礦井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)統(tǒng)一口徑

一、設(shè)計(jì)原則和依據(jù)

   1、遵循《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》、《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》和《煤炭工業(yè)小型礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》以及其它有關(guān)規(guī)定；

  2、選用取得《煤礦礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書》的高效節(jié)能產(chǎn)品，安全可靠，技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理；

  3、采礦專業(yè)提供的礦井最大涌水量Q_m和正常涌水量Q_z、礦井水PH值、敷設(shè)排水管路井筒的井口和井底標(biāo)高H₁、H₂以及井筒坡度、礦井瓦斯等級(jí)。

二、排水泵站的能力確定

  1、最小排水能力計(jì)算

   （1）、正常涌水量時(shí)工作水泵最小排水能力：Q₁ =24Q_z/20=1_。2Q_z

   （2）、最大涌水量時(shí)工作水泵最小排水能力：Q₂ =24Q_m/20=1_。2Q_m

2、水泵揚(yáng)程估算

       H =K(H_p+H_x)

式中， H_p 為排水高度, 且H_p= H₁- H₂,

H_x 為吸水高度, 估算一般取H_x=5m,

K 為管路損失系數(shù),與井筒坡度有關(guān):

立井: K=1.1~1.15,

斜井:當(dāng)α<20^。.時(shí),  K=1.3~1.35,

      α=20^.~30^。時(shí),  K=1.3~1.25,

      α>30^。時(shí),  K=1.25~1.2.

  3、 確定水泵臺(tái)數(shù)

根據(jù)計(jì)算的Q₁、Q₂、H,查水泵樣本選擇水泵,并根據(jù)擬選水泵的主要技術(shù)參數(shù)，初步預(yù)計(jì)水泵的流量Q_b（一般為額定流量），按《煤礦安全規(guī)程》第278條相關(guān)規(guī)定，分別計(jì)算出水泵站內(nèi)工作水泵、備用水泵、檢修水泵臺(tái)數(shù)。水泵站內(nèi)水泵總臺(tái)數(shù)N按下面兩種情況計(jì)算。

(1)、正常涌水量時(shí)：N= n₁+ n₂+ n₃

式中_，工作水泵臺(tái)數(shù)n₁= Q₁/Q_b, 且n₁≥1，當(dāng)n₁不為整數(shù)時(shí)_，其小數(shù)應(yīng)進(jìn)位到整數(shù)。

備用水泵臺(tái)數(shù)n₂=0_。7 n₁，且n₂≥1，當(dāng)n₂不為整數(shù)時(shí)，其小數(shù)應(yīng)進(jìn)位到整數(shù)。

檢修水泵臺(tái)數(shù)n₃=0_。25 n₁，且n₃≥1，當(dāng)n₃不為整數(shù)時(shí)_，其小數(shù)應(yīng)進(jìn)位到整數(shù)。

(2)、最大涌水量時(shí)，水泵工作臺(tái)數(shù)n₄= Q₂/Q_b，

當(dāng)n₄≤ n₁+ n₂時(shí)，則N= n₁+ n₂+ n₃，

當(dāng)n₄≥ n₁+ n₂時(shí)，則N= n₄+ n₃。

   （3）、水文地質(zhì)條件復(fù)雜、有突水危險(xiǎn)的礦井，應(yīng)根據(jù)情況增設(shè)水泵，或預(yù)留安裝水泵位置。

（4）、當(dāng)?shù)V井水PH≤5時(shí)，應(yīng)選耐酸泵。

三、排水管路計(jì)算和管路布置

 1、管路布置原則

（1）、根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第278條規(guī)定，井下排水管路應(yīng)設(shè)工作管路和備用管路。工作管路應(yīng)能在20h內(nèi)排出礦井24h正常涌水量，工作管路和備用管路應(yīng)能在20h內(nèi)排出礦井24h最大涌水量。

（2）、根據(jù)《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，每臺(tái)水泵均能經(jīng)兩條管路排水，排水管路在泵站內(nèi)宜作環(huán)形布置。

