第1讲矿井排水课件

机电学院矿山流体机械张明辉矿山排水设备本章内容第四节离心式水泵在管路上工作第五节刮板输送机的安装、运转、维护及故障处理第三节离心式水泵的工作理论第二节离心式水泵主要结构第一节矿井排水设备概述第五节离心式水泵的调节

第六节矿井排水设备的选型计算第七节矿井排水设备的操作与运行、维护及故障处理

第一节矿井排水设备概述一、

煤矿水源矿水大气降水地表水含水层水断层水采空区水水力采煤和水砂充填后的废水大气降水可能从地表低洼地通过塌陷区裂隙或井口灌入井巷，造成灾害。地表水指河、湖、塘、沟及水库的积水。

含水层水如砂砾层含水、石灰岩溶洞水，两者可能通过裂隙、断层、旧巷等通道进入井巷。断层破碎带常大量积水，特别是断层与含水层或地表水沟通时，补给丰富，威胁更大。旧巷或采空区积水，往往静水压力大，来势猛，且常含有害气体，易造成人身事故。涌入矿井的水矿井排水设备的任务

将矿水及时地排到地面，为井下生产创造良好的工作环境，保证人员的安全工作和机械、电气设备的良好运转。涌水量最大涌水量：雨季和溶雪期涌水多，称这时的涌水量为最大涌水量，用qmax表示，所对应的涌水时间为最大涌水时间，用tmax表示。矿井涌水量：在单位时间内涌入矿井的总水量称为矿井涌量用q表示，其单位是m3/h。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正常涌水量：其它时间涌水量大致均匀，称这时的涌水量为正常涌水量，用qz表示，所对应的涌水时间为正常涌水时间，用tz表示。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。

T—同时期内煤炭日产量（t）矿水性质1）温度随井深增高。2）密度比清水大。ρ=1015-1025kg/m33）化学性质矿水略带酸性，当PH<5时，应采取措施。矿井涌水量等级1）涌水量小的矿井：Q<2m3/min2）涌水量中等的矿井：Q=2~5m3/min1）涌水量大的矿井：Q=5~15m3/min1）涌水量极大的矿井：Q>15m3/min涌入矿井中的水根据巷道标高不同有两种排水方式。巷道高于地面的矿井矿井涌水可沿巷道(平硐)一侧水沟自行流出矿外巷道低于地面的矿井可用排水设备将水排到地面。

目前，根据矿井深度、开拓方式、涌水时间以及各水平涌水量的大小，可采用不同的排水系统。

(一)单水平开采的排水系统（二）多水平同时开采的排水系统二、矿井排水系统(一)单水平开采的排水系统直接排水系统（a）竖井单水平开采（b）斜井单水平开采全部矿水聚集于水仓中，并用排水设备直接排至地面。排水管可沿井筒敷设或敷设在专用钻孔中，系统简单开拓量小基建费用低管理方便(一)单水平开采的排水系统分段排水系统（c）井筒中部开拓泵房和水仓（d）只开中间泵房，不开水仓优点是上、下设备互不影响，可靠性高，但开拓工程量大；不开拓中间水仓，但因要求上、下任意两台水泵都能串联工作，而使管路布置十分复杂，并且下部的排水设备可能受到全井深的水头压力。优先采用(二)多水平同时开采的排水系统1、独立排水系统当各水平涌水量都较大时，在各水平分别设置水仓、泵房和排水设备，以便将各自水平的水直接排至地面。优点是上、下水平互不干扰；缺点是设备多，管路多。(二)多水平同时开采的排水系统2.集中排水系统当上水平的涌水量较小，没有必要单独设置排水设备时，可将上水平的水下放到下水平，而后由下水平的水泵排至地面。优点是只需一套排水设备；缺点是上水平的水下放后再上排，损失了水的位能，增加了电耗。(二)多水平同时开采的排水系统3.分段排水系统将下水平的水用辅助排水设备排至上水平的水仓中，然后集中排至地面。缺点一旦上水平的排水设备发生故障，两水平都有被淹没的危险。常用于具有下山的缓倾斜煤层矿井、且涌水量较小的情况三、矿井排水设备组成

矿井排水设备由水泵、电动机、启动设备、管路及管路附件、仪表等组成。

矿山排水设备示意图1-离心式水泵；2-电动机；3-启动设备；4-吸水管；5-滤水器；6-底阀；7-排水管；8-调节闸阀；9-逆止阀；10-旁通管；11-引水漏斗；12-放水管；13-防水闸阀；14-真空表；15-压力表；16-放气栓；17-吸水井

