深井高效排水系统研究与应用

张智斌

摘 要：井下排水是矿山生产中四大系统之一，排水系统的好坏关系到矿山能否正常、安全生产。排水设备消耗的电能，一般居全矿之首，占整个矿井生产的15%～25%，而对一些涌水量大的深井矿山，排水设备消耗的电能甚至在30%以上。所以，如何建立一种安全、自动化、投资少、高效和节能的排水系统，对于矿山高效、低耗生产，显得尤为重要。

关键词：安全；自动化；投资少；高效；节能

引言

井下排水是矿山生产中四大系统之一，排水系统的好坏关系到矿山能否正常、安全生产。涌水量大、水文地质条件复杂的矿井，突然涌水，可能淹没矿井，导致矿井停产，造成人员伤亡或重大经济损失。另外，排水设备消耗的电能，一般居全矿之首，占整个矿井生产的15%～25%，而对一些涌水量大的深井矿山，排水设备消耗的电能甚至在30%以上。所以，如何建立一种安全、高效、节能、先进和投资少的排水系统，对于矿山高效、低耗生产，显的尤为重要。

矿井排水系统主要由：排水设备、排水设备的供、配电系统、排水管路以及排水设备自动化控制系统等组成。本文是以山东某黄金矿业深井排水（正常涌水量：21557m3/d（898 m3/h），最大涌水量：30180m3/d（1257.5m3/h），排水几何高差685m、排水管路单条长度1600m，沿30度斜井敷设）设计选型进行论述。

1 排水设备、设施的选型及标准

（1）符合：GB50830-2013冶金矿山采矿设计规范。井下主要排水设备应至少由同型号的三台泵组成，工作水泵应能在20h内排水出一昼夜的正常涌水量；除检修泵外，其他水泵应能在20h内排出一昼夜的最大涌水量；

（2）避峰填谷。井下主排水泵房内的排水设备应尽量考虑排水设备能在用电谷段、平段排水，降低企业排水成本，达到经济排水。

2 排水设备、设施的选型

2.1 排水水泵的选择

现深井排水设备主要是卧式多级离心泵。卧式多级离心泵又分卧式多级离心泵和卧式多級自平衡式泵。卧式多级自平衡式泵，是在传统多级离心泵的结构形式进行了创新，泵效率比同类别多级泵提高5-14%，无故障运行时间是普通泵的3倍以上。

对于深井排水建议采用卧式多级自平衡式泵。

2.2 排水设备、设施具体型号选择

正常情况下（工作水泵应能在20 h内排出一昼夜的正常涌水量；除检修泵外，其它水泵应能在20 h内排出一昼夜的最大涌水量）。2.2.1 水泵排水能力计算

设备需要排出的正常排水量21557 m3/d÷20 h=1078m3/h；

设备需要排出的最大排水量30180 m3/d÷20 h=1509m3/h。

2.2.2 水泵型号、数量

初步选择DF（P）580型水泵。数量4台（2用1备1检修），正常情况下，2台泵同时排水时，排水能力为1160m3/h>1078m3/h（正常需排水量）。

2.3 排水管路型号及数量选择

2.3.1 管径计算

d=

d=0.432m

Q：流量m3/h（按580 m?/h计算）

d：排水管所需的管径m

n：向排水管中输水的水泵台数（按2台泵同时向一条管路排水）

V：排水管中的经济流速，随管径、管材和地区电价而定，取2.2m/s

2.3.2 排水管路型号及数量

经计算管径可选：d=φ480型无缝钢管，管路数量：2根（1用1备），1根管路可满足2台泵同时排水。

2.4 扬程计算

d=0.423m

H=?H+Hf+Hi+?P

H-----------清水扬程（m）

?H----------几何高差（m）

Hf-----------沿程阻力折算扬程（m）

Hf=f*（L/d）*V2/2g

f—通常取0.014-0.019

L—管路长度（m）（2285m）

d—管路内径（m）

g—取9.8

Hi----------局部阻力折算扬程（m）

每个弯头考虑0.1米或更少，以7个弯头、3个阀门来计算。

?P----------泵出口余压折算扬程（m）。

?H=630-270=360m

Hf=0.016*（1600/432*10-3）*2.2/2/9.8≈7m

Hi：以24个弯头、3个阀门来计算

Hi=（24+3）*0.1=2.7

H=685+7+2.7=694.7m

经计算，正常情况下，排水设备、设施具体参数：卧式多级自平衡式泵：型号：DF（P）580-95*8，流量：580m3/h、扬程：760m，电压：6000V，功率：1800kw，数量：4台，管路：φ480型无缝钢管，数量 2条。

2.5 避峰填谷，降低排水成本

企业要想降低排水成本，只有让设备在谷段和平段电费较低时间进行排水。依据山东省物价局与山东省经济和信息化委员会2015年4月24日下发的《关于完完善峰谷分时电价政策的通知》，用电峰平谷段时间及电价可知，全天谷段时间长8小时，排水电费最底为0.44025元，平段时间长也为8小时，排水电费为0.7305元，峰段时间长5小时，排水电费为1.02075元，尖峰段时间长5小时，排水电费为1.3685元。

3 经济效益分析及方案对比

3.1 正常情况下每年排水费用

3.1.1 排水时间

采用DF（P）580-95×8型水泵，同时开启2台，每天排21557 m3正常涌水量，则需：21557÷（580*2）=18.58h，需每天在谷段8h、平段8h和峰段2.58h排水。

3.1.2 每年的排水费用

每年谷段排水电耗=1800×2×0.8×0.44025×8×365=370.23万元

每年平段排水电耗=1800×2×0.8×0.7305×8×365=614.32万元

每年平段排水电耗=1800×2×0.8×1.02075×2.58×365=276.84万元

每年排水费用=370.23+614.32+276.84=1261.39万元

3.2 避峰填谷，每年的排水费用

3.2.1 排水时间

采用DF（P）580-95×8型水泵， 同时开启3台，在调整峰平谷排水的情况下，每天排21557 m3正常涌水量，水泵開启时间为：

3.2.2 每天在谷段的排水时间

谷段排水能力580/h*3台*8h=13920 m3

21557 m3>13920 m3，谷段8小时需全部开启

3.2.3 每天在平段的排水时间

（21557m3-13920 m3）÷（580/h*3台）=4.39h

3.2.4 峰平谷调整情况下，每年的排水费用

每年谷段排水电耗=1800×3×0.8×0.44025×8×365=555.35万元

每年平段排水电耗=1800×3×0.8×0.7305×4.39×365=505.66万元

每年排水费用=370.23+614.32+107.3=1061.01万元

经计算，正常情况下每年的排水费用为1261.39万元，采用避峰填谷排水，每年的排水费用为1061.01万元。

3.3 每年减少排水费用

1261.39万元-1061.01万元=200.38万元

从以上对比，选择避峰填谷排水，每年产生经济效益200.38万元。

4 系统自动化

现代化的排水系统应采用现场层（远程IO），控制层（PLC）和管理层（工业计算机）组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。工业计算机利用人机界面实现人机对话和远程监控功能，PLC 作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程IO 实现现场数据的采集和上传。

5 结语

深井排水系统的建设，需从安全、自动化、投资、使用、管理、运行成本等方面进行综合考虑，通过多方面的对比，建立一种安全、自动化、投资少、高效和节能的排水系统。