（3）、管路和水泵的匹配，宜一管一泵；如果水泵需要并聯(lián)工作，一趟管路宜并聯(lián)2臺(tái)水泵，即一管二泵，最多不宜超過一管三泵；有時(shí)為了控制管內(nèi)水的流速，1臺(tái)水泵也可并聯(lián)二趟管路運(yùn)行。

（4）、水文地質(zhì)條件復(fù)雜、有突水危險(xiǎn)的礦井，視情況在井筒及管子道預(yù)留安裝排水管位置。

2、管徑計(jì)算

（1）、選擇排水干管管徑時(shí)，應(yīng)根據(jù)礦井涌水量大小和礦井規(guī)模及服務(wù)年限，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定合理的流速和管徑。

（2）、管徑計(jì)算

d_p=（Q/900πV ）^1/2 （m）,

式中:  Q—流經(jīng)管內(nèi)流量（m³/h）。一管一泵時(shí)Q=Q_b，一管二泵時(shí)Q=2Q_b，余類推

V—管內(nèi)水流速度，一般排水管內(nèi)V=1_。5~2_。2 m/s _,當(dāng)d_p>200 mm時(shí)，可適當(dāng)增大，但不宜超過2_。5 m/s _。

 3、管壁厚度計(jì)算，介紹兩種方法：

  （1）、根據(jù)原煤炭工業(yè)部聯(lián)合編寫小組編寫的《礦井提升、通風(fēng)、排水、壓風(fēng)設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》中所推薦的公式計(jì)算：                        

δ=1/1+2p/[230(k_z-0.65)–p] {[pd_p/230(k_z-0.65)-P]+c} （mm）  (公式一)

式中: d_p—d_p排水管外徑 （mm）

 p—計(jì)算管段內(nèi)部最大工作壓力 （kg/cm²）

 k_z—管材許用應(yīng)力 (kg/mm²)，且k_z=0_。25σ_B

σ_B—管材抗拉強(qiáng)度 (kg/mm²)，當(dāng)不知鋼號(hào)時(shí)，無縫鋼管取k_z=8~10 kg/mm²，焊接鋼管取k_z=6 kg/mm²。

C—附加厚度，一般取C=1 mm。

  （2）、根據(jù)《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》（送審稿）中推薦的公式計(jì)算：       

       δ=δ^’+c                  

δ^’= pD_w/[2.3×(Rφ- 6.4)+p]    (公式二)

式中:  p—計(jì)算管段的最大工作壓力 （MPa）      

D_w—排水管外徑 (cm )

 R—管材許用應(yīng)力（MPa）,

    10^# 鋼: R=85,  15^# 鋼: R=95,  20^# 鋼: R=100

 φ—管子焊縫系數(shù)。 無縫鋼管取1;

螺旋焊接鋼管：雙面焊，全部探傷取1.

;    螺旋焊接鋼管：雙面焊，不探傷取0.7.

C—計(jì)入制造負(fù)偏差和腐蝕的附加厚度：

無縫鋼管: C=0.15(δ^’+1)  (cm)

說明: 管壁厚度計(jì)算公式較多，煤炭系統(tǒng)比較公認(rèn)的為四大件設(shè)計(jì)手冊(cè)中所推薦的公式，即(公式一)。因此_，在《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》未批準(zhǔn)實(shí)施前,設(shè)計(jì)宜采用(公式一)計(jì)算。但因按(公式二) 計(jì)算的管壁厚度比按(公式一) 計(jì)算的厚度大_，所以在上述設(shè)計(jì)規(guī)范批準(zhǔn)后_，則應(yīng)采用(公式二)計(jì)算，以使設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。

4、根據(jù)計(jì)算的d_p和δ，選擇標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管。

5、吸水管d_x,一般比排水管d_p大一級(jí)，取d_x,= d_p+0_。025（m），根據(jù)d_x, 選擇標(biāo)準(zhǔn)鋼管中管壁最薄的管子即可。

