超千米深井排水系统设计及探讨

〔摘 要〕通过对国内外的千米深井排水方式以及排水设备进行了调研考察，分析了在千米深井排水系统中应用良好的国产水泵型号，以及常用排水管路布置方案和防护措施。在对国内某超千米的金属矿排水设计中，对直排方案和接力排水方案进行了方案比选，最终选择了直排方案。经过对设备的选型计算和工况点校核，各项参数均满足设计要求，证明了该排水方案的可行性。同时，针对安装过程可能存在的问题，提出了相应的解决措施。

〔关键词〕超千米深井;排水系统;涌水量;水锤力

中图分类号： TD862；TU992 " 文献标志码：B" 文章编号：1004-4345（2024）06-0011-04

Design and Discussion of Drainage Systems for Over Kilometer Deep Wells

XU Gaofeng， XIONG Gen， WAN Qingyu， QU Fangyu， QI Yan

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" The research and investigation was conducted on the drainage methods and equipment of kilometer deep wells at home and abroad.Additionally， an analysis was performed on domestic water pump models that perform well in kilometer-deep well drainage systems， as well as common drainage pipeline layout schemes and protective measures.In the drainage design for a metal mine exceeding one kilometer in depth in China， a direct drainage scheme and a relay drainage scheme were compared. Ultimately， the direct drainage scheme was selected.After the selection and calculation of the equipment， and verification of the operating condition points， all parameters has fulfilled the design requirements， proving the feasibility of the drainage scheme. Furthermore， corresponding solutions have been proposed to address potential problems of the installer.

Keywords" "over-kilometer deep well; drainage system; water inflow; water hammer force

随着资源开采的深入和需求的不断增长，地表及浅部矿产资源的逐渐枯竭，矿山企业不得不向更深的地下探索新的资源。目前，采矿技术已逐步走向超千米深井开采。超深开采带来的大涌水量、大高差、高地热及复杂水质等难题，使排水系统的可靠性成为采矿作业能否持续进行的关键因素。因此，排水系统的设计需综合考虑多方面因素，以确保其高效、稳定运行。本文旨在深入探讨超千米深井排水系统的设计难题及解决方案。

1 超千米排水系统设计难点分析

目前随着矿山开采深度的增加，国内也建设了多个拥有千米深井的矿山。随着深度的增加，矿井的涌水量更多，水温也更高，水质变差。垂直高差大、涌水量大、温度高等问题给千米深井排水带来难题。在这种恶劣的工况下，应在设计中充分考虑水泵、大功率电机的选择，管道的布置，以及水锤的预防等，以保证排水系统的可靠性。

1.1" 水泵选型[1]分析

水泵的正确选型是深井排水问题的关键。目前，国内矿山深井排水主要以一段排水和接力排水两种方式为主。一般而言，一段排水是指通过1台或多台水泵直接从井底抽水至地面。采用该方式的排水系统结构简单、维护方便，适用于井深较浅、涌水量相对稳定的矿井。国内已有千米深井采用了一段排水的实际案例。接力排水是通过多台水泵接力抽水，这种方式可以提高排水的可靠性和效率，更适用于井深较深、涌水量大或水文地质条件复杂的深井。无论采取哪种排水方式，水泵的选型都需要根据深井的具体条件和水文地质特点，综合考虑流量、扬程、类型及耐腐蚀性能等因素，以确保深井排水的稳定、高效和可靠。笔者对国内已实施超千米排水的矿山进行调研，发现目前生产应用且运转良好的水泵主要为上海第一水泵厂生产的PJ200型水泵。该水泵引用了国外的技术研制成果，额定流量Q=420 m3/h，扬程H=1 127.9 m，目前运行良好。该厂还有其他较大级数的水泵可以满足不同矿山的排水需求。另外，湖北石首水泵厂生产的DKM360型水泵也在超千米矿山的排水系统中有实际应用。该水泵额定流量Q=360 m3/h，扬程H=1 097.0 m。该泵自2000年在某矿山投入使用以来，各项工艺指标均能满足设计要求[2]。

