哈拉沟煤矿3-1煤开采井下排水系统设计

杜秀明

(鄂尔多斯市神东工程设计有限公司，陕西 榆林 719315)

0 引言

哈拉沟煤矿下水平开采接续中，由于2-2煤采空区积水面积广、水量大，对3-1煤开采会产生较大的安全隐患，可能会导致井下发生突水事故，因此，井下排水系统设计显得尤为重要。对此，以安全生产、节能降耗为控制目标，设计了矿井3-1煤开采综合排水系统，充分利用采空区储水，将部分涌水注入采空区，进行沉淀过虑后重复利用。这样可以有效地降低地面污水处理厂的处理能力，提高井下水利用率，节约能源。

1 现状及3-1煤排水方案

1.1 矿井水文地质条件

水文地质：哈拉沟煤矿主要充水水源为地表水(大气降水)、孔隙水(萨拉乌苏组含水层潜水)、钻孔水、烧变岩水和老空水，其中地表水、孔隙水和老空水是该矿3种最主要的水害隐患。雨季时的瞬时暴雨，可能沿小窑井口、塌陷裂隙等进水通道溃入井下，使矿井涌水量迅速变大，造成溃水或其他事故，对矿井安全开采影响较大。

涌水量预测：矿井下水平3-1煤投产后，矿井总共布置2个综采工作面，分别位于3-1煤一盘区和四盘区。3-1煤开采时预计全矿正常涌水量为525.62 m3/h，最大涌水量为587.36 m3/h，其中3-1煤正常涌水量为360.62 m3/h，最大涌水量为402.36 m3/h，2-2煤正常涌水量约为165 m3/h，最大涌水量为185 m3/h；3-1煤一盘区开采时，正常涌水量为151.16 m3/h，最大涌水量为187.4 m3/h；3-1煤四盘区开采时，正常涌水量为209.46 m3/h，最大涌水量为214.96 m3/h。

1.2 矿井排水现状

矿井现在采用直接排水方式，由2个中央排水泵房直接外排至地面污水处理厂。其中，在2-1煤主斜井井底设有1号中央排水泵房，泵房内安装3台MD280-43×3主排水泵(电机功率160 kW，流量280 m3/h，扬程129 m)，安装有两趟D219主排水管路，通过主斜井，直接排至地面污水片理厂；在回风立井井底设有2号排水泵房，泵房内安装5台MD280-43×4的水泵(电机功率220 kW，流量280 m3/h，扬程172 m)，安装有两趟D325主排水管路，通中中央胶运大巷，可直接通过钻孔排至地面污水处理厂，也可在中央胶运大巷2-1联巷处注入11-14采空区。2座中央排水泵房负责全矿井的排水任务。

1.3 3-1煤排水方案

结合涌水量数据及3-1煤水平延深开拓布置方案，考虑到3-1煤投产后，2-1煤将陆续封闭。因此，设计在3-1煤井底设置3-1煤中央排水泵房，负责后期全矿井的排水任务；在3-1煤大巷与3-1煤三盘区大巷交接处设置3-1煤盘区排水泵房，负责3-1煤三盘区或四盘区开采时的排水任务，同时考虑到矿井地面污水处理厂处理能力(约200 m3/h)有限且3-1煤开采初期水量较大，从节约投资、降低成本等方面考虑，3-1煤开采初期需将部分涌水(约170 m3/h)通过临时排水系统将水注入2-2煤二盘区采空区，剩余涌水(约190 m3/h)排至地面污水处理厂。待2-2煤全封闭后，3-1煤涌水可利用3-1煤下水平己形成的采空区进行沉淀过滤，过滤后的部分清水除井下生产、消防自用外，其余涌水外排至地面污水处理厂溢流池。

1.4 排水能力校核

根据3-1煤排水方案，3-1煤开采初期将有约170 m3/h涌水注入2-2煤采空区，此时2-2煤正常涌水量有170+165=335 m3/h，最大涌水量共有170+185=355 m3/h，同时考虑到3-1煤生产期间将消耗一部分2-2煤采空区复用水约150 m3/h，最终2-2煤正常涌水量约为335-150=185 m3/h，最大涌水量约为355-150=205 m3/h。而2-2煤1号中央水泵房正常排水能力约为280 m3/h>185×1.2=222 m3/h，最大排水能力560 m3/h>205×1.2=246 m3/h。因此，3-1煤开采初期部分涌水注入2-2煤采空区，现有2-2煤排水系统能力经以上校核满足排水需求。

