15章矿山排水设备的选择设计

1、第十一章 排水设备选择设计选择设计的任务在于自现有产品中选择能够在特定矿井条件下安全、可靠又经济工作的排水设备，并便于操作和维修。设计时必须遵守煤矿安全规程（以下简称“规程” ）和煤矿工业设计规范（以下简称“规范” ）的有关规定。1 任务和步骤一、具体任务选型设计的任务包括1) 确定排水系统；2) 选定排水设备；3) 提出经济核算结果；4) 绘制泵房、管子道和管子间的布置图。二、必备的资料设计时必须具备的主要原始资料有：1) 矿井开拓方式（水平数）、及服务年限；2) 各开采水平和井口的标高；3) 同时开采水平数及各水平正常涌水量和最大涌水量，及其发生的期间；4) 矿水容重及其物理化学性质（如p

2、H值等）；5) 准备敷设管路的井筒布置及泵房附近车场的布置图；6) 矿井供电电压及井下运输轨距等辅助资料；7) 沼气等级及矿井年产量。三、选型计算步骤1) 拟定排水系统；2) 初步选择水泵；3) 拟定泵房水泵及管路组合方案；4) 选择管路；5) 计算管路特性；6) 确定排水装置的排水工况；7) 验算排水时间；8) 计算允许的吸水高度；9) 计算必须的电动机容量及电能耗量；10) 经济核算；11) 筛选并确定方案，12) 绘制泵房、管子道及管子间的布置图。2 选择排水系统有两种可供选择的排水系统，一种是直接排水，一种是分段排水。 在相同条件下，前者的水平和泵房数量少，系统简单可靠，基建投资和运行

3、费用少，维护工作量要减少一半以上，需用的人员也少。对于条件比较复杂的多水平开采矿井，应根据各水平深度，涌水量以及现有水泵的性能等因素，从基本投资要少、易于施工、操作简单和维修方便等方面加以综合考虑，经过技术和经济比较后，确定采用直接排水还是分段排水。3 预选泵的型式和台数规程第242条对主排水设备的水泵的要求： 必须有工作、备用和检修的水泵，其中： 工作水泵的能力，应能在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量（包括填充水和其它用水）。 备用水泵的能力，应不小于工作水泵能力的70，并且工作和备用水泵的总能力，应能在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。 检修水泵的能力，应不小于工作水泵能力的2

4、5%。 水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况，在主要泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另外增设水泵。规范第2-l36条对小涌水量矿井的水泵的规定：对于正常涌水量为50m3/h及以下，且最大涌水量为100m3/h及以下的矿井，可选用两台水泵，其中一台工作，一台备用。一、工作水泵必须的排水能力根据有关规定，要求投入工作的水泵的排水能力，能在20小时内排完24小时的正常涌水量，即： (2-48)又工作水泵与备用水泵的总能力，能在20小时内排完24小时的最大涌水量，即： (2-49)式中 qz 正常涌水量(m3/h)； qmax 最大涌水量(m3/h)； QB 工作水泵必须的排水能力(m3/h)；

5、 QBmax 工作与备用水泵必须的排水总能力(m3/h)。二、水泵必须的扬程作为估算可认为水泵必须产生的扬程 (2-50)式中 干管倾斜敷设时的倾角。亦可利用管路效率概念，用下式计算 (2-51)式中 g 管路效率。对于竖直敷设的管路g；对于倾斜敷设的管路，当倾角30时取g，3020时取g ，20时取g。认为管路阻力损失在数值上等于管路长度的10%12%，即RTQ20.12)l，又lsin=Hc，则 或三、预选水泵型式自泵产品样本中，挑选能满足QB和HB的水泵，最好是一台泵就能达到所要求的排水能力。 在满足要求的各型水泵中，优先选择工作可靠、性能良好、体积小、重量轻而且价格便宜的产品。 当矿水