四、確定水泵工況點(diǎn)，檢驗(yàn)排水系統(tǒng)（包括水泵和管路）設(shè)計(jì)選型計(jì)算的符合性。

    確定水泵工況點(diǎn)，就是求出水泵H-Q特性曲線和管網(wǎng)特性曲線H= H_c +RQ²

的交點(diǎn)。鑒于水泵樣本給出的H-Q特性曲線，系由廠家通過模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制而成，并不存在H=f(Q)函數(shù)關(guān)系，因此，不能利用解方程求解。目前一般都采用作圖法確定水泵運(yùn)行工況，其方法有二。

１、第一種方法，也即我院目前使用的方法，其步驟如下：

（1）、首先分段計(jì)算管路損失Δh

    ①、 吸水管部分                

Δh_x=(λ_xL_x/d_x+∑ζ_x)V_x²/2g

∵ V=Q/900πd²  

∴Δh_x =(λ_xL_x/d_x+∑ζ_x)Q²/2g（900πd_x²）²=R_x Q²

式中  R_x=(λ_xL_x/d_x+∑ζ_x) /2g（900πd_x²）²

②、排水管部分            

a、水泵出口至排水干管段

Δh_p1=(λ_p1L _p1/d _p1+∑ζ_p1)V _p1²/2g  

  　　=(λ_p1L _p1/d _p1+∑ζ_p1)Q²/2g（900πd _p1²）²=R _p1 Q²

式中　 R _p1=(λ_p1L _p1/d _p1+∑ζ_p1)/2g (900πd _p1²)² 

b、排水干管段

Δh_p2=(λ_p2L _p2/d _p2+∑ζ_p2)V _p2²/2g   

 =(λ_p2L _p2/d _p2+∑ζ_p2)（nQ）²/2g（900πd _p2²）²=R _p2 Q²

式中:  R _p2= n² (λ_p2L _p2/d _p2+∑ζ_p2)/2g（900πd _p2²）²

c、排水管部分阻力損失之和，按水泵與管路運(yùn)行情況分別計(jì)算：

Δh_p=Δh_p1+Δh_p2= (R _p1+n² R _p2) Q²

（2）、繪制管網(wǎng)特性曲線H= H_c +RQ² 

 式中 H_c—測(cè)量高度，H_c= H_p+H_x 

R— 管道阻力，R= R_x + R _p1+ n² R _p2，

將H_c、 R數(shù)值代入，并考慮因沉積物使管徑變小阻力增大系數(shù)，則

H = H_p+H_x+1_。7（R_x + R _p1+ n² R _p2）Q²（新管則不乘1_。7系數(shù)）。在不同的n值下（n=1、2、3），給出不同的Q值，即可繪出管網(wǎng)特性曲線 。

（3）、確定水泵運(yùn)行工況點(diǎn)

水泵樣本給出的H-Q特性曲線和繪出的管網(wǎng)特性曲線H= H_c +RQ²,兩條特性曲線的交點(diǎn)M即為水泵運(yùn)行工況點(diǎn)（如圖1）。該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Q、H、η、npsh，即是水泵運(yùn)行時(shí)的流量、揚(yáng)程、效率和必須的汽蝕余量。

        （貼插圖1）

（4）、根據(jù)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Q、H，檢驗(yàn)礦井最大涌水量和正常涌水量時(shí)水泵工作臺(tái)數(shù)、管路趟數(shù)及每天水泵工作時(shí)間。水泵和管路的各種配合運(yùn)行方式，均應(yīng)能保證水泵每天工作時(shí)間不超過20h。從圖1可知，此時(shí)水泵的實(shí)際流量為Q_b＇，則要求：T₁=24Q_z/n Q_b＇≤ 20h，T₂=24Q_m /n Q_b＇≤ 20h 。同時(shí)檢驗(yàn)排水管中水的流速，V= n Q_b＇/900πd _p2²，如超出經(jīng)濟(jì)流速范圍，則應(yīng)調(diào)整管路系統(tǒng)，或采取其它措施，直至滿足要求。          

