应急排水系统在章村矿-200 水平的设计研究

安勇烨

（煤炭工业石家庄设计研究院有限公司，河北 石家庄 050051）

0 引 言

章村矿位于河北省邢台地区沙河市白塔镇与邯郸地区武安市邑城镇交界地带，目前章村矿开采位置位于-200 水平的4226 采区和4231 采区，主要开采2 号煤层及2 下煤层，顶板砂岩为主要含水层。

2021 年章村矿矿井正常涌水量为604 m3/h，最大涌水量为646 m3/h，水文地质类型为复杂型。根据2022 年1 月《涌水量预测报告》审查结论，矿井未来可采期（8～10 a） 正常涌水量为717.72 m3/h，最大涌水量为789.49 m3/h。该数据符合矿井实际，可作为矿井排水系统设防依据。根据相关规定，矿井需建设防水闸门或应急排水系统以提高矿井抗灾能力。

1 抗灾方式

1.1 抗灾方式的种类

《煤矿安全规程》第三百零八条规定：水文地质条件复杂、极复杂或者有突水淹井危险的矿井，应当在井底车场周围设置防水闸门或者在正常排水系统基础上另外安设由地面直接供电控制，且排水能力不小于最大涌水量的潜水泵。

《煤矿防治水细则》第九十六条规定：水文地质条件复杂、极复杂或者有突水淹井危险的矿井，应当在井底车场周围设置防水闸门或者在正常排水系统基础上另外安设由地面直接供电控制，且排水能力不小于最大涌水量的潜水泵排水系统。

水文地质条件复杂矿井建立防水闸门或抗灾性强排系统是必要的，对保障矿井安全生产起着不可忽视的作用[4]。

1.2 抗灾方式分析

1.2.1 防水闸门

-200 水平车场附近均为采空区，与采空区相连通的巷道数量众多，且附近发育4 条断层，设置防水闸门难以实现有效隔离。根据《煤炭矿井防治水设计规范》 防水闸门不应设于岩溶、断层、节理、裂隙发育的破碎地带[5]规定，-200 水平车场附近不具备设置防水闸门的条件。

1.2.2 强排系统

当煤矿发生突水事故时，瞬间涌水量极大，往往超过泵房最大排水能力，排量不足时可造成泵房被淹，排水系统瘫痪，导致淹井事故。鉴于此，对于有突水危害或者局部突水严重难以有效治理的矿井，为了有效地预防和抢险救灾，有必要建设强排系统[6]。

1.3 抗灾方式的确定

矿用潜水泵不仅排水量大、扬程高，而且能在地面控制，泵房淹没后仍能正常工作。因此在有突水淹井危险的矿井中建立潜水泵强排系统或采用卧泵加潜水泵排水系统的方案，变防水闸门被动堵水为主动排水，对避免淹井、抗灾抢险有着极其重要的意义[7-8]。

按照《煤矿安全规程》《煤矿防治水细则》对有突水淹井危险的矿井增建潜水泵强排系统的规定，设计在合适地点增加潜水泵的排水系统是解决矿井正常排水和抗灾抢险排水的有效方案。

根据国家矿山安全监察局《关于煤矿抗灾潜水泵排水系统设置问题的复函》精神，为了保证抗灾排水系统在发生灾害时能发挥应有的作用，保护人民生命财产安全，推荐水害抗灾方式为潜水泵强排系统。

2 排水方案的确定

2.1 排水方案的比选

本文对在不同区域增设潜水泵房的方案进行比选，同时对新设排水管路、利用矿井已有排水管路进行方案比较。

方案一：在-200 水平泵房附近设潜水泵硐室，利用-200 水平排水系统的排水管路φ325 mm×10 mm 排至南风井地面水处理站。选用2 台BQ550-425/5-1000-S 潜水泵，工况点流量为509 m3/h，扬程为438 m。该方案系统简单，利用已有管路，电机功率低，设备投资较低。

方案二：在-200 水平泵房附近设潜水泵硐室，并新设φ650 排水钻孔，排水管路直接通过直 排 钻 孔 排 至 地 面 。 选 用 2 台BQ550-425/5-1000-S 潜水泵，2 趟φ325 mm×10 mm 排水管路。工况点流量544 m3/h，扬程427 m。该方案系统简单，电机功率较低，设备投资较低；缺点是地面需另行征地，管路损坏无法修复，后续不确定性较大。

方案三：在-350 区域泵房附近设潜水泵硐室，均利用已有排水管路，沿-350 区域排水系统的排水管路至-200 水平附近，再利用-200 水平排水系统的排水管路排至风井地面水处理站。选用2 台BQ550-680/8-1600-S 潜水泵。工况点流量563 m3/h，扬程671 m。该方案利用了部分已有排水管路，节省投资；缺点是-350 区域泵房至-200水仓附近已有排水管路φ325 mm×10 mm 需更换为φ325 mm×15 mm ，长度2 100 m，且电机功率较大。