调研结果表明，目前国产品牌在超千米排水系统中的应用已经非常普遍，这对设计过程中水泵选型提供了更大的便利性和灵活性。

1.2" 水泵的电机匹配分析

在超千米深井中，由于水量通常较大，选择水泵时应在遵循相关规范的基础上，尽量减少水泵台数，以简化排水系统。但考虑到目前煤矿矿用产品安全标志认证的水泵最大功率约为3 000 kW，因此在选型时，还应避免选择流量过大的水泵。

1.3" 排水管路布置及防护措施分析

在排水系统设计中，单泵对应单管的配置方式通常被视为最优方案。这是因为该方案能确保水泵运行的稳定性，并使设备处于最佳工况。然而，在超千米深井的排水系统中，若涌水量较大，所需水泵的数量也会相应增多。若此时采用单泵对应单管的配置方案将导致排水管路增多，进而使井筒断面扩大，影响经济性。

为减少排水管路的数量并缩小井筒断面尺寸，设计中常采用双泵对应单管的方案，但这会相应地增大排水管的直径。因此，在井筒设计与装备过程中，需要预先规划并留设足够的梁窝以适应排水管直径增大所带来的变化。

排水系统在正常运行状态下，对排水管的工况通常不会产生不良影响。但在水泵突然启停的过程中，会产生较大的水锤力。若缺乏有效的防护措施，这种水锤力可能会对排水系统造成严重的损害。通常，选择经济流速在1.2～2.2 m/s的范围内，有助于降低水锤力的产生。此外，为了增强排水管的抗冲击能力，还应在排水管上设置专门的托梁，以承载水锤力带来的冲击。

2" "排水系统设计方案比选

目前，矿山大扬程排水普遍采用卧式离心泵。该泵因设备投资低、运行效率高、维护方便及技术运用较为成熟等优点，被广泛应用。

某生产多年的金矿已在-380 m和-580 m设有接力排水系统。目前，该矿考虑深部延伸至 -1 330 m，延伸后现有泵站能力不能满足生产需求。经过前期可行性研究后，在深部区域拟建1套排水系统。待新系统建成后，废弃现有排水系统。在本设计案例中，井下各中段涌水及废水除进入矿区排水系统满足生产需要外，-1 030 m以上剩余的涌水及废水均通过-1 030 m沿脉巷道水沟自流至-1 030 m排水系统，-1 030～-1 330 m中段剩余的涌水及废水则通过-1 330 m沿脉巷道水沟自流至其他矿区排水系统排至地表。井下-1 330 m排水系统扬送至-1 030 m竖井排水系统，由该排水系统接力排出地表（标高18.88 m）。在本方案设计中，设计人员综合考虑了地下正常涌水量（26 710 m3/d）与最大涌水量（43 300 m3/d），以及排水高差（1 048 m）的要求，提出了直接排水（方案1）和接力排水（方案2）两种设计方案。两种方案的详细对比如表1所示。

经过对比分析，尽管方案1的设备投资和可比投资略高于方案2，但其排水系统更为简单，且国内已有较多成功案例。因此，综合考虑各方面因素，最终决定采用方案1，即直接排水方案。

3" "排水设备选型

3.1" 水泵选型计算

在水泵选型中，必须根据矿山正常涌水量和最大涌水量，并结合《金属非金属矿山安全规程》《有色金属设计规范》等相关要求考虑水泵型号。另外，井下主要排水设备应包括工作水泵、备用水泵和检修水泵，其中工作水泵应能在20 h内排出一昼夜正常涌水量；工作水泵+备用水泵应能在 20 h 内排出一昼夜的设计最大排水量；备用水泵能力不小于工作水泵能力的 50%；检修水泵能力不小于工作水泵能力的 25%。同样以上述矿山项目为例进行选型计算。