6、的pH值小于5时，应采用防酸水泵。若采用分段式水泵，当流量能满足要求时，必须的级数为： (2-52) 式中Hi为泵流量QB时的平均单级扬程m。这值由泵的平均单级特性曲线上查出。四、校验水泵稳定性为保证泵工作稳定性，应满足式(2-14)规定的条件式中 H0 泵零流量时的扬程。 (对于分段式水泵H0=iH0i，这里H0i为平均单级特性上零流量时的扬程。)通过稳定性的校验，可以淘汰不能满足稳定要求的水泵，从而减少可比的方案数。五、确定泵台数根据规范第2-136条的规定当qz50m3/h和qmax100m3/h时，若必须的工作水泵台数为nl，则必须的水泵总台数为n2n1。当qz50m3/h时，若工作水

7、泵的必须台数为nl，则备用水泵的台数n2应取n21，(偏上整数)和n2max/Q-nl(偏上整数)中的较大者。其中Q为泵的工况流量，在未知工况的情况下，可取Qqz/nl。检修水泵的台数n3l(偏上整数)。必须的水泵总台数nnl+n2+n3。对于水文地质条件复杂的矿井，可根据情况，增设水泵或在泵房内预留安装水泵的位置。4 确定管路趟数和泵房内管路布置一、确定管路趟数规程第242条对水管做了规定：主要排水设备必须有工作和备用的水管。工作水管的能力能配合工作水泵在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20小时内，排出矿井24小时的最大涌水量。规范第2

8、-138条对敷设在斜井中排出小涌水量的管路规定：正常涌水量在50m3/h及以下，且最大涌水量为100m3/h及以下的斜井，一般敷设一条管路，其能力应在20小时内，排出矿井24小时的最大涌水量。二、泵房内管路布置按泵台数和管路趟数可以组合成多种布置方式。常见的几种布置方式：两台泵一趟管路的布置，适合于qz50m3/h而且qmax100m3/h条件下的斜井排水设备。两台泵两趟管路的布置，正常涌水期一台泵工作，可用其中任一趟管路排水，另一趟作为备用；最大涌水期两台泵同时工作，可以共用其中一趟或分别用一趟管路排水。三台泵两趟管路的布置，一台泵工作时可用任一趟管路排水，两台泵同时工作时，可共用趟或分别用

9、一趟管路排水。三台泵中有一台轮换作为检修。四台泵三趟管路的布置，若正常涌水期两台泵同时工作，它们可以各用一趟管路排水，另一趟备用；最大涌水期内三台泵同时工作，可各用一趟管路排水。各方案的共同缺点：用于分配管路的闸阀均位于泵房内上部，不利于维修和操作。所需的闸阀数量较多。图f所示布置方案的特点：将各泵分支管路与干管路分开，在各分支管上不装控制闸阀和分配闸阀，而是在两者之间设置集中的闸阀系统，进行水泵控制和管路分配。同是三台泵两趟管路（与c相较），闸阀数量少了两只。由于闸阀集中并座落在泵房地板上，这就大大地方便了操作和维修。该方案的另一特点： 各泵共用一口大直径的吸水井。 吸水井数量的减少，减少了

10、相应的开拓量。 井口直径加大，便于开拓和施工。 由于吸水管加长，增加了吸水阻力损失。规范第2-142条规定：每台水泵排水量小于100m3/h时，两台泵才可共用一口吸水井，其滤水器边缘间的距离不得小于吸水管直径的两倍。对于100m3/h以上的水泵应有独立的吸水井。5 计算管径选择管材一、必需的管内径利用流量表达式可推出管内径的流量、流速的关系式。对于排水管，其内径为： (2-53)式中 排水管内径(m)； Q 通过管子的流量(m3/h)； vp 流速(m/s)。管径大小直接涉及排水所需电耗和装备管道的基本投资。若管径偏小，水头损失（ ）大，电耗高，但所需的基本投资少。若管径偏大，水头损失小，电耗