(5)、計(jì)算電動(dòng)機(jī)的容量：

先按一管一泵（n=1）運(yùn)行時(shí)水泵工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Q、H、η計(jì)算出水泵的軸功率：N=QHr/102×3600η

電動(dòng)機(jī)的容量：N_d’=KQHr/102×3600ηη_m，

式中 K—電動(dòng)機(jī)容量的富余系數(shù)，K=1_。1~1_。2，

η_m—傳動(dòng)效率，直聯(lián)取1，聯(lián)軸節(jié)取1_。2，

r —礦井水的容重，一般r=1020 kg/m³。

根據(jù)N_d’選擇電動(dòng)機(jī)。（一般電動(dòng)機(jī)由水泵廠成套供應(yīng)）。

（6）、按水泵在管路未淤積前（即新管）一管一泵運(yùn)行時(shí)水泵的工況計(jì)算水泵的軸功率，檢驗(yàn)電動(dòng)機(jī)是否過負(fù)荷。

２、第二種方法,即四大件設(shè)計(jì)手冊(cè)中介紹的方法，其步驟如下：

（1）、首先分段計(jì)算出管路損失Δh

Δh=Δh_x+Δh_p1+Δh_p2，按一管一泵（n=1）運(yùn)行，計(jì)算公式與第一種方法相同。

（2）、水泵總揚(yáng)程

H_Z= H_c +1_。7Δh+1（新管則不乘1_。7系數(shù)）

（3）、建立管網(wǎng)特性曲線H_Z= H_c +RQ²

R=（H_Z- H_c）/ Q²，

（4）、確定水泵運(yùn)行工況點(diǎn)

 　①、一管一臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)水泵的工況點(diǎn)確定

一臺(tái)水泵的H-Q特性曲線和管網(wǎng)特性曲線H= H_c +RQ²兩條特性曲線的交點(diǎn)3即為水泵運(yùn)行工況點(diǎn)，見圖2）

   　②、一管二臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)水泵的工況點(diǎn)確定

   兩臺(tái)同型號(hào)水泵并聯(lián)特性曲線的繪制，是在相同揚(yáng)程條件下，兩臺(tái)水泵流量相加繪成的，如圖2所示。它與管網(wǎng)特性曲線（按一管一臺(tái)泵運(yùn)行）之交點(diǎn)1即為二臺(tái)并聯(lián)水泵的工況點(diǎn)，點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的Q、H為并聯(lián)工作水泵的實(shí)際流量和揚(yáng)程；點(diǎn)２為并聯(lián)工作時(shí)每臺(tái)水泵的工作點(diǎn)；點(diǎn)３為一臺(tái)水泵單獨(dú)工作時(shí)的工作點(diǎn)。從圖2可知，Q= Q’₁＋Q’₁＝ 2 Q’₁，一般Q=（1_。8~1_。6）Q₁。

（貼插圖2）

 

③、一管三臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)水泵的工況點(diǎn)確定

   與一管二臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)水泵的工況點(diǎn)確定方法相同，如圖3所示。

（貼插圖3）

 　

④、三臺(tái)相同水泵向兩條管路輸水的并聯(lián)工作，如圖4所示。除了一條管路的特性曲線C—E外，還要繪制兩條管路的合成特性曲線C—E’。合成特性曲線的繪制，是在同一揚(yáng)程下把管路中的流量相加而成。圖中：點(diǎn)1定出泵站的最大輸水量，點(diǎn)2定出每條管路中的輸水量，點(diǎn)３定出每臺(tái)水泵的輸水量。

