矿井主排水系统扩容设计

朱 元

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

矿井排水系统改造后，系统复杂，管理不便，针对该种情况，本文提出测量管路流量、控制管路流向，从而有效地串联各排水系统与水处理系统，为矿井排水系统管理提供便利。

1 矿井现有正常排水系统

一号排水系统能够满足正常涌水量800 m3/h，最大涌水量1 200 m3/h的排水需要。一号主排水泵房配备5台MD720-60×10(p)自平衡型矿用耐磨多级离心泵，每台水泵配置YB3型隔爆电动机一台，功率为1 800 kW，电压为10 kV，同步转速1 500 r/min。正常涌水量时2台工作，2台备用，1台检修；最大涌水量时3台工作。排水管路为φ325 mm×15(8)mm无缝钢管。

401盘区排水系统能够满足正常涌水量500 m3/h，最大涌水量800 m3/h的排水需要。401盘区排水泵房内安装5台MD450-60×2型矿用耐磨多级离心式水泵，每台水泵配置YB2型隔爆电动机一台，功率250 kW，电压10 kV，同步转速1 500 r/min。排水管路为3趟φ273 mm×7 mm无缝钢管。

403盘区排水系统能够满足正常涌水量1 500 m3/h，最大涌水量2 000 m3/h的排水需要。403盘区排水泵房内安装8台MD720-60×4(P)型矿用耐磨自平衡多级离心泵。每台水泵配置YB3型隔爆电动机一台，功率800 kW，电压10 kV，同步转速为1 500 r/min。排石管路为5趟φ377 mm×9 mm无缝钢管。

2 矿井主排水系统改造

依据矿井最新地质资料、矿井实际涌水量情况和考虑矿井灾害类型的复杂多变及长远发展，矿井正常涌水量为2 000 m3/h，矿井最大涌水量为2 800 m3/h。现有一号主排水系统无法满足矿井涌水量排水需要，需对现有一号主排水系统进行改造。考虑到矿井为生产矿井，一号主排水泵房和一号主变电所附近没有多余空间进行扩建，经综合分析，在井底车场附近新建二号主排水系统。

2.1 二号主排水系统平面布置方案

二号主排水系统主要硐室有二号主排水泵房、二号水泵房配电室、二号水仓和二号排水管路通道。二号水泵房排水管路沿排水钻孔敷设至地面。根据排水钻孔位置及主排水系统硐室位置，对二号排水系统硐室位置提出以下2个方案。

2.1.1 方案一

为方便对加载过程中裂缝及应变等数据的采集，本文未对梁底进行砂浆防护等后期处理。在实际桥梁加固中，为加强锚固效果和确保钢丝绳在工作环境下的耐久性，须对端部及底部浇注砂浆进行保护。端部砂浆采用强度高、硬化快的环氧树脂砂浆；底部防护砂浆采用聚合物砂浆，具有较好的延性，不易出现横向裂缝。在砂浆完成以后，涂刷与梁体颜色协调的防水涂料，以达到耐久性要求和美观效果。

钻孔位置位于工业场地西侧，综合楼东侧，该位置标高约+870.0 m。二号主排水系统包含水泵房、配电室、水仓、管路通道等硐室。

钻孔位置位于井底车场北部，硐室应靠近钻孔布置。二号水泵房位于直排钻孔的北侧，二号水泵房配电室位于直排钻孔的南侧；二号水泵房和二号水泵房配电室通过2条联络通道与井底车场连通。排水管路沿着管路通道排水钻孔敷设至地面。二号水仓布置在煤层顶板的稳定岩层中，位于超磁水处理硐室北部附近，由2个水仓环组成，长度1 000 m，位于井底车场的北侧。

2.1.2 方案二

钻孔位置位于工业场地西侧，综合楼东侧，该位置标高约+870.0 m。二号主排水系统包含水泵房、配电室、水仓、管路通道等硐室。

钻孔位置位于井底车场北部，硐室应靠近钻孔布置。二号水泵房与配电室联合布置，位于井底车场北部，水泵房和配电室通过2条联络通道与井底车场相连接。排水管路沿着管路通道排水钻孔敷设至地面。二号水仓布置在煤层顶板的稳定岩层中，位于井下主水仓的东侧，标高为+330 m。由3个水仓环组成，长度990 m，与井下主水仓共用清挖设备。