11、低，所需基本投资多。通常计算时，取vp作为经济流速。对于吸水管内径，通常比排水管内径大25mm，以降低流速，减少损失，取得较大的吸水高度。此时，必须的吸水管内径为： (2-54)根据计算的吸、排水管内径可以预选标准管。二、选择管材选择管材的主要依据是管子将要承受的水压大小。对于敷设在深度不超过200m竖井内的排水管多采用焊接钢管，深度超过200m时多采用无缝钢管；对于敷设在斜井内的排水管路，可按承压的变化，由下向上分段采用无缝钢管、焊接钢管和铸铁管。管材充足时也应尽量统一。铸铁管最大承压为1MPa。必须的管壁停度包括两部分：一部分为承压厚度，另一部分为考虑到运输和其它原因形成的表面损伤面必须事

12、先增加的厚度。必须的壁厚为： (2-55)利用该式可以校验所选管壁厚度是否合适。若计算值大于所选标准厚度，则应更新选择后再验算。dp 标准管内径(cm)；z 许用应力。取管材抗拉强度b的40，即zb。 当钢号不明时，可取：铸铁管z20(MPa)，焊接钢 管z60(MPa)，无缝钢管z80(MPa)；p 管内液体压强，作为估算pP(MPa)；Hp(m)为排 水高度；c 附加厚度。铸铁管取c0.9(cm)，焊接钢管取 c0.2(cm)，无缝钢管取c0.2(cm)。6 计算管路特性管路特性方程式可写成 (2-56)式中 Hc 测地高度(m)； Q 通过管路的流量(m3/s)， RT 管路阻力损失系数

13、(s2/m5)， k 管内径变化而引起阻力损失变化的系数。对于新管k=1。 对于管内挂污管径缩小10的旧管k。若已知Hc和RT，则利用该式可以给出管路特性曲线。设计人员的任务是在设备安装以前，事先求得RT，以便预计管路特性。一、利用阻力损失系数公式计算计算阻力损失系数的公式为：式中 x、p 吸水管和排水管中沿程阻力损失系数； lx、lp 吸水管和排水管的沿程管路长度(m)； dx、dp 吸水管和排水管的内径(m)； x、p 吸水管和排水管上局部阻力损失系数和； g 重力加速度，g9.81(m/s2)。利用当量长度的概念，可以将局部损失转移为数值相等的沿程损失。其当量管长 。利用此关系可将上式改

14、写为： (2-57)式中 ， 。1尼古拉兹紊流水力粗糙管公式 或 (2-58)式中 d 管内径(mm)； 当量粗糙高度(mm)。2舍维列夫公式考虑到钢管和铸铁管使用后发生锈蚀或沉垢，管壁粗糙加大后的粗糙管区（流速）阻力系数 (2-59) 式中 d 管内径(m)。二、利用管路损失图解求RTQ2之值取0.02+0.0018(vd)并借助 作出 通过管子的流量Q m3/h、流速v m/s、管内径d mm和百米管长中的阻力损失RT100Q2的关系图解。如图11-2所示，等流速线为与纵坐标轴平行的线；等管径线为平行于横坐标轴的线；等流量线为从右上方向左下方倾斜的路线；等损失线为与流量坐标轴平行的路线。

15、若已知四项参数中的两项，利用该图解可以求得其余两项。例如，已知d75mm，Q25m3/h，分别做相应的等直径线和等流量线，两线交于Q点。由Q点做等损失线交于损失坐标轴线上，查得交点值RT100Q2。再由Q点做等流速线交于流速坐标轴线上，查得交点值v。根据求得的RT100Q2之值，利用下式可求得全管路阻力损失或损失系数 (2-60)或 (2-61)式中 (RTQ2) 全管路阻力损失(m)； l 计算管长，它等于实际管长与当量管长之和(m)； Q 查解RT100Q2时所用的流量(m3/h)。将求出的RT值代入式（2-56），即得管路特性方程式，并可绘成曲线。7 确定工况验算排水时间一、确定工况点将

