四会石膏矿一号井排水设施的安全可靠性分析

詹诗飞,赖国权

(1.华东冶金地质勘查局屯溪地质调查所, 安徽黄山市 245000;2.广东省四会市四会石膏矿,广东四会市 526200)

四会石膏矿一号井排水设施的安全可靠性分析

詹诗飞1,赖国权2

(1.华东冶金地质勘查局屯溪地质调查所, 安徽黄山市 245000;2.广东省四会市四会石膏矿,广东四会市 526200)

四会石膏矿一号井因受相邻的青岐石膏矿水患影响而停采,同时又影响二号井正常开采,通过对一号井的排水设施安全可靠性分析,调整部分排水设施,确保了一号井及二号井的开采安全。

排水设施;安全可靠性;排水能力

0 前 言

四会石膏矿一号矿井是单一水平开采的矿井,竖井与斜井联合开拓,主竖井是提升井,副斜井是回风井。主副井筒分别在-100.40,-100.8 m水平落平开拓主运输、总回风大巷。井下采空区涌水由大巷水沟汇集到井底水仓,采用集中一级排水方式排水。

在矿井西北向采区有巷道及采空区与邻近的青岐石膏矿相通,青岐石膏矿从1999年起将采空区涌水通过两矿相通的巷道和采空区向四会矿一号井排放。2005年12月青岐石膏矿闭矿停止抽水,其采空区160 m3/h的涌水流向四会矿一号井由四会矿抽排,因此四会石膏矿一号井排水设施的安全性受到各方的关注。

1 矿区水文地质条件及涌水量

1.1 地下水类型

矿区位于三水盆地西北缘,根据地下水的赋存介质,将矿区地下水划分为松散岩类孔隙水和红层裂隙水。由于砂砾层含粘粒数量不同,其渗透性和富水性存在较大差异,矿区西北部砂砾层厚度大,粘粒数量较少,渗透性好,富水性相对丰富。矿区水文地质条件复杂。

1.2 井下水的来源

四会石膏矿主采20号和17号两个膏组,采用留规则矿柱全面采矿法和留连续矿柱房柱采矿法开采。采空区冒落造成地表整体下沉,在下沉过程中产生地裂缝,地下水往下渗透到采空区进入井下。地下水的补给与地面农田建设有着较大的关系,其次与大气降雨时间和降雨量有关。据多年监测记录,井下最大涌水量是正常涌水量的1.23倍。

1.3 井下涌水情况及涌水量

一号矿井井下有3股水流向井底水仓汇集,第1股是北大巷及西北大巷各处上山采空区的渗涌水在北大巷水沟流出,分别由东四回风下山和探六回风下山进入3号水仓,涌水量为132 m3/h;第2股水流是一平至西(北)大巷末段几个上山采空区的渗涌水,从南巷口流入2号水仓,在1,2号水泵房抽水,涌水量为147 m3/h;第3股水流是青岐矿2005年12月29日停止排水后,其井下水通过两矿相连通的巷道和采空区,流入四会矿的七平到二平的采空区,从南巷口进入2号水仓,在1,2号水泵房抽水,涌水量为160 m3/h。

3股水流的合计正常涌水量是439 m3/h,最大涌水量是540.0 m3/h(含青岐矿停止排水流入的最大涌水量196.8 m3/h)。

2 一号井的井下排水设施

一号井共有3个水泵房和3个水仓,其中1号水仓容积为1000 m3,2号水仓的容积为4300 m3,3号水仓容积为36000m3。大水仓储水可以利用零时班用电低峰期进行抽水,节约抽水费用,同时可以作为应急水仓用。

3个水仓设置3个水泵房,其中1号水泵房安装第1组2台150D30×5水泵配1趟6英寸排水管,排水管铺设在竖井井筒;2号水泵房安装第2,3, 4组6台200D43×3水泵,配3趟8英寸排水管,其中1趟铺设在竖井井筒,另2趟铺设在斜井井筒;3号水泵房安装第5组2台200D43×3水泵,配1趟8英寸排水管,铺设在斜井井筒。

为改善水泵的吸水性能,工程技术人员通过技术改造,在每一组的2台水泵的吸水处设置1个略高于水泵装满水的密闭式吸水箱,并在水箱面上安装1条设有底阀的吸水管伸到吸水井。只要水箱有一定的储水,可随时启动水泵,这样排水泵的操作简单,且安全、快捷、可靠。每一组水泵的2台水泵都能独立排水。各型水泵的性能见表1。