方案四：在-350 区域泵房附近设潜水泵硐室，并新设φ650 排水钻孔，排水管路直接通过直排钻孔排至地面水处理站。 选用 2 台BQ550-595/7-1400-S 潜水泵，2 趟φ325 mm×14 mm 排水管路。工况点流量563 m3/h，扬程588 m。该方案优点是系统简单；缺点是电机功率较大，另需要新打排水钻孔，地面需另行征地。

安装工程估算价值见表2。

采用直排环节少，但另行征地后续不确定性较大；在-350 区域泵房附近设潜水泵房，排水距离长、扬程大、设备功率较大，对设备管路要求略高，而且需要更换-350 区域泵房至-200 水平的已有排水管路，长度约2 100 m，投资较大。

方案一较-350 水平中转减少一级，水泵运转、排水效率高。同时具有排水距离较短、扬程小、利用已有管路进行排水，对管路设备要求低，有利于节能、排水系统运行安全、对现有系统影响小等优点，故推荐方案一。

表2 安装工程估算价值Table 2 Estimated value table of installation project

2.2 排水系统布置方式及设备选型

2.2.1 应急排水泵的布置方式

应急排水泵布置形式主要有两大类，即立式、卧式[9]，优缺点如下。

（1） 连接及安装。

卧式泵采用联轴器与电机连接，需要定期找正。立式泵电动机水泵体是子口连接。卧式泵安装时要保证绝对的水平安装，在安装后进行精度调整。立式泵整体连接，安装容易。

（2） 维修及使用寿命。

立式泵检修难度大。立式泵叶轮检修时，需将上部全部移去且起吊后方能进行，并需及时更换滑动轴承，否则将导致轴离心力增大，轴跳动值变大，易形成机械事故。卧式泵效率高于立式泵。卧式泵维修和维护相对容易，运行平稳，对管路冲击较小，使用寿命长[6]。

（3） 施工难易程度及工程量。

立式泵方案需要新设直径4 m、深15 m 的潜水泵井，新设高8 m 的潜水泵壁龛供起吊用，需由专业的施工队伍施工；潜水泵硐室、潜水泵井、潜水泵水窝、潜水泵配水井、潜水泵壁龛、潜水泵配水巷等工程量较大，施工工期较长。立式泵方案布置形式如图1 所示。

卧式泵方案需要新设19 m×2.5 m×5.4 m 潜水泵井，新设高3 m 的潜水泵壁龛供起吊用，可由煤矿内部施工队伍施工；潜水泵井、潜水泵配水井、潜水泵壁龛、潜水泵配水巷等工程量较小，施工工期较短。卧式泵方案布置形式如图2 所示。

经比较，推荐卧式泵方案。

2.2.2 应急排水系统设备选型

根据矿井最大涌水量、排水高度及管路系统，设计选用BQ550-425/5-1000/W-S 型矿用防爆潜水泵2 台，其技术参数：流量550 m3/h，扬程425 m，配套电动机功率1 000 kW，电压6 kV，2 台工作即可满足规范抗灾要求。

BQ550-425/5-1000/W-S 型水泵主要性能参数见表3。

图1 立泵布置方式示意Fig.1 The layout of vertical pump

图2 卧泵布置方式示意Fig.2 Layout of horizontal pump

表3 BQ550-425/5-1000/W-S 型水泵主要性能参数Table 3 Main performance parameters of BQ550-425/5-1000/W-S pump

2.3 排水系统硐室

经现场考察，设计将位于-200 泵房附近的底横贯进行维修扩砌后作为潜水泵排水硐室。该工程主要含潜水泵吸水井、潜水泵配水井、潜水泵配水井壁龛、配水巷等井巷工程，井巷工程量共计55.5 m/1 077.25 m3。

潜水泵排水系统工程均采用锚网索+钢筋混凝土联合支护方式。为减少底鼓，潜水泵吸水井、潜水泵配水井、潜水泵配水巷等硐室采用反底拱一次性浇筑底板的支护方式，从而减小因底鼓造成的维修费用。施工时在潜水泵吸水井井壁预留注浆管，以备壁后注浆使用。

2.4 概算投资

章村矿-200 水平建设潜水泵强排应急排水系统工程总投资1 657.50 万元，见表4。

表4 概算投资Table 4 Estimated investment

3 结 论

（1） 对在不同区域增设潜水泵房的方案进行比选，同时对新设排水管路、利用矿井已有排水管路进行方案比较，最终确定在-200 水平泵房附近设潜水泵硐室，利用-200 水平排水系统的排水管路φ325 mm×10 mm 排至南风井地面水处理站的应急排水方案。

（2） 应急排水泵布置形式经连接及安装方式、维修方式、使用寿命、施工难易程度及工程量大小等多方面比较后，确定选择卧式泵方案。

（3） 设计选用BQ550-425/5-1000/W-S 型矿用防爆潜水泵2 台。将位于-200 泵房附近的底横贯进行维修扩砌后作为潜水泵排水硐室，井巷工程量共计55.5 m/1 077.25 m3。

（4） 章村矿-200 水平建设潜水泵强排应急排水系统工程总投资1 657.50 万元。