一、离心式水泵的类型1.D型离心式水泵第二节离心式水泵的结构Ｄ型泵是单吸、多级、分段式离心泵。它可输送水温低于８0℃的清水或物理性能类似于水的液体。其流量范围和扬程范围大。目前矿井主排水泵多采用D型泵。D型水泵经多年的发展已形成系列，其结构形式基本相同，只是尺寸大小不同。1.D型离心式水泵主要部件(组装)一、D型泵的构造转动部分泵轴联轴器轴套叶轮平衡盘固定部分泵体导叶轴承部分密封部分D型泵的构造（1）叶轮铸成一个整体（2）泵轴材料传递扭矩和支承套装在它上面的其它转动部件。45号钢锻造加工作用

轴套

防止泵轴锈蚀（3）轴向推力及平衡装置产生轴向推力的原因：

(1)由于作用在叶轮前，后轮盘上的压力不平衡；

(2)由于叶轮内水流动量发生变化；

(3)由于大小口环磨损严重，泄漏量增加，使叶轮前后轮盘上的压力分布规律发生变化平衡装置示意图A-平衡盘；B-平衡盘室；C-平衡盘衬环（平衡座）；D-末级叶轮

D平衡盘用平衡盘平衡轴向力平衡孔采用平衡叶轮采用双叶轮布置对称叶轮

进水段出水段中间段吸水口，水平出水口，垂直向上(4)固定部分固定部分主要包括进水段、中段和出水段等部件，用拉紧螺栓连接。吸水口为水平方向并位于进水段，出水口为垂直方向并位于出水段。

（1）进水段将吸水管中的水均匀地引向第一级叶轮入口，降低流动损失。（2）中段导水图1-导水叶片；2-返水（反导）叶片(3)出水段收集最后一级叶轮流出的高压水，并以最小的损失把水均匀地引至出口。同时在扩散管中将水的一部分动能（动压）转化为压力能（静压）。

(5)密封部分（1）叶轮密封

密封环1-叶轮；2-大口环；3-小口环；4-泵壳（2）吸水侧和排水侧密封吸水侧填料密封结构1-填料压盖；2-进水段；3-轴套；4-压盖螺栓；5-水封环；6-填料

D型泵型号意义字母意义字母意义D分段式多级泵KD中开式多级泵DG分段式多级锅炉给水泵QJ井用潜水泵DL立轴多级泵S单级双吸式离心泵DS首级用双吸叶轮的分段式多级泵M耐磨泵F耐腐蚀泵WB微型离心泵JC长轴深井泵WG高扬程横轴污水泵部分离心泵型号中某些汉语拼音字母通常所代表的意义2.IS（B）型离心式水泵IS型水泵是单吸、单级、悬臂式离心泵。输送清水或物理化学性质类似于水的液体，液温不得起过80℃。其流量范围为4.5～360m3/h，扬程为8～98m，可供小型矿井或采区局部排水及井底水窝排水等使用。IS型离心泵构造简图特点：体积小，重量轻，结构简单，工作可靠，零部件少，易于加工和维护。

离心式水泵工作原理离心式水泵简图1-叶轮；2-叶片；3-泵轴；4-外壳；5-吸水管；6-滤水器底阀；7-排水管；8-漏斗；9-闸阀优点：转数高、体积小、质量轻、效率高第三节离心式水泵的工作原理叶轮随原动机的轴转时，叶片间的流体也随叶轮高速旋转，受到离心力的作用，被甩出叶轮的出口。被甩出的流体挤入机（泵）壳后，机（泵）壳内流体压强增高，最后被导向泵或风机的出口排出。同时，叶轮中心由于流体被甩出而形成真空，外界的流体在大气压的作用下，沿泵或风机的进口吸入叶轮，如此源源不断地输送流体。离心式水泵性能参数

