泵船技术在露天矿山排水中的应用

文/支连山 于冰（鞍钢矿业有限公司大连分公司）

一、前言

大连石灰石矿是鞍钢集团矿业公司主要辅料矿山之一，现矿山深部开采延伸至-60米水平，深部排水扬程已达100米，采场底部空间缩小，汇水量加大，深部排水安全已成为制约矿山生产一个关键问题，尤其在夏季生产，台风和极端气候条件下，降雨量大时，矿山排水设备（离心泵）等固定设施受灾可能加大。矿山曾于1994年因9号台风引起的大降雨，造成采场被淹；为了保证大连石灰石矿汛期排水顺畅，安全度汛，避免造成重大设备事故及被动停产局面发生，通过对采场排水方式进行研究，决定采用泵船技术进行改造。

二、泵船技术应用概述

泵 船（floating PumP station）是将抽水机组安装在船上的泵站，通常有浮动式和流动式两种，由于船在流动水上作业，要求船体应有良好的稳定性，设计须遵守内河航运船舶的设计规定。采场排水与江河使用泵船在风浪及水位变化等方面不同，复杂程度相对较低，在设计中主要考虑结构合理，制作简便，设备布置适用性强，重点考虑由于深部排水，扬程高，回水流对泵冲击保护。

三、研制准备

（一）矿区自然条件及矿区汇水情况分析

大连石灰石矿位于大连市甘井子区，是一座大型冶金辅助原料矿山，矿区构造简单，为甘井子倒转背斜北翼之单斜构造。1992年进入深凹露天开采。

露天矿涌水来源主要有：大气降水、地表径流、地下涌水。大连矿主要涌水量为大气降水形成地表径流量和地下涌水量。

1.大连地区6-9月平均降雨量统计（如表1所示）

表1 大连地区历史降雨量统计表（毫米）

近十年平均年降雨量为：607毫米，最大年降雨量800毫米，日最大降雨量为：2011年8月9日，市区降雨量104.6毫米（最大降雨量147毫米）。大连石灰石矿采场汛期正常降雨径流量及暴雨径流量（表2）。

表2 采场汛期正常降雨径流量及暴雨径流量（20年一遇）

2.采场排水系统

矿山排水系统为采场泵坑布置两台QSKZ1000-600-1450/106型潜水泵、两台14Sh-6型500KW离心泵排水。主要参数如表3所示：

表3 主要参数表

总排水能力：1100×2+1450×2＝5100m3/h

日满负荷排水能力：5100×24＝122400m3/d

按日常采场汇水量，日需排水量为：（1353+307）×24=39840m3

根据建矿以来水文地质资料，矿山采场汛期日涌水量为39000m3，基本与设计汇水量一致。

日常开动一台潜水泵和一台离心泵，排水能力：1100+1450＝2550m3/h，排水时间15小时，可满足现场排水需要。

如遇强降雨，达到暴雨级，日需排水量为：（7446+307）×24=186072m3

为正常水量4-5倍，超出设计日排水能力，必须采取防范措施，在允许采场暂时淹没情况下，矿山一般采用拆除离心水泵电机方式进行防汛预案准备。

根据矿山采场情况，为保证汛期日常排水，防止暴雨情况下离心泵安全，决定采用浮动排水方式解决矿山深部开采排水问题。而且对矿山来说还具有以下优点：

（1）采场泵坑形成过程中，解决多次水泵拆装移设问题。

（2）汛期降雨量大，极端天气条件下，泵坑蓄水超限，危及水泵电机安全，采用此工艺，可解决防汛期水泵安全，而且实现全天候排水作业，提高水泵作业效率。

（3）相对于潜水泵作业，泵船采用离心泵，节约维修成本。

四、泵船设计

（一）设计原则

根据矿山采场排水情况，确定以下泵船设计原则：

（1）浮船型式根据水泵运行要求、现场条件、检修维护方式等因素选定；

（2）浮船平台长宽要求根据安全操作及检修需要确定，最小宽度不小于4米；

（3）泵船的设备布置应紧凑合理，在不增加荷载情况下，满足排水时船体平衡；

（4）浮船的主要参数（长度、型宽、吃水深和型深）按最大排水量及设备布置的要求确定；

（5）浮船设计为焊接钢结构，要求焊缝质量，下水前进行压力检漏；

（6）设计泵船岸基码头一座。

（二）泵船结构

按设计原则，根据制作现场条件和安装水泵尺寸要求，确定浮船设计结构如下：

（1）泵船尺寸为长6米，宽5.5米，型深（高）1.1米；

（2）泵船采用扁平箱形结构，原因浮力大，稳定性好，制造简便；

（3）泵船内部采用纵横桁架支承，由桁架和外部钢板组成封闭箱形结构（图2），外部钢板紧密焊接在桁架上，内部隔仓板做肋板，工作时，排水泵和电机荷载由船体整体受力，不可分割；

