矿井排水设备的选型计算

赵建群

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024；2.山西小回沟煤业有限公司，山西 清徐 030400）

矿井排水设备的选型计算

赵建群1，2

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024；2.山西小回沟煤业有限公司，山西 清徐 030400）

介绍了矿井排水设备的选型，结合《煤矿安全规程》、《煤矿设计规范》的各项规定，参照《矿山固定机械手册》和《流体机械》所推荐的选型计算过程，通过精确计算，最后确定排水设备选择D450--60×11型水泵。

矿井；排水；选型；计算

1 概述

矿井建设和生产中，会有各种来源的水涌入矿井，科学合理地将矿井的涌水排出，特别是防止突然涌水的袭击，对保证矿井生产具有重要意义。矿井排水设备，不仅要排除各个时期涌入矿井的水，而且在遇到涌水袭击，有可能淹没矿井的情况下还要抢险排水。排水设备始终伴随矿井建设和生产而工作，直到矿井寿命终止。因此，排水设备是矿井建设和生产中不可或缺的关键设备。为使排水设备能在安全、可靠、经济的状态下工作，必须选择好排水设备。

2 排水设备选型计算

2.1 排水设备选型计算条件

井深585 m，正常涌水量：qz=820 m3/h，正常涌水期290 d，最大涌水量：qmax=1700 m3/h，最大涌水持续时间75 d，矿水中性，密度：1.04T/m3，矿井供电电压6000 V，矿井主排水设备泵房在井底车场附近，矿井年产量300万t。

2.2 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排水能力应在20 h内排完24 h的正常涌水量，即QB≥24/20×qz=984m3/h。并且要求工作水泵与备用水泵的总能力能在20h内排完24h的最大涌水量，即

式中:QB为工作水泵必须的排水能力，m3/h；Qmax为工作与备用水泵必须的排水能力，m3/h。

2.3 工作水泵的扬程

按估算公式计算水泵的扬程:

式中:HC为井深+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=585+4+1=590 m；α为干管倾斜敷设时的倾角，竖井α=90°。

2.4 排水设备的选择

根据上述条件及相关计算值，经分析后，选用D450--60型多级离心泵。

2.4.1 泵的级数和台数的确定

D450--60型多级离心泵的额定流量Qe=450 m3/h，单级额定扬程Hci=60m。

1）水泵台数的确定：比较 QB、Qmax、Qe知：n1+n2≥Qmax/Qe=2040/450=4.53≈5。n1≥QB/Qe=984/450≈2。n2≥0.7n1。选取工作水泵台数n1=2，备用水泵台数n2=3。此外，取检修水泵台数n3=1，共计6台水泵。

2）泵级数的确定：由水泵特性曲线查得：Q=984/2=492 m3/h时的扬程Hi=60 m，则所需泵的级数 I=HB/Hi=（649～660.8）/60=10.81～11.01；故级数取11。

3）校验泵的稳定性：水泵特性曲线查得：Q=0时泵相应的扬程H0=70×11=770 m，又770×0.9=693 m，该值大于HC=590m，满足稳定条件0.9H0≥HC。

2.4.2 管路及管路布置

《规程》规定：主要排水必须要有工作和备用水管，工作水管的能力要配合工作水泵在20 h内排出24 h的涌水量。工作和备用水管的总能力，应配合工作和备用水泵在20 h内排出矿井24 h的最大涌水量。根据各涌水期投入工作的水泵台数，选用两种方案：2台水泵工作时，可用一趟管路排水，最大涌水期内，5台泵同时工作，两趟管路同时排水。

1）计算管径，选择管材。（1）取经济流速Vp=2 m/s，则排水管内径 dp=[4Q/(3600πVp)]1/2=[4×984/（3600π×2）]1/2=0.417 m。查标准，取外径Dp=426 mm的无缝钢管，取壁厚18 mm试算，此时dp=426-2×18=390 mm，所需壁厚：δ=0.5dp{[σz+0.4×0.11Hp/（σz-1.3×0.11Hp）]1/2-1}+0.15=1.60cm。

式中：dp为标准管内径，28cm；σz为无缝钢管许用应力，800 kg/cm2；Hp为排水高度，590 m；δ=16 mm 小于所选标准厚度18mm，故所选管壁厚度合适。（2）吸水管直径及管材的确定：吸水管直径通常应比排水管直径大25mm，以降低矿水流速减少损失，取得较大的吸水高度，则有Dx=Dp+25=426+25=451 mm。由标准YB231--64查得，对于吸水管选用Φ459×12 mm无缝钢管。