2.1.3 方案比选

以上2个方案中各硐室位置布置优缺点及经济对比，详见表1。

表1 各方案优缺点及经济对比Table 1 Advantages and disadvantages and economic comparison of each scheme

从表1可以看出，方案一虽比方案二巷道工程量大，投资较多，但方案一优化排水系统方案，施工期间不影响原排水系统正常使用，不占用井底车场巷道断面。经综合分析后，推荐方案一。

2.2 二号主排水系统排水设备选型方案

系统正常涌水量为1 200 m3/h，最大涌水量为1 600 m3/h，排水垂高为542.3 m，排水距离800 m。2个主排水系统排水垂高和排水距离等条件基本相似，为减少不同类别备品备件，便于管理，二号主排水泵房排水设备选型应与主排水泵房排水设备接近。设计二号主排水泵房水泵选用MD720-60×10型矿用耐磨多级离心泵，对水泵单泵单管运行和2台水泵并联运行，2种方案进行比较后确定。

2.2.1 方案一：2台水泵对应单管运行

水泵选用8台MD720-60×10型矿用耐磨多级离心水泵，每台水泵选配YB3型隔爆电动机，功率1 800 kW，电压10 kV，转速1 480 r/min；正常涌水量时4台水泵工作，3台备用，1台检修；最大涌水量时6台水泵同时工作；排水管路选用3趟φ508 mm×24 mm无缝钢管，每2台水泵对应1趟排水管路运行。

2.2.2 方案二：单台水泵对应单管运行

水泵选用7台MD720-60×10型矿用耐磨多级离心水泵，每台水泵选配YB3型隔爆电动机，功率1 800 kW，电压10 kV，转速1 480 r/min；正常涌水量时3台水泵工作，3台备用，1台检修；最大涌水量时4台水泵同时工作；排水管路选用4趟φ377 mm×18 mm无缝钢管，每台水泵对应1趟排水管路运行。

2.2.3 方案比选

根据以上各方案选型配置，对这2种排水设备方案参数进行综合比较，详见表2。

表2 排水设备选型方案综合比较Table 2 Comprehensive comparison of drainage equipment selection schemes

由表2可得出，2个方案均能够满足矿井排水需要，方案一比方案二虽然设备及管材费用多128万元，但矿建投资少360.3万元，同时方案一设备排水能力富裕量大，可应对未来多种可能；并且方案一排水管路趟数与排水钻孔个数较少，便于管理。经综合分析后，推荐方案一。

3 串联多个排水系统的智能化设计

排水系统改造后，矿井排水系统由位于401盘区巷道中部401盘区排水系统、位于403盘区巷道中部403盘区排水系统、位于井底车场附近一号主排水系统和二号主排系统组成；矿井水处理系统由处理能力为1 400 m3/h的井下超磁水处理系统和处理能力为600 m3/h的地面水处理系统组成。

401盘区排水系统有5台水泵3趟排水管路；403盘区排水系统有8台水泵5趟排水管路；主排水系统有5台水泵3趟排水管路；二号主排水系统有8台水泵3趟排水管路。每套排水系统均按照自动化排水系统进行设计。

每个水泵房都可以独立实现自动化排水系统，当水仓水位到达设定值时，就会启动相应水泵台数，但每个水泵房无法实现联动。本次设计给401盘区3趟排水管路和403盘区5趟排水管路末端采用等径三通分流，并在每个支管上安装电动闸阀和流量计，如图1所示。在超磁水处理硐室中4趟排水管路末端采用等径三通分流，并在每个支管上安装电动闸阀和流量计。

将管路流量数据输送至中枢系统，经中枢系统处理后反馈至电动闸阀执行机构来调节各管路流量。矿井正常涌水量时排水系统控制系统如图2所示，最大涌水量时同理。

图2 矿井正常涌水量时排水系统控制系统Fig.2 Control system of drainage system under normal water inflow

4 结语

针对水文地质复杂型生产矿井，应有针对性、合理地设计排水系统，排水设备选型，管路敷设方式及各相互系统如何配合等内容合理选择，从而节约投资。同时从智能化排水系统看，自动化排水系统在煤矿系统中已得到实际应用，通过采用检测管路流量、控制管路流速及排水方向等有效手段，合理地串联各排水系统与矿井水处理系统，为实现矿井智能化排水系统提供可能，同时有效地推进矿井智能化排水系统的研发。