2 排水设备

2.1 排水泵房设备选型

设计依据：①《涌水量资料报告》；②《煤矿安全规程》(2016年版)；③《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》(GBT 50451-2017)；④新建3-1煤中央排水泵房底板标高+1 065.20 m；地面污水处理厂标高+1 184 m；⑤排水路线从3-1煤中央排水泵房-钻孔-地面污水处理厂，单趟排水管路长度700 m。

排水设备方案：①方案一。启泵方式采用真空泵抽真空启泵，选MD450-60×3耐磨性离心泵3台，配套2台SZ-3J真空泵；水泵主要参数Q=450 m3/h、H=180 m、YB2-4502-4/400 kW/10kV(防爆)；泵房安装两趟D325×9主排管路。工作制度：正涌涌水时，1台工作、1台备用、1台检修，一趟D325×9管路工作；最大涌水时，2台工作、1台备用/检修，两趟D325×9管路工作；②方案二。选用潜水电泵，直接启泵、配电系统设在地面，电源取自地面风井场区35 kV变电站，电缆通过钻孔接入泵房；泵房选BQ550-170/2-450/W-S10 kV，潜水电泵3台，水泵主要参数Q=550 m3/h、H=170 m、YB2-450 kW(防爆)；泵房安装两趟D325×9主排管路；正涌涌水量时，1台工作、1台备用、1台检修，一趟D325×9管路工作；最大涌水量时，2台工作、1台备用/检修，两趟D325×9管路工作；③方案三。选用IS150-100-380(LXH)型离心泵5台，配套2台SZ-3J真空泵，水泵主要参数Q=218 m3/h、H=170 m、配套电机功率200 kW；泵房安装三趟D273×7主排管路。工作制度：正涌涌水量时，2台工作、2台备用、1台检修，两趟D273×7管路工作；最大涌水量时，3台工作、2台备用/检修，三趟D273×7管路工作。

方案比选：3个方案经过综合技术经济比较可知，方案一和方案三的水泵均具有汽蚀性能好，运行平稳可靠，均可满足矿井排水需要。但方案一所选水泵综合费用相对较低且从水泵的轴功率、扬程及设备总投资方面考虑方案一的综合排水效率明显优于方案二及方案三。方案二所选水泵为潜水电泵，泵房硐室施工较为简单，但设备投资费用较高，水泵尺寸较大，检修不方便。方案三所选水泵为恒压单级离心泵，水泵扬程不会因为水泵出口流量变大而压力变小，但水泵相对报价过高，数量较多且水泵市场使用率较小；因此从节能降耗及设备稳定性等因素综合考虑，故设计推荐采用方案一。

2.2 推荐方案的选型计算

排水设备能力：

排水量

QB≥24×QZ÷20=1.2×360.62=432.74 m3/h

QBmax≥24×Qmax÷20=1.2×402.36=482.832 m3/h

水泵必须的杨程：

根据计算所得，当流量为432.74 m3/h，管路公称管径为325 mm(壁厚为9 mm)时，流速为1.71 m/s，水力坡度为i=0.014 7。

HB=L×i+HC=700×0.014 7×1.1+118.8+5=135.12 m

管路阻力系数(考虑新管和结垢后的管路)：

新管时，扬程，H=Hc+kRtQ2=118.8+1×204.8×0.125=144.4 m

旧管时，扬程，H=Hc+kRtQ2=118.8+1.7×204.8×0.125=162.3 m

允许吸水高度：

电动机容量：

校验水泵的稳定性：满足0.9H0>HC条件。

式中：H0—DIU零流量时的扬程。

代入得：0.9×180=162>HC=118.8m，满足稳定要求。

排水管路壁厚的计算：

δ=δ′+c=δ′+0.15×(δ′+1)=0.52

同时考虑管路受腐蚀及管路制造有误差等因素，附加厚度可取，α=1～2 mm。经计算，排水管选用D325×9 mm型无缝钢管，吸水管选用D325×9.0 mm型无缝钢管。

排水时间校验：

正常涌水时，水泵工作1台：

新管T=24×360.62/560.3=15.45 h<20 h

旧管T=24×360.62/492.5=17.57 h<20 h

最大涌水时，水泵工作2台：

新管T=24×402.36/560.3/2=8.62 h<20 h

旧管T=24×402.36/492.5/2=9.81 h<20 h

年排水电耗：

排水初期

排水后期

吨煤排水电耗：

排水初期

排水后期

配套设备：主水泵房配套2台SZ-3J型真空泵，实现水泵无底阀排水，降低能耗。水泵启动前先关闭电动闸阀，再开启真空泵，使水泵吸水管及泵腔内产生负压后再启动电机，开电动闸阀；停泵时，先关闭电动闸阀，然后再断电停水泵电机。为防止或减轻“水锤”现象对泵体内部的冲击采用多功能水泵控制阀。

