大涌水量千米深井主排水系统设计问题探讨

于功江

(中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120)

随着矿井开采深度的不断增加，建设了越来越多的千米深井，部分深井涌水量巨大，水温高且矿井涌水有腐蚀性。矿井很深、涌水量大、排水温度高及水质差等均为排水设计的恶劣工况，这些不利工况给矿井的主排水设计带来了种种困难。尤其是在数个恶劣工况并存的条件下，排水系统的设计更需考虑和注意各个环节可能存在的问题，特别是水泵选择、泵房散热、管路选择及安装等方面应在设计和施工中加以注意，方能保证系统安全可靠运行。

1 设计注意问题探讨

1.1 水泵选择

针对千米深井、大涌水量的矿井，推荐首选高扬程、大流量水泵，这样可以减少水泵台数，实现直排，达到简化系统的目的。但针对矿井不同条件，水泵的选型需考虑不同因素对选型设计的影响[1，2]。

1.1.1 高水温

深井排水往往伴随着地热，水温较高，势必会影响水泵的吸程，因此在设计计算时，除了海拔，还应将水温对水泵吸程的影响考虑进去。选择常规的水泵，吸程很低，水泵很容易造成气蚀，影响水泵运行寿命。通过降低水仓高度来满足水泵吸水高度会造成水仓面积过大，增加投资太多，极不经济[3]。因此提高水泵的吸水高度是理想的做法，提高吸程通常有两种方法：①水泵选型时应选择必需气蚀余量小、吸程高的水泵，水泵可选择双吸泵或采用带有诱导轮的水泵，提高抗气蚀性能；②采用子母泵的方式，即在卧泵的吸水口前加装潜水泵给卧泵喂水，解决水泵吸程较低的问题。这种方式的优点是节省了射流泵系统，但这种方式需子母泵密切配合，增加了系统的复杂性，增加了配电控制系统的投资，同时降低了系统的可靠性。以上两种方式都可以帮助解决水泵吸程问题，设计时可根据实际情况确定方案。在两种方式都能满足的情况下，建议使用方法①，这样可以简化系统，提高系统可靠性。

1.1.2 矿井水质

水泵的选择同时应考虑矿井涌水水质问题，在对水质酸碱度较高的矿井进行调研中发现，多数水泵的使用寿命在两三个月，主要损害原因是水质酸碱度过高对水泵叶轮的腐蚀，造成水泵的损坏。在这个过程中往往伴随着水泵效率的降低，增加电耗等问题。因此在水泵的材质上应根据矿井水质情况有针对性的选取，这样虽然初期投资会提高，但使用寿命会明显增加，大大减少水泵检修和更换次数，增加矿井排水的安全性。同时水泵的效率降低较慢，比普通材质水泵节能效果明显，综合经济效益同样明显提升[4]。

1.1.3 电机匹配

大涌水量的矿井，选择大排量水泵可以减小水泵台数，简化系统，同时大排量水泵的效率通常比小涌水量的水泵要高，有很好的节能降耗效果，但水泵的设计选型时应注意和电机相配合，综合选取。由于大功率电机使用并不是很多，取得煤安证的隔爆型电动机最大功率在3000kW左右，所以选用更大水泵时，也受电机功率限制，因此建议水泵选型过程中，匹配电机最大功率建议控制在3000kW左右，如特殊情况需要选择更大电机，应和生产厂家沟通解决[5]。

1.2 泵房散热

大涌水量矿井，水泵台数多，配套电机也多，且功率大。所以水泵运行时电机总发热量很大，水泵房的温度非常高，如果还伴随着地热问题，问题会更加严重，如不妥善解决，会造成设备温度过高而停止运转，危及矿井生产安全。对于安装有多台大功率电机的水泵房，解决散热问题主要采用两种方式，一是通过加大泵房通风量，主要是通过增加局部通风机的方式增加水泵房通风量。还有就是将冷却电机出来的热风通过管道的方式直接排至大巷中，然后通过主通风系统将热量带走。在实际应用中，采用以上两种方式配合使用，效果会更好。但设计初期应和矿井通风系统密切配合，将电机散热量与系统通风设计配合，增加通风量，满足散热要求。