16、管路特性曲线绘在泵特性曲线图上，它与泵扬程特性曲线的交点即为工况点。 工况点所标各参数值即为泵预计的工况参数值。以Q、H、N、和Hs分别表示其流量、扬程、轴功率、效率和允许吸上真空度。二、验算排水时间求得工况流量Q后，应验算各涌水时期的排水时间。 在正常涌水时期，n1台工作水泵分别出各自排水管同时排水； 在最大涌水时期，n1台工作水泵和n2台备用水泵同时投入工作并各自由各自的水管排水， 则它们每昼夜的排水时间分别为：根据规程和规范的规定Tz应不超过20小时，否则必须加大管径或增加泵级数以增加排水量，必要时得另选水泵。若Tmax超过20小时，则应在最大涌水时期增加投入工作的水泵台数。8 计算允许

17、吸水高度自泵特性曲线上查出工况时的允许吸上真空度后，可求出实际条件下预计的允许吸水高度 式中 实际条件下预计的允许吸水高度(m)； Hs 预计工况时的允许吸上真空度(m)； pa 泵房大气压(Pa)； 矿水温度下的饱和蒸气压(Pa)； 吸水沿程阻力损失系数； dx、lx 吸水管内径和长度(m)； x 吸水管线上局部阻力损失系数之和； Q 工况流量(m3/h)。在设计水仓和吸水井时，应使实际的Hx小于 ，以免发生汽蚀。9 电动机必须的容量及耗电量一、必须的电动机容量在已知工况参数情况下，可用下式计算： 或 (2-64)式中 Nd 电动机必需的容量(kW)； 矿水密度(kg/m3)； Q 工况流量

18、(m3/h)； H 工况扬程(m)； N 工况功率(kW)； 泵工况效率； c 传动效率，可取c，直联取c1； k 富裕系数，当Q20m3/h时k，Q2080m3/h时k，Q 80300m3/h时k，Q300m3/h时k。通常井下水泵配防滴式电机、但有瓦斯煤尘爆炸危险的辅助排水设备，必须配防爆式电动机。二、耗电量通常计算三项指标：全年耗电总量排1立方米水的电耗产出1吨煤的排水电耗1全年耗电总量即各涌水时期投入工作的泵耗电量之总和，对于任一台水泵在一年内的耗电量，可用下式计算： (2-65)式中 1.05 照明等辅助用电系数； 水密度(kg/m3)； Qi 工况流量(m3/h)； Hi 工况扬程

19、(m)； i 泵工况效率； ci 传动效率； di 电机效率； w 电网效率； ri 工作日数(d)； Ti 每昼夜工作小时数(h/d)。在正常涌水期，若有nz台泵投入工作，且各泵工况不同时，其总耗电量等于各泵年耗电量之总和 (2-66)在最大涌水时期，若有nmax台泵投入工作，且各泵工况不同时，其总耗电量等于各泵年耗电量之总和 (2-67)正常涌水时期耗电量与最大涌水时期耗电量之和，即年耗电总量 若各泵各时期工况完全相同，则全年耗电总量 rz、rmax 正常和最大涌水时期泵工作昼夜数(d)； Tz、Tmax 正常和最大涌水时期泵每昼夜工作小时数(h/d)。2排1m3水的电耗式中 gy 年平均

20、涌水量(m3/y)3产出lt煤的排水电耗式中 A 矿井年产量(t)。10 吨煤的排水耗费开采一吨有益矿物，需要消耗于排水方面的费用包括设备折旧费、工人工资、维修费及其它费用。一、年耗电费等于年耗电总量与当地工业用电电价之乘积，即 s1=ECd式中 Cd 当地工业用电电价。二、设备折旧费若将安装设备的费用也包括在此项目之内，则设备折旧费可按下式求出：s2(设备及安装总费)折旧率三、建筑折旧费建筑项目包括泵房、管子道及水仓等专用作排水的建筑。建筑折旧费s3建筑费折旧率四、工人工资可用下式计算：s4工资单价在册人数 式中在册人数等于每日应出勤的人员数与在册系数之乘积。在册系数大于1。五、维修费指设备