2.3 盘区排水泵房

盘区泵房位置：根据3-1煤开拓布置、煤层赋存条件、开采技术条件及首采工作面布置情况、底板等高线并结合3-1煤中央排水泵房位置，设计在3-1煤大巷末端附近设置3-1煤盘区水泵房。3-1煤中央排水泵房底板标高 +1 065.20 m；3-1煤盘区排水泵房底板标高：+1 094.83 m。

确定水泵台数：选择排水泵为MD280-43×2多级耐磨离心泵3台；正常涌水时，1台工作；1台备用；1台检修；最大涌水时，2台工作；1台备用/检修。为了实现泵房内的自动化控制，在泵房内安装真空泵2台与排水泵配合使用，其型号为：SZ-3J。

2.4 排水管路敷设

钻孔管路：钻孔管路设计时要根据钻孔柱状图及采掘工程平面图进行。地表松散层要设置大于排水管路一级的套管，且要深入正常基岩2 m，正常基岩不设置套管。管与孔壁之间、管与管之间要用水泥砂浆充填密实。钻孔中的各管路均采用等强对接焊接且焊缝质量等级不小于Ⅲ级，焊缝高度不小于钢管壁厚。

大巷排水管路：在3-1煤辅运大巷和回风大巷各敷设一趟D108×4的临时排水管路；在3-1煤主运大巷敷设两趟D273×7主排水管路及一趟D108×4的临时排水管路；3条大巷淋水通过大巷临时设置的小潜水泵(功率45 kW，流量100 m3/h，扬程80 m)直接将水排至3-1煤中央水泵房水仓。

3 采空区储水工程

3.1 采空区储水

针对矿区水资源短缺及矿井水排放受限的实际情况，哈拉沟煤矿3-1煤开采时，初期要将一部分涌水注入2-2煤二盘区采空区，后期将利用3-1煤己形成的采空区进行矿井水储存，并经沉淀过滤，进行综合利用。采空区储水时要利用已完成的综采采空区，根据煤层底板的倾斜形态由低处向高处布置，在低处要设置防水密闭，预留泄水口，进行复用或外排。还必须考虑储水范围、储水高度、蓄水量、煤柱留设、防水密闭的建设、监控装置等。在进行储水位置的选择时，要全局规划，综合考虑，采空区要形成适当的规模，确保储水的连续性。且储水区必须远离目前开采区及房采区。

3.2 防水密闭墙

矿井水通过采空区储水复用前，要在采空区与生产区之间选择适当地点设置隔离采空区储水区域的防水密闭墙。防水墙的位置应结合哈拉沟煤矿的地质条件、采空区储水区空间、采空区和生产区位置等因素进行综合考虑，应选择在坚硬、致密、稳定的煤层或岩层中，有冲击地压的区域不应设置防水密闭墙硐室。防水密闭墙的巷道前后方有巷道或采空区围岩破碎或有破坏扰动时，应对墙体周围的围岩进行注浆加固，使密闭墙墙体与围岩形成整体，同时封堵围岩裂隙，提高围岩的完整性和强度。

3.3 采空区水利用

为了有效提高矿井水资源化水平，对井下污水进行再利用。由于采煤设备对水质要求较高，采空区水沉淀过滤后直接使用，对设备损坏较大，故障率也会提升。而直接在地面处理后再排至井下使用，会使流程复杂化，成本也会增加。所以需要对采空区水进行井下处理就地复用。目前哈拉沟煤矿2-2煤已建成一座除铁、除锰的水净化处理装置。该装置主要工作原理为：采空区水沉淀过滤后经原水泵将清水注入处理装置中，在此过程中，要通过加药装置将氧化剂经风压和清水搅拌均匀后一起与清水注入处理装置，再结合处理装置中的天然锰砂、石英砂、无烟煤、滤料将水中铁、锰离子去除。去除后的水通过静压流入清水池，然后经加压泵房加压后给工作面生产用水及巷道消防用水。

4 结语

通过哈拉沟煤矿3-1煤主排水系统的设计，提高了3-1煤开采时整个系统的可靠性和安全性，在排水系统设计过程中，充分利用采空区储水，经沉淀过滤后井下复用。减轻了地面污水处理的能力，降低对淡水资源的使用，推动了煤炭排水领域的发展，解决了矿区水资源紧缺的难题。