关系。后弯叶片H=A-BQvA、B为常数，压头线是一条下降的直线。v从图中可以看出，当流量为零

14、时，扬程最大，这时的扬程叫初始扬程，用H0表示。随着流量的增加，扬程逐渐降低。v（2）轴功率特性曲线（N-Q）：轴功率特性曲线表示流量和轴功率之间的关系，从图中可以看出，轴功率随流量的增加逐渐增大。流量为零时，轴功率最小，所以，水泵应闸阀完全关闭时启动。减小启动电流。v（3）效率特性曲线（-Q）：效率特性曲线类似于抛物线，额定流量时效率最高。v（4）汽蚀余量曲线或允许吸上真空度曲线：允许吸上真空度曲线表示水泵入口处的真空度和流量之间的关系，随着流量的增加，水泵入口处的真空度逐渐减小，水泵的吸水高度就要降低。离心泵的实际特性曲线 实际特性图排水管道特性方程 2gH = H + RQRR 称为管道

15、阻力系数。对于一定的排水管道，因管道直径、长度、粗糙度以及管道附件等都是不变的，所以 为一常数。Q-管路中的流量排水管道特性曲线 四、 水泵的工况点工况点水泵是和管路连接而工作的。水泵的流量就是从管路中流过的水量；水泵的扬程就是水流经管路时的总压头消耗。所以，如果把水泵特性曲线和管路特性曲线按同一比例画在同一坐标图上，所得的交点就是水泵的工作点，称为工况点。点所对应的参数称为工况参数。2、工业利用区 工业利用区是水泵特性曲线上允许使用的区段。在这个区段内工作，水泵满足稳定工作和经济工作的条件。（1）稳定工作 水泵在运转中工况点是单值的，不能出现无交点或多交点。1）不稳定的原因无工况点（H0HC

16、）多工况点（H0 50m3/ h时工作泵： n1 =QB / Qe备用水泵: n2 70% n1 且 (n1+n2) Qe QB max 检修水泵： n3 : n3 25% n1 总台数 n= n1 + n2 + n3 设计计算举例：有一矿井副井（竖井）地面标高为+18.5m，第一水平井底标高为-500m。正常涌水量为700m3/h，最大涌水量为1100m3/h，持续时间70d。涌水为中性，重度为10006N/m3，水温为15,属于低沼气矿井，年产量120万吨，试选择排水设备。解：1）水泵应具备的排水能力 正常涌水期 QB1.2qz=1.2700=840 m3/h 最大涌水期 QBmax1.2

17、qmax=1.21100=1320 m3/h2）水泵所需扬程 表6-1，取g =0.9 HB=Hc/g =（500+18.5+4）/0.9=580.5m3）预选水泵根据水泵的产品目录，选取水泵型号：D450-6010，其额定流量Qe=450 m3/h ，额定扬程He=600m4）确定水泵的台数工作泵的台数：n1 =QB / Qe = 840/450 =1.87 取 n1 = 2备用泵的台数：n2 70% n1 =0.72=1.4 和 n2 QB max / Qe -n1 =1320/450-2=0.93 取 n2 =2 检修泵的台数：n3 25% n1 =0.252= 0.5 取 n3 = 1

18、 共选择五台水泵。第九节排水设备的安全运行一、水泵的操作与运行（一）水泵启动前的检查（1）水泵司机和水泵维修人员应该经过专业培训，禁止非司机开车和监护设备。（2）水泵起动前，应首先检查。检查内容：电气设备和线路 、开关手把 、连接螺栓 、联轴器 、润滑油 、吸水管路以及底阀 （1）水泵必须灌满水后才能起动有底阀时，打开放气阀，直到放气阀完全冒水时，表示水泵已灌满水。这时，在关闭放气阀和放水阀后，起动水泵。采用喷射泵无底阀排水，在灌水时，必须先顺序打开阀门11、10，直到混合管排出的全是水时，水泵才灌满水。这时，关闭阀门，起动水泵。采用喷射泵实现无底阀排水系统示意图1-水泵；2-闸阀；3-逆止阀

19、；4-排水管；5-喷射泵；6-真空表；7-电动机；8-滤水器；9-回水管；10、11-阀门；12-混合室；13-混合管（2）启动水泵时，应完全关闭闸阀启动。（3）电动机启动后达到正常转速时，应立即根据仪表的指示，判断水泵是否上水，若没有上水，应停电动机，排除故障后，重新启动。（三）水泵的运行当出现下列情况之一时，应立即停车检修 ：（1）有异常震动或异常声响。（2）电流表有剧烈摆动或电流超过额定电流或电压超过额定电压5%时。（3）底阀埋入水面深度不合规定。（4）温升超限：电动机温升超过铭牌规定、滑动轴承超过 65 或滚动轴承超过 75 时。（5）填料处渗水量过大或无水滴出又调整无效、填料箱过热，

20、平衡盘放水管水量变化异常。 停车时，应先慢慢关闭闸阀，以免引起水击，再断电。离心水泵的停止过程 缓慢关闭闸阀。 按停电按钮，停止电动机运行。 正压排水时，应关闭进水管上的阀门。 将电动机及起动设备的手轮、手柄恢复到停车位置。 长的期停运应放掉泵内存水(当冬季有冻冰危险时)。 当电源切断以后，要注意观察水泵转子继续惰走的时间，即到达完全停止转动的时间。 3.水泵的检查和检修 经常检查和维护。每年雨季以前，必须全面检修1次，并对全部工作水泵和备用水泵进行1次联合排水试验。 水仓、沉淀池和水沟中的淤泥，应及时清理，每年雨季前必须清理1次。值班司机每班至少对水泵检查一次定期检修：小、中、大修三种，检修

21、要有记录。每年最大涌水期到来之前，都要对排水设备检修一次。每次大修后，都要进行水压试验和技术测定。 水泵机组的安装水泵机组的安装 水泵机组正常运转的标志如下： 1）水泵机组运转平稳均匀，音响正常；2）排水量均匀，压力表和真空表的指针摆动很小；3）运转中电动机不过载；电压及电流指示正常；4）轴承温度在试运转中不超过70；5）平衡盘出水均匀，填料箱不过热并有少量水滴出；6）水泵机组无晃动现象；晃动可能由于水泵轴与电动机轴不在一条线上，或地脚螺钉未拧紧所致。排水设备的运转、维护和检修排水设备的运转、维护和检修 正确的维护检修是执行计划性，预防性的维护制度。根据设备的特点和工作具体条件，组织经常的维护和制定周期检查图表（如大、中、小检修），有计划地进行检修，以便保证机器能长时期地在高效率下安全运转。 排水管道的清洗方法如下：1）机械方法利用带刺的球刷洗。球由手摇铰车系引下放到管道中，上下移动时注入清水，使被刷掉的积垢和铁锈随水冲下。2）冻裂方法使管道空气温度从 急剧下降到 以下，引起积垢中的水冻结而破裂脱落。此法适于在北方的冬天进行。3）化学方法管道中注入加热的盐酸溶液（ ）来清洗积垢。 四、常见故障及处理方法四、常见故障及处理方法