表1 水泵的性能参数

3 10台泵联合运转的排水设施

2006年3月,安监部门组织专家组对四会矿一号井排水设施进行了评审,专家们充分肯定了一号矿井排水设施的设计规划、安装施工和防范措施基本合理,同时对井下排水设施提出两点要求。一是把1号泵房和2号泵房经竖井铺设的排水管道在井底联通以解决1号泵房备用管道的问题,把2号泵房和3号泵房经回风斜井铺设的3趟排水管道在斜井底联通,觖决3号泵房的备用管道的问题;二是井下10台水泵联合运转全面提高排水设施的应急能力。

为了解决10台水泵联合运转的问题,四会矿工程技术人员进行了方案研究,并制订各工程的施工方案。

3.1 重新安装水泵

井下每一组的2台水泵型号相同,转速相同,流量相同。要实现水泵联合运转,需重新调整每组水泵安装位置及出水管的夹角,以满足联合运转抽水的要求。

(1)排水管联通。在2趟水管之间以30°夹角用2条等径的水管联接,中间加装1个控制闸阀,便可实现管路并联联通。

(2)斜井底排水管联通。在斜井底变坡点前面的每条排水管分别装上1个闸阀,在每2条排水管之间加装2条带闸阀的8英寸水管。当管Ⅴ前方发生穿孔需改用管Ⅳ或管Ⅲ进行抽水时,将管Ⅴ前方的闸阀关闭,打开管Ⅴ与管Ⅳ之间的闸阀,水由管V经闸阀进入管Ⅳ,由管Ⅳ进行抽水;或打开管V、管Ⅳ和管Ⅲ之间的闸阀,水由管Ⅴ经闸阀进入管Ⅲ进行抽水,解决3号水泵的备用水管问题。同理,当管Ⅲ或管Ⅳ前方发生穿孔需改用管Ⅴ抽水时,关闭管Ⅲ或管Ⅳ前方闸阀,打开两管之间连通闸阀,改用相邻排水管抽水,解决2号水仓决备用水管的问题。

(3)竖井排水管并联。在1号水仓水泵出水管出口加接2条8英寸水管至井底车场与另一排水管联通,并加装闸阀。平常关态下闸阀是关闭的,当水管Ⅰ前方发生渗漏而又需抽水时,关闭管Ⅰ前方闸阀,打开连通管的闸阀,水由管Ⅰ进入管Ⅱ,可解决1号水仓的备用水管问题。同理,管Ⅱ前方发生水管漏水需用管Ⅰ抽水时,关闭管Ⅱ前方闸阀,打开连通闸阀,水由管Ⅱ进入管Ⅰ,用管Ⅰ进行抽水。

3.2 联合运转流量验算

水泵并联运转抽水时的流量验算,与单台基本相同,只不过并联时,流量增大,流速相应增大,水与管壁的摩擦阻力增加,总的扬程损失增大。

2台水泵并联运转抽水的同时,为了解决水泵的备用水管问题,在每1趟水管各多装1个闸阀,计算扬程损失时,需加上闸阀的阻力折算长度。各组排水管的计算参数见表2。

表2 各组排水管的计算参数

另外,每1趟水管均安装有1个逆止阀和2个闸阀。下面以第1组水泵为例进行流量验算。

多级水泵150D30×5配电机115 k W,安装在1号水泵房,水管架设在竖井内,泵房地面标高-100.225 m,水仓吸井底标高-104.2 m,井口标高+15.5 m,出水口标高+17.0 m,实际排水高度H实＝121.2 m,并联运转时每台水泵的流量估计为单台水泵单独抽水时的82%,初估排水流量为148 m3/h。吸水、排水和出水管直径d吸＝0.15 m。水在管道中的流速V排＝4.66 m/s,水与管道摩擦的阻力系数为:

(1)单台水泵吸水管扬程损失。管长7.80 m,吸水高度4.00 m,加上1个底阀和2个90°弯头,折合直线长度L计＝53.00 m。

(2)单台水泵排水管扬程损失。管长140 m,加上2个闸阀,3个弯头,折合直线长度L计＝146 m。

(3)单台水泵出水管扬程损失。管长15.00 m,1个弯头,折合直线长度L计＝16.1 m。

单台水泵总扬程:

3.3 水泵排水流量、轴功率与效率验算

参照水泵工作特性曲线,扬程在156.47 m处的流量Q＝41 L/S＝147.6 m3/h,是最大流量的82%,与初估148 m3/h接近,考虑不明流量损失,并联抽水时每台泵的流量定为145 m3/h,2台泵的总流量为290 m3/h。

单台水泵流量Q＝41 L/s,其轴功率P＝81.5 k W,效率η＝77%。

10台水泵并联联合运转抽水时,各组水泵的排水能力及总的排水能力见表3。

表3 10台水泵联合运转的水泵性能

3.4 排水能力实测

为进一步确定每组水泵的排水能力,对每组水泵分别进行单台运转抽水和2台并联运转抽水的流量测量,其结果见表4。

表4 水泵流量实测结果

从表4实测数据来看,无论单台抽水还是并联抽水,实测流量都大于理论计算值,说明以上计算值是可靠的。

3.5 一号井的排水能力

(1)特殊情况下10台水泵同时抽水的排水能力是1570 m3/h,每天所需抽水时间是:

正常涌水时,439×24÷1570＝6.7(h/d);最大涌水时,540.0×24÷1570＝8.3(h/d)。

(2)5台泵同时工作(另5台备用)的排水量是1130 m3/h,每天抽水所需时间:

正常涌水时,439×24÷1130＝9.3(h/d);最大涌水时,540.0×24÷1130＝11.5(h/d)。

(3)正常情况下,启动3台水泵的排水能力。

启动第2～4组的其中2台和第5组的1台泵排水能力是710 m3/h,每天排水时间:

正常涌水时,439×24÷710＝14.8(h/d);最大涌水时,540.0×24÷710＝18.3(h/d)。

启动第1组的1台、第2～4组的1台、第5组的1台泵,此时排水能力是650 m3/h,每天排水时间:

正常涌水时,439×24÷650＝16.2(h/d);最大涌水时,540.0×24÷650＝19.9(h/d)。

最大涌水情况下,启动任何3趟排水管中的3台抽水泵抽水,都能在20 h内排完井下涌水,完全符合《金属非金属地下矿山安全规程》井下排水设施的规定。四会石膏矿一号井的排水设施是安全的。目前四会矿一号井均利用用电低峰时段进行抽水,有效地降低抽水成本。

4 供 电

4.1 掘进井底2号中央变电所

井下10台水泵联合运转的用电负荷为1470 k W,超出原有的负荷能力,需对全矿供配电系统进行升级改造,增加供配电设施,一是保证10台水泵同时运转抽水及二号井生产的供电能力;二是保证5台水泵同时抽水及一、二号井同时生产的供电能力。

为此,在井底车场附近新掘进一个2号中央变电所,其变电房长18.6 m,配电房长43.6 m,采用锚喷支护。

4.2 变配电调整

为适应用电负荷的需要,新购买了一批变压器及高低压开关柜等变配电设施,以便对供配电系统进行调整。

4.2.1 变压器调整

将新购买的S9-2000 0.4V/6 k V变压器替代现运行的S9-1000 0.4/6 k V变压器向一号井井底供电。将现山顶电站供一号井井底的S9-1000 0.4/6 k V变压器改为向二号井供电。

将现一号井1号中央变电所的S7-630 6/0.4 k V变压器调整到2号中央变电所向2号水泵房供电。

将山顶电站现向二号井供电的S7-630 0.4/6 k V变压器放到一号井2号中央变电所向2号水泵房供电。

现1号中央变电所的KSJ-315 6/0.4 k V变压器保留,新购KSJ-315 6/0.4 k V变压器放于1号中央变电所,向井底车场动力及主风机供电。

3号水泵房的S9-400 6/0.4 k V变压器不变动,向3号水泵房供电。

调整后的变压器数量和安放地点见表5。

从表5看出,通过增加2台变压器,满足了井下10台水泵联合运转的用电负荷和井底动力的需要。

表5 一号井调整后的变压器

4.2.2 开关柜调整

1号中央变电所内保留3台高压开关柜,其中1台受电、1台馈电,1台作为与2号中央变电所之间的联络柜。

新购买的6台XGN型高压开关柜安装在2号中央变电所。其中1台受电、3台馈电、1台备用、1台作为与2号中变电所与1号中央变电所之间的联络柜。

购买的5台低压开关柜与现使用的8台低压开关柜分别担负1,2,3号水泵房、井底车场动力和照明的受、馈电。

4.2.3 下井高压电缆调遣

从山顶电站架设1条YJV42-6000-3×50高压电缆到井底2号中央变电所。将原来从山顶电站到井底的2条YJV2-6000-3×50高压电缆并联到1号中央变电所作为备用电缆。

5 结 论

据监测,四会石膏矿一号井正常涌水量为439 m3/h,最大涌水量为540 m3/h,井下已安装的5组10台水泵,能同时抽水,5台水泵同时运行的排水能力是1130 m3/h,9.3 h排完正常涌水量,11.5 h排完最大涌水量;10台水泵同时启动联合抽水的排水能力是1570 m3/h;启动任何3趟排水管中的3台抽水泵抽水,都能在20 h内排完最大涌水量。青岐石膏矿和四会石膏矿一号井均已停止开采,井下采空区不再受到开采扰动的影响,井下涌水将保持稳定甚至逐步减少,不会出现突然增大的情况。因此,一号井的排水设施是安全的。

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2012-04-17)

詹诗飞(1969-),男,安徽太湖人,地质工程师,从事地质勘探开采工作,Email:zsfbhw@163.com。