（貼插圖4）

⑤選擇電動(dòng)機(jī)和計(jì)算水泵工作時(shí)間，與第一種方法相同。

3、兩種方法的比較

　第一種方法是先計(jì)算出一管一泵或一管多泵管路特性曲線，它們與水泵特性曲線的交點(diǎn)即為水泵運(yùn)行工況點(diǎn)，也就是先定出單臺(tái)水泵Q，再計(jì)算泵站輸水量。而第二種方法則是先定泵站輸水量，再定出每臺(tái)水泵Q。但兩種方法的共同點(diǎn)都是基于水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)管中的流量Q成倍增加，并以此繪制并聯(lián)后的水泵特性曲線和管路特性曲線。實(shí)際上流量Q并不是成倍增加（約為１_。８～１_。６倍），因而都存在一定的誤差。但第一種方法中并聯(lián)管路特性曲線是通過計(jì)算后一次繪制的，而第二種方法中并聯(lián)管路特性曲線是通過人工二次合成的，因而相對(duì)誤差較第一種方法為大。

五、泵站布置

   1、泵站主要尺寸

（1）、泵站長(zhǎng)度 L=n L₁ +(n-1) L₂+(3~5)  (m)

式中: L₁—機(jī)組長(zhǎng)度，

     L₂—機(jī)組間凈間距，應(yīng)滿足電動(dòng)機(jī)抽芯和水泵檢修的需要，          

3~5 m是考慮值班室和堆放檢修工具及零配件的需要，可視具體情況而定。

（2）、泵站寬度 B=B₁+1/2B₂+B₃+B₄+B₅+0_。3  (m)

式中:  B₁—機(jī)組基礎(chǔ)邊（靠吸水井側(cè)）至硐室壁的距離，

  B₂—機(jī)組基礎(chǔ)寬度

  B₃—水泵或電動(dòng)機(jī)外型（靠軌道側(cè)）至基礎(chǔ)中心距離，

  B₄—水泵或電動(dòng)機(jī)或平板車中最大件寬度

，B₅—水泵啟動(dòng)控制箱的厚度，

  0_。3 m為考慮最大件通過軌道運(yùn)輸時(shí)兩側(cè)預(yù)留的間隙。

(3)、起重高度H=h₁+h₂+h₃+h₄+h₅+h₆+h₇

式中:  h_1——-機(jī)組基礎(chǔ)高度

h_2——水泵軸中心至機(jī)組基礎(chǔ)高度

  h_3——附加短管高度（不加時(shí)，h₃=0）

h_4——閘閥高度（當(dāng)止回閥采用多功能控制閥時(shí)， h₄=0）

h_5——止回閥或多功能控制閥高度

h_6——三通高度

h_7——起重吊鉤至起重梁底面高度

但當(dāng)排水干管敷設(shè)在起重梁下時(shí)_，其H應(yīng)滿足法蘭底部距泵站地面1_。8 m的要求。

2、其他相關(guān)尺寸

  （1）、水泵、吸水管、配水井、吸水井及水倉相互之間主要尺寸關(guān)系如圖所示。

 

  

（貼插圖）

 

a₀ ——短管長(zhǎng)度，可根據(jù)實(shí)際情況確定；

a₁——偏心異徑管長(zhǎng)度，不宜小于大小管徑差的5倍；

（a₀+a₁）——水泵入口前直管段總長(zhǎng)度，不宜小于3倍的水泵吸水口直徑；

b_l——吸水管濾網(wǎng)中心線距最近井壁的距離，距后壁可?。?span>0_。8~1_。0）D_x；距側(cè)壁可取1_。5 D_x，且不小于D_x+100mm;

