煤矿井下水泵房布置方案探讨

盛朝辉

（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054）

煤炭资源与地下水相伴而生[1]。随着开采深度不断增加，深部煤层底板承压水水压高，作业过程中发生透水事故的概率也加大[2-3]。若井下大量涌水不能及时排出，将极大威胁煤炭生产和井下工作人员的生命安全[4-5]。矿井排水系统是煤矿生产过程中十分重要的环节[6]，其运行的可靠性、稳定性及应对突发事件有非常高的要求。在水泵房的设计过程中，往往仅根据设备安装需要进行设计，忽略了矿井自身煤岩条件、水泵房有效空间利用、硐室施工工艺等因素的影响，造成水泵房施工成本及难度增大、吸（配）水井壁龛通风效果不佳等。

1 概况

大海则矿井设计生产能力为10.0 Mt/a，水文地质类型为复杂矿井。矿井盘区正常涌水量为770 m3/h，最大涌水量为1145 m3/h。根据盘区泵房排水条件，设计选用5 台MD600 型矿用耐磨多级离心式水泵、3趟无缝钢管排水管路作为本矿井的盘区排水系统。正常涌水量时，2 台水泵、2 趟排水管路同时工作，其余2 台水泵、1 趟排水管路作为备用，1 台水泵检修；最大涌水量时，3 台水泵、3 趟排水管路同时工作，其余1 台水泵作为备用、1 台水泵检修。根据盘区水泵房排水设施最大排水水量，选用4 个DN1400 型电动配水闸阀用于水仓排水调配。主（副）水仓与水泵房配水井连接处各设置1 个配水闸阀，配水巷与两配水井相接处分别设置1 个配水闸阀。

2 水泵房布置方案及对比分析

2.1 水泵房布置方案

根据水泵房的排水设备选型结果，通过吸（配）水井及主（副）水仓的多种组合方式、多个配水闸阀的不同布置形式，提出三种水泵房布置方案。

方案一：根据排水设备设计选型结果，水泵房内共设计5 个吸（配）水井配合水泵排水。水泵（一）、水泵（三）、水泵（五）吸水管处分别设置一个吸水井；水泵（二）、水泵（四）吸水管处分别设置配水井（一）、配水井（二），每一个配水井内均安装两个配水闸阀，且均为纵列布置，水仓（一）、水仓（二）分别与配水井（一）、配水井（二）相接。如图1。

图1 水泵房平面布置（方案一）

方案二：根据排水设备设计选型结果，水泵房内共设计5 个吸（配）水井配合水泵排水。水泵（一）、水泵（三）、水泵（五）吸水管处分别设置一个吸水井；水泵（二）、水泵（四）吸水管处分别设置配水井（一）、配水井（二），每一个配水井内均安装两个配水闸阀，且均为并排布置，水仓（一）、水仓（二）分别与配水井（一）、配水井（二）相接。如图2。

图2 水泵房平面布置（方案二）

方案三：根据排水设备设计选型结果，水泵房内共设计5 个吸（配）水井配合水泵排水。水泵（三）吸水管处配套设置一个吸水井；水泵（一）、水泵（二）、水泵（四）、水泵（五）吸水管处分别配套设置配水井（一）、配水井（二）、配水井（三）、配水井（四），每一个配水井内仅设置一个配水闸阀，水仓（一）、水仓（二）分别与配水井（一）、配水井（四）相接。吸（配）水井壁龛断面尺寸一致，如图3。

图3 水泵房平面布置（方案三）

2.2 方案对比分析

根据前述三种可行的水泵房平面布置特点，从配水闸阀的布置方式、吸（配）水井壁龛断面尺寸及配水井设计数量三个方面进行深入剖析。

2.2.1 配水闸阀布置影响分析

在井下水泵房的设计中， 为实现水泵轮换运行，主（副）水仓定期清淤，保障井下涌水顺利排至地面，需控制水仓及水泵房配水巷内矿井水流向，在水仓和水泵房之间、吸水井和配水井之间均需装设配水闸阀。因此，配水闸阀是水仓和水泵房配水井之间连通的重要设备[7]。配水闸阀的布置对水泵房设计存在一定的影响。方案一，水泵房内设计两个配水井、三个吸水井，单个配水井内纵列布置两个配水闸阀。为保证两个配水闸阀间距既能保证工作人员顺利通行，又能满足设备检修空间需求，配水井壁龛纵向尺寸设计较长，进深往往超过6 m，此方案不利于壁龛内自然扩散通风，虽可采用水仓与水泵房配水井壁龛通过通风管路接通等方式解决壁龛内通风问题，但往往效果不佳。方案二，水泵房内同样设计两个配水井、三个吸水井，采用单个配水井内两个配水闸阀并排布置方式，两个配水闸阀由纵向布置调整为横向布置。配水井壁龛仅需增加宽度，纵向尺寸设计较短，可避免壁龛进深超过6 m，自然扩散通风效果良好。方案三，水泵房内设计四个配水井、一个吸水井，选用的四个配水闸阀分别独立设置于四个配水井内，可保证配水井壁龛进深不超过6 m，满足壁龛内自然扩散通风要求。