主要性能参数有：流量、扬程、功率、效率、转速和允许吸上真空度等。①流量指单位时间内水泵排出液体的体积。用Q表示，单位为m3/s或m3/h。②扬程指单位重量液体获得的能量。用H表示，单位为m。H=（P1-P2）/ρ③功率水泵在单位时间内所做功的大小。用N表示，单位为kW。④效率指水泵有效功率与轴功率的比值。用η表示。⑤转速指水泵轴和叶轮每分钟的转数，用n表示，单位为r/min。⑥允许吸上真空度指水泵在不发生汽蚀的条件下，水泵吸水口所允许的真空度。用Hs表示，单位为m。，叶片的进口直径为叶轮的外径也就是叶片的出口直径为叶片的进口宽度为出口宽度为叶轮的进口直径为速度三角形几个概念离心式流体输送机械的基本方程离心式流体输送机械的基本方程的推导基于三个假设：（1）叶片的数目无限多，叶片无限薄，流动的每条流线都具有与叶片相同的形状。（2）流动是轴对称的相对定常流动，即在同一半径的圆柱面上，各运动参数均相同，而且不随时间变化。（3）流经叶轮的是理想流体，粘度为零，因此无流动阻力损失产生。能量方程式的推导推导思路

利用动量矩定理，建立叶片对流体作功与流体运动状态变化之间的联系。控制体和坐标系（相对）相对坐标系控制体

2

速度矩

3、动量矩定理及其分析

在稳定流动中，M=K。且，单位时间内流出、流进控制体的流体对转轴的动量矩K

分别为：K2=qVT2l2=qVT2r2cos2，K1=qVT1l1=qVT1r1cos1

作用在控制体内流体上的外力有质量力和表面力。其对转轴的力矩M由假设可知：该力矩只有转轴通过叶片传给流体的力矩。则M=qVT(2r2cos2-1r1cos1)当叶轮以等角速度旋转时，则原动机通过转轴传给流体的功率为：

由于u2=r2、u1=ωr1、2u=2cos2、1u=1cos1，代入上式得：P=M=qVT

(2r2cos2-1r1cos1)P=qVT(u22u-u11u)

3、动量矩定理及其分析上两式对轴流式叶轮也成立，故称其为叶片式泵与风机的能量方程式，又称欧拉方程式（Euler.L，1756.）。

3、动量矩定理及其分析（Pa）pT=gHT=

(u22u-u11u)而单位体积流体流经叶轮时所获得的能量，即无限多叶片时的理论能头pT

为：则单位重力流体流经叶轮时所获得的能量，即无限多叶片时的理论能头HT

为：（m）

能量方程式的分析

（1）1u反映了泵与风机的吸入条件。设计时一般尽量使1≈90（1u0），流体在进口近似为径向或轴向流入。3、提高无限多叶片时理论能头的几项措施：

（2）增大叶轮外径和提高叶轮转速。因u2=2D2n/60，故D2和nHT。

目前火力发电厂大型给水泵的转速已高达7500r/min。后向式（2y＜90）径向式（2y＝90）前向式（2y＞90）叶片出口安装角：2y=（叶片出口切向，-

u2）离心式叶轮的三种型式

2y对HT的影响为提高理论扬程HT，设计上使1≈90。则在转速n、流量qV、叶轮叶片一定的情况下，有：讨论

1°从结构角度：当HT=const.，前向式叶轮结构小，重量轻，投资少。

2°从能量转化和效率角度：前向式叶轮流道扩散度大且压出室能头转化损失也大；而后向式则反之，故其克服管路阻力的能力相对较好。

3°从防磨损和积垢角度：径向式叶轮较好，前向式叶轮较差，而后向式居中。

4°从功率特性角度：当qV时，前向式叶轮Psh，易发生过载问题。

1、无限叶片数的理解叶片型线严格控制流体流动。

2、有限叶片数的理解叶片型线不能完全控制流体流动。AA轴向涡流试验

3、轴向涡流流体(理想)相对于旋转的容器，由于其惯性产生一个与旋转容器反向的旋转运动。流体在叶轮流道中的流动轴向涡流无限叶片数有限叶片数AAp离心叶轮实际压头特性

1、流线和速度三角形发生变化，分布不均；

叶片数有限时对理论能头的影响

轴向涡流对进、出口速度三角形的影响

p形成阻力矩；2、3、使理论能头降低：

不是效率，不是由损失造成的；流体惯性有限叶片轴向滑移；b．K为环流系数a.HT(pT)HT(pT)，即：离心式叶轮的损失和效率1、机械损失和机械效率

2、容积损失和容积效率3、流动损失和流动效率

机械损失（用功率Pm表示）包括：轴与轴封、轴与轴承及叶轮圆盘摩擦所损失的功率，一般分别用Pm1和Pm2表示。1、什么是机械损失

2、机械损失的定性分析

Pm2∝n3D25，叶轮在壳腔内转动时，因克服壳腔内流体与盖板之间存在的摩擦阻力而消耗的能量，称为圆盘摩擦损失功率。1、机械损失和机械效率

Pm1∝nD2，与轴承、轴封的结构形式、填料种类、轴颈的加工工艺以及流体密度有关，约为1%～3%Psh。3、机械效率

机械损失功率的大小，用机械效率m来衡量。机械效率等于轴功率克服机械损失后所剩余的功率（即流动功率Ph）与轴功率Psh之比：机械效率和比转速有关，表1-3可用来粗略估算泵的机械效率。