图2 内部桁架结构形式

（4）浮船内分设六个独立仓室，防止因泄露造成清理困难和船倾覆。

内部桁架结构形式如图2。

（三）泵船浮力

1.船的平衡条件：重力G＝浮力Δ

船浮于静水面，无横倾和纵倾，吃水深d。

泵船重量由固定重量（船体钢结构和机电设备）和变动重量（压舱及水）组成 ，船的排水量＝空船重量+载重量

2.计算泵船重量（表4）

表4 泵船结构重量表

根据现场条件和安装水泵尺寸，确定浮船长6米，宽5.5米，船型深1.1米；计算排水量36.5吨。

设备重量：1500+3500+2500（管路、阀及补偿器重量）＝7500kg

附件重量:1500(笼头及网、支架栏杆等）

联接桥及联接管重量：2000kg

基本排水量：

W＝7910+7500+1500+2000＝18910kg

（四）吃水深度

根据 W＝D=ρν=ρΑH

ρ—水密度；Α—甲板面积（m2）；H—吃水深（m）

得 吃 水 深：H=W/ρΑ＝18910/（6*5.5）＝0.573(米）

（五）设备布置及稳定性

泵船一般设水泵机组、输水管路、控制系统，为保证船的稳定性，我们确定以下泵船设备布置（图3）。

图3 泵船设备布置图

主要有1——吸水笼头；2——泵体；3——电机；4——电动蝶阀；5——活动接头；6——基座，还有联接管路组成。采用直通式布置可以减少排水阻力，便于确定平衡点，保证船体平稳。

（六）活动联接

泵船输出水管与岸上管路联接采用活动接头。主要有球式活动接头，套筒式活动接头和铠装法兰橡胶接头三种类型，其中摇臂式活动联接管属套筒式活动接头，适用于较大范围水位变化，在泵船技术上使用广泛，但摇臂式活动接头，存在造价高、技术专利等问题。橡胶软管联接，具有灵活、适用大范围变化特点，但存在耐压、稳定运行及抗拉伸方面不足。

所以泵船能实现浮动排水，核心就是密封可靠、灵活稳定、持久耐用的活动联接。

管路球形补偿器是一种用于管路输送中调整管道膨胀变形的调节装置，主要构造如图4。构造由球体、球瓦、密封装置及外壳等元件组成，安装在管道上，管道膨胀变形后以球体为中心自由转动，吸收管道位移，减少管道压力。

图4 管路球形补偿器

球形补偿器优点：补偿能力大，占据空间小，流体阻力小，安装方便，投资小。存在缺点：存在侧向位移，易泄漏。

我们设计利用球形补偿器补偿能力大的优点，采用成对安装（图5）。一台补偿器安装在泵船上，一台安装在岸基上，相对安装，利用其补偿能力，调节泵船在水位变化时升降空间（图6）。

图5 球形补偿器安装形式

图6 球形补偿器现场安装图

我们选用WXB350-2.6-100-±15°万向球形补偿器。按补偿器±15度，联接管长10米计算，泵船可升降量：Δ=L×Sinθ=10×Sin15=2.6米。

（七）万向管路补偿器改造

为适应泵船使用需要，主要提高万向管路补偿器在泵船使用中调整范围更大，经与制造厂协调，决定对其内、外部结构进行改造。

（1）在保证排水作业不泄漏的条件下，适当控制填料量，充填时原设计压力为50MPa，现减少为42MPa，压力降低，可增加转动灵活性。

（2）另外为进一步提升泵船升降量，对球形补偿器外壳进行改造，将外壳限制球体转动的倒角由15度加大到18度，使球形补偿器的补偿量也提升到±18°（如图7）。

图7 万向球形补偿器改造图

泵船升降量达到±3.1米，较普通型式补偿器，增加深0.5米。

通过实践，泵船采用管道球形补偿器用于输水管的活动联接，是我们独有的设计和安装技术，既节省了成本，也提高检修和维修的方便。按一套Φ355摇臂式活动接头价格20万元，一套管道球形补偿器购置费（含联接法兰、密封垫）仅4万元，节省费用16万元。

（八）岸基设计

泵船上下浮动量较大，特别受风载时产生左右偏斜，必须选择一种更合理可靠的泵船固定方式。

由于采场泵坑需要根据生产情况进行调整，特别在开拓时，水泵的移动会更加频繁，所以设置固定式岸基码头对于泵船使用不适合，主要原因是投资大，使用一段时间后，泵船移动，岸基随之报废，浪费大。而且相对于钢结构岸基，混凝土岸基成本较高。所以我们设计选用钢结构可移动式岸基码头。