2.2.2 吸（配）水井壁龛断面影响分析

水泵房内吸（配）水井壁龛是工作人员操作配水闸阀、定期清理水井淤泥的主要场所，其断面通常设计为圆拱顶形。井下水泵房施工时一般在一次锚网喷支护后都需要进行二次混凝土衬砌施工[8]。水泵房硐室开挖后围岩必然存在松动圈，松动圈的发育范围越大，围岩整体稳定性越差，巷道表面变形量越大，支护越困难[9]。井下硐室施工时通常需要制作硐室边墙及顶拱型钢模板便于支护施工，由于方案一及方案二水泵房的吸（配）水井壁龛断面尺寸不统一，施工前需制作两套边墙及顶拱的型钢模板。方案三水泵房的吸（配）水井壁龛断面尺寸统一，施工前仅需制作一套边墙及顶拱的型钢模板。基于壁龛开凿后硐室支护施工工艺分析，此方案不仅可节约壁龛施工辅助材料量，缩短壁龛施工周期，还能节约壁龛施工成本。因方案一及方案三水泵房的吸（配）水井壁龛断面尺寸宽度较窄，相较方案三水泵房壁龛的顶部无效空间小，可节约水泵房硐室开凿、支护等施工成本。方案三水泵房配水井壁龛宽度较宽，开挖后围岩松动圈范围大，煤岩压力大，壁龛砌碹易开裂，支护厚度较厚，施工成本及难度较方案一及方案三高。

2.2.3 配水井数量影响分析

配水井作为水泵房的重要组成部分，主要用来安装配水闸阀，控制水流方向，便于水仓清淤及运行水泵的调整。方案一及方案二水泵房的配水井设计数量均为两个，方案三水泵房的配水井设计数量为四个。由于设计选用的为电动配水闸阀，方案一及方案二配水闸阀布置更为集中，配水闸阀电动装置引线可集中布置，既可减少供电及控制线缆敷设趟数，又能减少工作人员巡检工作量。由于配水井安装有配水闸阀，设计底部空间较大便于水井清淤，吸水井设计底部空间较小，不利于水井清淤。方案三较方案一及方案二水泵房的配水井数量更多，更加有利于工作人员对水泵房吸（配）水井淤泥进行清理。当水泵房内安装3 台水泵时，水泵房通常设计一个配水井、两个吸水井，主、副水仓在与水泵房接口处合并成一个较大断面的巷道接入配水井，此方案施工难度较大，主（副）水仓间也存在一定的影响。由于配水井断面横向尺寸较大，水泵机组间间距一般设计为定值，导致配水井一侧与相邻吸水井间距较小，壁龛间围岩应力相互干扰[10]，增加了壁龛支护难度。若为避免此种情况发生，需要增大配水井及吸水井间距，导致水泵房硐室加长，成本增大。

综上所述，结合大海则煤矿井下开凿情况、巷道支护工艺及排水系统自动化控制需求等因素，方案二更为适合本矿井水泵房设计。

3 结论

（1）井下水泵房设计时，不仅需要根据矿井井下涌水及排水设备选择情况确定吸（配）水井及主（副）水仓合理的匹配关系，还需考虑硐室自然通风、硐室支护，施工工艺等因素。

（2）井下涌水量较大、自动化控制集中程度高的大型矿井井下水泵房设计可参照方案二。配水井设置于水泵房中部水泵吸水管处，吸水井壁龛断面尺寸较配水井壁龛断面尺寸小，尤其适用于水泵台数较多的水泵房设计，可大大减少施工工程量，降低建造成本。另外，对于自动化程度较高的矿井，配水闸阀均为电动控制，方案二配水闸阀并排布置，较为集中，既解决了硐室自然扩散通风不畅问题，也有利于实现矿井井下排水自动化集中控制。

（3）井下涌水量小、排水设备设计数量少的水泵房设计可参照方案三。水泵房内吸（配）水井按同一断面设计，同时主（副）水仓与水泵房接口可设置于水泵房两端水泵配水井处，其间形成一定间隔、独立设置，尤其当水泵房内设置3 台水泵时，方案三更为合适。

（4）当井下涌水量适中时，由于对水泵房排水能力需求适中，配水闸阀尺寸较小，呈纵列布置时，配水井壁龛进深可满足井下硐室自然扩散通风需求，方案一及方案二均可选择，需通过经济技术分析来确定最终方案。