1）按正常涌水量确定排水设备所必须的排水能力，计算公式见式（1）。

Q'=" " " " " （1）

式中： Q'为正常涌水期间设备所必须具备的排水能力，m3/h；Qzh为矿井正常涌水量，m3/d。计算得，Q'=1 335.5 m3/h。

2）按最大涌水量确定排水设备所必须的排水能力，计算公式见式（2）。

Q'=" " "（2）

式中 ：Q'为最大涌水期间设备所必须具备的排水能力，m3/h；Qm为矿井最大涌水量，m3/d。计算得，Q'=2 165 m3/h。

3）按排水高度估算设备所需的扬程，计算公式见式（3）。

H'=KHp" " " （3）

式中： H'为排水设备所需要的扬程，m；Hp为排水高差，1 048m；K为扬程损失系数，取1.08。计算得H'=1 132 m。

4）初选水泵。从所推选的方案中确定选取型号MD（P）450-95×12的多级离心泵，其额定流量为450 m3/h，额定扬程为1 140 m，功率为2 240 kW。则正常涌水量工作台数n1=1 335.5/450 =2.97，取n1=3。最大涌水量工作台数n2=2 165/450=4.8，取n2=5。根据《金属非金属矿山安全规程》要求。该水泵房总共布置6台该型号多级离心泵，正常涌水量时，3台工作，2台备用，1台检修；最大涌水量时，5台水泵工作，1台检修。

3.2" 排水管路的选择

1）管路数量。管路数量与泵房内的水泵数量及井筒断面都有关系。根据水泵房的水泵总台数，本项目考虑3条排水管路。涌水量正常时，2用1备；涌水量达到最大时，3条管路同时工作。

2）管路材料。由于井深超过千米，考虑到水锤作用，排水管路采用无缝钢管。

3）排水管直径的选择。排水管直径可根据式（4）计算：

d'=" " （4）

式中： d'为排水管所需的直径，m；n为向排水管输水的水泵台数；Q为1台水泵的流量，m3/h；vf为排水管的经济流速，一般取1.2～2.2 m/s。带入相关参数计算得d'=329 mm。

４）排水系统水锤压力计算。水锤压力根据式（5）计算。

Pmax=P+" " （5）

式中：Pmax为最大水锤压力，MPa；P为排水管路中的水的静压力，MPa；a为水锤的传播速度，取1 350 m/s；v为管道水正常流速，取2.2 m/s；g为重力加速度，取9.81 m/s2。经计算，Pmax=13.51 MPa。

５）排水管壁厚计算。排水管壁厚根据式（6）计算。

δ≥0.5d'（-1）+af" " （6）

式中：δ为钢管壁厚，mm；σω为管材许用应力，取100 MPa；Pd为管道最低点的压力，取13.51 MPa；af为管道附加厚度，取0.2 cm；d'为排水管直径，mm。经计算，δ≥22 mm。

由于水锤力较大，水管壁厚设计时应增加2～3 mm。根据最终计算结果设计选择377 mm×24 mm无缝钢管。

4" "排水工况点的确定及校核

本泵站运行时还存在3泵对2管、5泵对3管以及1泵对1管3种工况，分别对其进行校核，在水泵特性曲线上做管路特性曲线[4]，求出这3种水泵工况点参数分别为Q1=470 m3/h、H1=1 102 m，Q2=460 m3/h、H2=1 110 m，Q3=430 m3/h、H3=1 125 m。校核计算如下。

1）排水管中最大实际流速。3种工况（3泵对2管、5泵对3管及1泵对1管）下管道中最大流量分别为：705 m3/h、767 m3/h、430 m3/h，排水管中平均流速vp根据式（7）计算。

vp=" "（7）

式中：dp为排水管所需的直径，mm；n为向排水管中输水的水泵台数；Q为单台水泵的流量，m3/h。计算得：vp1 =2.3 m/s，vp2=2.5 m/s，p3=1.4 m/s。