21、大、中和小修及日常维修的工人工资及材料消耗费。可按设备费的某百分比值计算。以“s5”表示。六、其它费用上述五项以外的费用。以“s6”表示。根据上述六项金额总计和矿井年产量，可算出开采一吨有益矿物，在排水方面的耗资 式中 A 矿井年产量(t)。例题2-3 根据下列条件选择排水设备1) 单水平开采，井深625m；2) 正常涌水量qz760(m3/h)，正常涌水期rz320(d)；3) 最大涌水量qmax1500(m3/h)，最大涌水期rmax45(d)；4) 矿水中性，密度1020(kg/m3)；5) 矿井电压(6000V)；6) 矿井主排水设备泵房设在井底车场附近，轨距600(mm)；7) 属低

22、沼气矿井；8) 矿井年产量4106(t)。解：1预选水泵正常涌水时期，水泵必需的排水能力2) 最大涌水时期，水泵必需的排水能力3) 水泵必须的扬程其中Hc(井深) + (井底车场与最低吸水面标高差) + (排水管出口高出井口的高度)625+4+1630(m)又竖井90。4) 预选水泵，由泵产品目录（附录4）中查得DS450型水泵额定流量Qe450 (m3/h)，单级额定扬程Hei100(m)，单级平均特性示于图11-3。比较QB、Qmax和Qe可知，在正常涌水时期需要水泵台数在最大涌水时期需要投入工作的水泵台数，除此之外尚需一台检修。即工作水泵n12，备用水泵n22，检修水泵n31，共五台水泵

23、。由特性曲线可以查得QQB/2456m3/h126.6 L/s时的扬程Hi99.8(m)，所需泵的级数 iHB/Hi(6937.077级依上述，预选DS4501007泵五台。5) 校验泵稳定性 由特性查得Q0时的扬程H01257875(m)，又787.5(m)，该值大于Hc630(m)，满足稳定条件0Hc的要求。2管路及管路布置根据各涌水期投入工作的水泵台数，可选用三条管路正常涌水期两台水泵用一条管路排水，最大涌水期四台泵工作，可启用备用管路，共三条管路并联排水。1) 计算管径，选择管材取流速vp2.2(m/s)，则排水管内径自标准YB 231-70查得外径Dp325mm的无缝管壁厚中有8、1

24、0、14mm等。取壁厚=14mm试算，此时dp325-214297mm，所需壁厚 与所取=14mm正好吻合。式中Hp为排水高度。考虑到矿井较深，可采用壁厚不等的管道分段安装。即分段采用YB 231-7032514、32510和3258无缝钢管作为排水管。对于吸水管，采用3518无缝管。2) 管路系统 参照图11-1中的f和e所示方案，将其中吸水井改为各泵一口井。此时，管路系统如图11-4所示，图中只给出了其中一台泵的管路布置，共余四台泵的管路布置类同。3) 估计管路长度 排水管长度可估算为 lpHc + (4050)670680m 取lp680m，吸水管长度lx8m。3计算管路特性计算沿程阻力

25、系数 对于吸、排水管分别为：2) 局部阻力损失系数 对于吸、排水管中的局部管件分别为：排水管局部损失的当量管长：吸水管局部损失的当量管长： 3) 管路阻力损失系数 4) 管路特性方程式： H2，其中Q以(m3/s)计； H630+726.410-6Q2，其中Q以(L/s)计。参照水泵的流量范围，选取九个流量值，分别算出排水所需扬程和与七级泵相应的七分之一扬程值，如表2-7所列。利用得到的数据可绘出管路特性曲线，如图11-3所示。最大涌水时期，三条管路并联的管路损失系数 相应的管路特性方程式为： H630+80.710-6Q2 其中Q以(L/s)计。取4台泵并联的流量范围为单台泵的四倍，仍取九个流量，分别代入此式求出所需扬程，列入表2-8，利用表中数据绘出管路特性曲线如图11-5所示。4确定工况在正常涌水时期，工况点为单台泵与一条管路特性的交点。该点工况参数为 Qk148L/s3/s3/h， Hk92.257， k。2)在最大涌水时期，工况点为四台泵与三条并联管路特性的交点。 首先将单台泵特性的流量值加大到四倍，得到四台泵