表1-3ηm与ns的关系（泵）比转速

ns5060708090100机械效率ηm（%）848789919293

当叶轮旋转时，在动、静部件间隙两侧压强差的作用下，部分流体从高压侧通过间隙流向低压侧所造成的能量损失称为容积（泄漏）损失，用功率PV

表示。

2、容积损失和容积效率泵的容积损失主要发生在以下几个部位多级泵的级间间隙处；叶轮入口与外壳之间的间隙处；

平衡轴向力装置与外壳之间的间隙处以及轴封间隙处等。

容积效率

容积效率V与比转速有关，对给水泵，表1-4可供参考。

容积损失的大小用容积效率V来衡量。容积效率为考虑容积损失后的功率与未考虑容积损失前的功率之比：

ns=5060708090100qV＜90m3/hqV＞145m3/h0.800.900.8350.9200.860.940.8750.9500.8900.9550.900.96表1-4给水泵的容积效率比转速V流量1、什么是流动损失流动损失和流动效率

流动损失是指：泵与风机工作时，由于流体和流道壁面发生摩擦、流道几何形状改变使流速变化而产生旋涡、以及偏离设计工况时产生的冲击等所造成的损失。2、流动损失的定性分析

流动损失和过流部件的几何形状，壁面粗糙度、流体的粘性及流速、运行工况等因素密切相关。

冲击损失

摩擦损失和局部损失分类2、流动损失的定性分析

1）摩擦损失和局部损失当流动处于阻力平方区时，这部分损失与流量的平方成正比，可定性地用下式表示：2）冲击损失当流量偏离设计流量时，在叶片入口和出口处，流速变化使流动角不等于叶片的安装角，从而产生冲击损失。冲击损失可用下式估算，即2、流动损失的定性分析

2）冲击损失当流量小于设计流量时，1y>1，则=1y1>0，称为正冲角；当流量大于设计流量时，1y<1，则=1y1<0，称为负冲角。正冲角及速度三角形负冲角及速度三角形w1dw1工作面背面称吸力边工作面称压力边2、流动损失的定性分析

实践证明：正冲角时，由于涡流发生在吸力边，能量损失比负冲角（涡流发生在压力边）时为小。因此，设计时，一般取正冲角=3~5。

若全部流动损失用hw表示，则：hw=hf+hj+hs正冲角的存在，对改善泵的汽蚀性能也有好处。

流动损失曲线

存在流动损失最小工况。流动损失和流动效率

3、流动效率

流动损失的大小用流动效率h来衡量。流动效率等于考虑流动损失后的功率（即有效功率）与未考虑流动损失前的功率之比，即泵与风机的总效率

泵与风机的总效率等于有效功率和轴功率之比。即：

1、泵与风机的性能及性能曲线3、性能曲线的绘制方法（试验方法及借助比例定律）2、性能曲线的作用

能直观地反映泵与风机的总体性能，对其所在系统的安全和经济运行意义重大；

作为设计及修改新、老产品的依据；相似设计的基础；工作状态——工况（运行、设计、最佳）n=const.主要的H-qV或

p-qVPsh-qV

-qV[NPSH]-qVn=const.其次[Hs]-qV

离心式泵与风机的性能曲线qVH2）H-qV曲线能头与流量性能曲线（H-qV）1）HT-qVT曲线由无限多叶片时的理论能头可得：HT=KHT

，qVT-q

=qVH=HT-hw

，HT-qVTHT-qVThf+hjhsH-qVTH-qVqqVd后向式径向式前向式qVPshOPh-qVT功率与流量性能曲线（Psh-qV）

空载功率Psh0=Pm+PV，若现场的凝结泵和给水泵闭阀启动，则这部分功率将导致泵内水温有较大的温升，易产生泵内汽蚀，故凝结泵和给水泵不允许空载运行。后向式径向式前向式q理论的Psh-qV曲线Psh-qVTPmPV实际的Psh-qV曲线效率与流量性能曲线（

-qV