2）水泵所需扬程。水泵所需扬程根据式（8）计算[4]。

" " " " "H=H0+λ·Lj+h" " （8）

式中：Lj为管道计算长度（实际管长加各种管件和阀门的等值长度），m；d为管内径，m；v为管内流速，m/s；λ为管道摩擦阻力系数；h为自由水头，m；g为重力加速度，取9.81 m/s２。

当MD（P）450-95×12型水泵匹配377 mm ×24 mm的管路工作时，最大几何高差为1 048 m，管路最大长度为1 100 m，等值长度为350 m，则所需扬程H分别为：H1=1 102 m，H2=1 110 m，H3=1 125 m。

经校核：MD（P）450-95×12型水泵在正常排水时，即2泵对1管时，管中流速为2.3 m/s，排水能力Q=1 410 m３/h，大于1 335.5 m３/h；最大涌水时，即5泵对3管时，管中流速为2.5 m/s，排水能力Q=2 300 m３/h，大于2 165 m３/h，均符合《有色金属非金属安全设计规范》[5]《有色金属采矿设计规范》[6]对井下排水的规定，满足设计要求。

5" "安装技术措施

1）井筒内的排水管需采用焊接方式连接，弯管支座则通过套管将排水管与弯头进行焊接。在施工之前，必须对焊接工艺进行试验，确保工艺满足要求方可进行施工安装。在焊接过程中，应使用高强度焊条，并对所有焊缝进行探伤检查，确保达到合格标准。

2）为抵消水锤力对排水管的影响，水泵房内应增设能够抵抗水锤力的支座，防止水锤力将排水管冲击掉落。同时，为有效防止水锤力对水泵的损害，需在水泵出口安装缓闭式止回阀。在使用过程中，若产生水锤力冲击，应采取以下措施：（1）延长阀门开启和关闭的时间；（2）停泵时，需确保出水阀门完全关闭后再停泵；（3）水泵启动时，应待水泵出口压力达到10 MPa后，再慢慢开启水泵出水口阀门。

3）在水泵进水口安装真空管，使水泵由抽吸式吸水变为自灌式吸水。这种方式简单实用、安全可靠，被广泛采用。真空罐应通过井下供水管引出的分支灌满。

4）为便于水泵和电机的安装与检修，水泵房内配备1台10 t的电动单梁起重机。

6" "结论

综上所述，本文深入探讨超千米深井排水系统的设计难题及解决方案，并以某矿山项目为例进行了实际的方案比选、设备选型计算、排水工况点的确定及校核等。研究可以得出以下结论：1）该排水系统经过方案比较，最终采用了直排方案，选择MD（P）450-95×12型多级离心泵，其工况点的流量、扬程均满足设计要求，也满足安全规范和设计规范。校核计算结果也验证了该排水方案的可行性。2）该设计方案提出的有效防止水锤力产生的措施，为今后的千米深井排水系统设计提供了可靠的经验。

参考文献

[1] 于功江.大涌水量千米深井主排水系统设计问题探讨[J].煤炭工程，2019，51（6）：43-46.

[2] 刘如军.千米深矿井排水系统设计探讨[J].能源技术与管理，2004（6）：58-60.

[3] 梁祖金，许新民.唐口矿千米深井主排水设计探讨[J].煤炭工程，2004（4）：15-18.

[4] 刘铁军，熊根，尧金才.某金属矿山露天采场排水接力泵站优化探讨[J].有色冶金设计与研究，2022，43（3）：4-7.

[5] 国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会. 金属非金属矿山安全规程：GB 16423—2020[S].北京：中国标准出版社，2020.

[6] 中华人民共和国住房城乡建设部.有色金属采矿设计规范：GB 50771—2012[S].北京：中国计划出版社，2012.