船用岸基码头用于船舶停靠，用于人员和机械上下的前沿基础，一般分重力式和桩式，重力式较普遍，多数采用混凝土整体砌筑式和预制装配式。

（1）岸基码头计算，根据泵船总重及迎风面积，计算出泵船风阻受力，确定岸基重。

W＝W0+Wf＝18.9+1.5×6×0.86=23.4吨

（2）结构设计

岸基不但具备码头作用，有人员上下泵船通道，联接泵船不受风力影响产生变位，还要具有泵船上输出管道与采场排水管道相连接的功能，降低管路回水对泵船冲击。岸基与泵船的配合及位置也影响泵船抗水位变化能力。岸基码头上设备布置中将截止阀设置在活动接头前，可避免突然断电时，管路回水形成“水锤”对泵船和活动接头的冲击。

岸基我们采用钢结构焊接制作，岸基布置如图8。

图8 岸基设备布置图

岸基码头布置有活动管接头、栈桥铰座、输出管路、管路止回阀（图8）。

采用可移动式岸基，在采场泵坑形成过程中，泵船频繁移设，及水位随枯水与丰水段泵船位置调整都起到了重要作用。

五、泵船制作

（一）制作工艺安排

泵船排水工艺系统制作安装安排：

（1）按设计图进行泵船浮箱制作，包括内部桁架制作、外部箱体制作，组装焊接成形。（2）进行泵船试漏，采用压缩空气0.2KPa，用肥皂水检漏焊缝，卸压补焊，再加压，检查漏点，保压一小时，无压降。（3）泵船甲板设置检查孔，并对泵船进行内外部防锈处理，船内部刷防锈漆两遍，外部防锈漆两遍，船用防护漆两遍。（4）泵船上设备就位，离心泵及电机、控制阀和进出水管路、万向球形补偿器联接安装。（5）岸基结构制作，栈桥制作取决于待安装现场位置和泵坑规模。（6）整体试装，将岸基和泵船按现场位置进行组装，并进行活动试验，一是测试联接管路活动能否达到设计要求，二是保证栈桥与活动管路能同步转动。（7）设备分解，装车运输到现场。（8）现场安装，设备试运转及调试，安装水位报警装置。

（二）船体系统制作工艺

（1）船体制作，船桁架制作——船板平整，成形——底板与侧板组焊——桁架与外壳组焊——甲板组焊；焊接质量为检查重点，要求焊接无缺陷。

（2）设备安装，水泵基础按设计要求在甲板上定位－确定补偿器位置－吸水笼头位置。安装重点做好找正及定位点设置，为现场组装提供条件

（三）预装与检漏

为保证现场安装质量和泵船质量，制作中特别注意各项定位点设置和检查，重点做以下预装和检漏：

（1）基与船体管路与栈桥预装，主要检查管路与栈桥移动同步性，必须保持转动灵活，移动平稳（图9）。

（2）检漏与调整，采用气泵加压，肥皂水检查焊缝严密性。

将船体架起，现场采用气泵加压，船体设试压口，使用高压软管将压缩空气输入船体，加压到100Pa，关闭阀门，保压十分钟，用肥皂水涂抹焊缝，检查有无漏点，做好标记。打开阀门卸压，进行补焊，再进行加压，检查漏点，无泄漏保压一小时，无掉压。完成检漏。

（四）泵船总装和防腐处理

按照总装配图，对泵船系统进行厂房总装，主要检验各部联接及泵安装符合安装要求，完成总装及检查验收后，为便于运输，对泵船设备分解存放。

由于矿山采场水质含氯离子较高，所以对泵船船体进行防腐处理，要求船体进行全部清理，去除油污及对锈蚀部位打磨，船体内喷涂醇酸防锈漆两遍；外部船体及侧舷喷涂防锈漆一遍，黑色船用防护漆两遍；上部平台喷涂绿色船用防护漆两遍。栈桥刷防锈漆两遍，栏杆按标准刷黄黑相间色，船舷四面设吃水标尺。管道接标准刷艳绿色防护漆。

六、泵船使用维护操作

（一）技术性能（表5）

表5 泵船主要参数

（二）维护要求

（1）每班对泵船平台及栈桥进行清扫，栏杆保持清洁；（2）离心泵及电机地脚螺栓检查紧固；（3）对管路法兰联接螺栓和补偿器固定螺栓检查紧固；（4）做好运行记录和设备点检填写工作。

七、结论

新型浮动排水工艺中与普通泵船相比，采用两台万向管路补偿器作为活动接头，将泵船输出与岸基输水钢管联接。充分利用补偿器补偿能力大，空间小，流体阻力小，安装方便，投资小等优点。岸基与泵船有栈桥相通，人员通过栈桥到泵船上对泵船设备进行检查和维修作业。采场使用新型排水工艺系统后，需要移动水泵时，只要拆除泵船与岸基的栈桥和输出水管，将岸基移动到排水坑的任意位置，将泵船拖到相对位置，进行管路联接和栈桥联接，实现高效排水。在突降暴雨或极端天气（台风）条件下，在泵船浮动范围内，不影响排水作业，实现全天候排水。用移动式泵船取代潜水泵，具有降低维修费用优势，每年离心泵的维护和检修费用为潜水泵的五分之一。