D_{x————}吸水管濾網(wǎng)直徑；

D_N——配水閘閥公稱直徑；

c₁——配水閘閥之間最小凈距，不應(yīng)小于150mm；

c₂——配水閘閥操作手輪之間凈距，不應(yīng)小于500mm；

c₃——配水閘閥操作手輪距配水井井壁間距，不應(yīng)小于700mm；當(dāng)雙配水井集中布置共享一個(gè)壁龕時(shí)，可不受限制；

c₄——配水閘閥法蘭距配水井井壁間距，不應(yīng)小于200mm；

h_l——配（吸）水井最低水位到吸水管濾網(wǎng)上緣距離_，不得小于（1~1_。25）D_x，且不得小于500mm；

h_x——吸水管濾網(wǎng)下緣距吸水井底距離，不得小于（0_。6~0_。8）D_x，且不得小于500mm；

l_x——吸水管濾網(wǎng)中心線至吸水井入口距離，不得小于4D_x。

（2）、吸水井

  每臺(tái)水泵宜單獨(dú)使用一個(gè)吸水井，確定吸水井直徑時(shí)應(yīng)考慮水泵工作時(shí)吸水井內(nèi)水面波動(dòng)不太大，同時(shí)應(yīng)考慮安裝、檢修、清理吸水井的需要。一般D≥1500mm

 （3）、配水井

  一般配水井兼作吸水井，其尺寸大小應(yīng)根據(jù)安裝設(shè)備多少，考慮安裝、檢修、清理工作需要。

六、管路布置與安裝

  1、管路敷設(shè)

 （1）、立井井筒中排水管敷設(shè)位置應(yīng)與采礦專業(yè)協(xié)商，盡可能靠近梯子間，并留有足夠的安裝、檢修和更換空間。

（2）、立井井筒中排水管底部應(yīng)設(shè)置彎頭管座及其支承梁。當(dāng)排水管路垂高較大（大于400m）時(shí)，應(yīng)在中間加設(shè)直管座及支承梁，其間距取100~150m。

（3）、排水管在井筒中間用管卡固定在防彎梁上。防彎梁一般利用罐道梁或梯子間梁，不能利用時(shí)，應(yīng)設(shè)單獨(dú)的防彎梁。管卡只起導(dǎo)向作用。

（4）、排水管在斜井中沿底板敷設(shè)時(shí)，可用水泥墩支承，沿井壁敷設(shè)時(shí)，用梁支承。在管路最下部和中間設(shè)置防滑支墩或支承梁，防止管路下滑。

 2、主排水管路連接

（1）、當(dāng)條件允許時(shí)應(yīng)采用焊接連接。為了安裝和檢修方便，可部分焊接，部分法蘭連接。

（2）、采用法蘭連接時(shí)，與水泵和閥門等管路附件連接的法蘭，應(yīng)采用JB法蘭，而管路連接的法蘭宜采用GB法蘭。

 3、管路支承梁計(jì)算

（1）、管路支承梁一般可直接選用槽鋼、工字鋼、H型鋼等熱扎普通型鋼，必要時(shí)也可根據(jù)荷載需要，制作等截面焊接工字形的支承梁。鋼材宜采用Q345鋼。

（2）、支承梁荷載

   a、支承梁自重：即所選鋼梁?jiǎn)挝恢亓?，可視為均布荷載。

   b、管重：應(yīng)取支承梁以上相應(yīng)管段排水管和連接件以及防腐材料的重量之和；

   c、水柱重量：底部支承梁所支承管路中的水重，并考慮水錘影響。建議采用多功能水泵控制閥取代止回閥，以減輕水錘沖擊力。

d、其它荷載：如果壓風(fēng)管、灑水管等也敷設(shè)于該支承梁上，亦應(yīng)計(jì)入；

e、溫度變化引起的作用力：Q=A*E*α*(T₂-T₁)

式中，A——水管橫斷面的金屬面積（mm²）；

E——鋼材彈性模量（N/ mm²）；

α——鋼材線膨脹系數(shù)；

T_{2————}所論管段的環(huán)境最高溫度（^。C）；

T₁——管路安裝時(shí)的環(huán)境溫度（^。C）。

（3）、支承梁可視為在一個(gè)主平面內(nèi)受彎構(gòu)件，并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)支設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）的有關(guān)規(guī)定計(jì)算其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（4）、由于支承梁安裝在井筒中，一般均在5 m左右，比較短，且所選作支承梁用的型鋼的高厚比均較大，其剛度（撓度）一般可不予計(jì)算。