2）管路系统：见图1，图中只给出了一台泵的管路布置，其余各泵管路雷同。

图1 管路系统图

3）估算管路长度：可估算为

选取排水管长度Lp=635 m，吸水管长度通常取为LX=8m。

2.4.3 计算管路特性

1）计算沿程阻力损失系数：由舍维列夫公式得：排水管λp=0.021/dp0.3=0.021/0.4170.3=0.0273。吸水管 λx=0.021/dx0.3=0.021/0.4350.3=0.0270。

2）计算局部阻力损失系数：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Ldp=（Σεp+1）dp/λp=（4.98+1）×0.417/0.0273=91.32m。吸水管局部损失的当量管长 Ldx=Σεx×dx/λx=3.306×0.435/0.0270=53.26m。

表1 排水管阻力系数表

由表1可得：

Σεp=0.618+0.318+1.5+0.52+1.7+0.5=4.98。

表2 吸水管阻力系数表

由表2可得：

4）管路特性方程式：

旧管：H=590+kRTQ2=590+1.7×139×10-6Q2=590+236.3×10-6Q2。其中流量Q的单位，以L/S计算。

2.4.4 确定水泵运转工况点

分析管路系统，可以发现在正常涌水期和最大涌水期内，水泵的工况点均相同，即为单台泵与一条管路特性的交点，可得相应的工况点及工况参数：（1）新管：工况点为K'，其相应的工况参数有：流量 Qk'=152L/S=547.2 m3/h；扬程 Hk'=53.9×11=592.9 m；效率 ηk'=68.5%。（2）旧管：工况点为 K''，其相应的工况参数有流量Qk''=150L/S=540 m3/h；扬程Hk''=54×11=594m；效率 ηk''=70%。

2.4.5 排水设备验算式中：HX'为实际条件下的预计允许吸水高度，m；HS为预计工况时的允许吸上真空高度，m；dx、Lx为吸水管内径和长度，mm；λx为吸水管沿程阻力损失系数；Σξx为吸水管线上局部阻力损失系数之和；Q为工况流量，取0.152m3/s。

经分析，可取 Pa=9.8×104Pa，Pn'=0.235×104 Pa。又从泵的特性曲线查得Hs=5.3m，则相应实际条件下的允许吸水高度HX'=5.25 m.此值一般可满足要求。

2）验算排水时间（按旧管）:正常涌水时期每天必须的排水时间：最大涌水时期每天必须的排水时间：

Tmax=24Qmax/[(n1+n2)×Qk''=15.11h。无论正常涌水时期和最大涌水时期，每昼夜的排水时间均不超过20h，符合《规程》规定。

3）验算电机容量:根据新管对应的工况多数可算出电机必须的容量为

式中：k 为富裕系数，当 Qk'＞3600 m3/h 时，k=1.1；ρ为矿水密度ρ=1040kg/m3；Jc为传动效率Jc=0.98。

由上可知，水泵配套电机型号可选为YR2000-12/1730（6kV2000kW）Jd=0.9559.

2.4.6 电耗计算

1）全年耗电总量（按旧管计算）：因各水泵各时期工况完全相同，故全年耗电量

2）吨煤电耗：ET=E/A=32.9×106/（3×106）=10.98 kWh/t。

式中：A为矿井年产量，A=3×106t。

3）吨水百米电耗（按旧管计算）：em3=100E/（NzYzTz+NmaxRmaxTmax）Qk''Hk''=0.467 kWh. 查有关国家规定，矿用水泵的吨煤百米电耗值em3应小于0.5 kWh，因此易知D450--60×11型水泵的百米电耗值满足要求（0.467＜0.5）。

3 结束语

总之，参照矿山的具体数据，结合《煤矿安全规程》、《煤矿设计规范》的各项规定，参考《矿山固定机械手册》、《流体机械》的推荐版式精确计算，最后确定排水设备。

Model Selection and Calculation of Mine Drainage Equipment

ZHAO Jian-qun1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi,030024；2.Shanxi Xiaohuigou Coal Co.,Qingxu Shanxi030400)

The paper introduces the model selection of drainage equipments.According to all detailed provisions of Mine Safety Rules and Mine Design Code,the pump(D450-60×11)is determined as the final drainage equipment model after the accurate calculation on the formulas recommended by Mining Fixed Machinery Handbook and Fluid Machinery.

mine;drainage;model selection;calculation

TD74

A

1672-5050（2011）03-0045-03

2010-12-10

赵建群（1966—），男，吉林白山人，在读工程硕士研究生，高级工程师，主要从事煤矿生产管理工作。

徐树文