采用管道将热量送出泵房的这种方式，在电机的订货要求中，应提前要求电机带有出风口法兰，这样便于将热风导风通道安装在电机出风口处，方便热风导出。

在有地热灾害的矿井中，通常矿井会设有井下降温系统，可考虑将冷风送入泵房的方式给泵房降温，效果更好。

1.3 管路选择及安装

通常设计中，水泵运行采用单泵对单管的运行方式。这样设计，设备运行稳定，运行工况最好，因此在条件允许的情况下建议优先选用单泵对单管的运行方式。但对于涌水量大的矿井，单泵单管运行方式的问题是管路数量过多，需要增加井筒直径。但在深井的情况下，井筒设计要尽量缩小井筒直径，可减小投资。特别是地质条件复杂的情况下，增大井筒直径直接增加了钻井的复杂性和危险性。因此井筒的大小和排水管路的选择方式成为了一对矛盾。

为了减少管路数量，缩小井筒直径，设计可采用两泵一管并联运行的方式，这样设计的缺点就是管路直径较大，带来了管重，水重，管路温度力等都非常的大等问题，常规设计的话，直管座采用托架梁进行支撑非常困难。所以针对这样排水系统复杂的矿井，建议设计初应做好系统各个节点的设计，井筒施工时留好梁窝，直管座梁在条件允许的情况下采用预埋的方式。如果受到井筒施工的限制，如井筒的施工方法采用冻结施工等，必须采用托架支撑，则需要通过优化设计降低托架受力，满足托架的承载要求。

减小托架承载力的方法如下：

1)提高管路材质减小温度力。管路的材料通常采用20号钢，千米深井的管路，由于压力比较大，且管径也大，壁厚会非常厚，管重和温度力都会非常大，针对这种情况，建议提高管路材质，如选用Q345的钢材，这样会大大降低管路壁厚，减小管重和温度力，效果明显。

2)加装管路伸缩器的方式减小温度力。为减小温度力，可采用加装了管路伸缩器的方式清除温度力。常规做法是在每个直管座梁的下方加装伸缩器，但考虑到伸缩器的价格非常贵，同时压力很大的伸缩器产品可靠性有待验证，因此可以在井筒最上部温度变化大的位置加装。同时应同采矿专业配合，确定地质层变形较大的部位应给与加装。在调研发现有的矿井地质层沉降较大，会出现局部变形，造成管路弯曲幅度很大，影响罐笼或箕斗的运行，所以应在此层加装，抵消井筒沉降对管路的影响。

3)分散直管座管路支撑，减轻支撑梁的受力。直管座支撑管路时，管路对直管座的受力不是很大的情况下，通常采用条梁支撑多个管路的设计，但对于管路受力很大的情况，往往设计托架不能满足过大的受力，这时候可采用减少直管座量支撑管路数量和增加直管座梁的数量来解决。达到降低托架受力，使得托架支撑能满足要求。

2 实际设计案例

北京华宇工程有限公司设计的甘肃庆阳煤电新庄煤矿就是这样一个数种不利工况并存的矿井。

2.1 新庄矿井排水系统基础条件

新庄矿井属于水文地质条件复杂矿井，主排水采用直接排水系统，在副立井井底车场附近设有水仓及主排水泵房。新庄矿井设有在主井工业场地和副井工业场地，两个场地相距约3km。由于场地限制，井下水处理站只能设置在副井工业场地，因此，管路只能在副立井内敷设。由于地质条件原因，新庄矿井副立井提升采用冻结法施工，井筒尺寸在条件允许的情况下要尽量小。

2.2 新庄矿井排水系统设计

设计选用MD600-118×9型矿用多级离心泵8台，配YB800M1-4型(2800kW、10kV、1480r/min)矿用隔爆异步电动机，正常涌水时每2台1组并联1趟管路运行，共4台(2组)同时工作，3台备用，1台检修；最大涌水时共6台(3组)同时工作。排水管路选用DN450无缝钢管3趟，2趟工作，1趟备用，沿副立井井筒敷设，井筒管路分段选择壁厚，排水系统如图1所示。工况点参数：

新管(并联)：流量1261.6m3/h、扬程1030.0m、效率76.5%、轴功率4767.0kW(单趟管路两台水泵)。

旧管(并联)：流量1225.9m3/h、扬程1048.9m、效率76.6%、轴功率4710.2kW(单趟管路两台水泵)。

新庄矿井设有主井工业场地和副井工业场地，两个场地相距约3km。由于场地限制，井下水处理站只能设置在副井工业场地，因此，管路只能延副立井敷设。由于地质条件原因，新庄矿井副立井采用冻结法施工，井筒尺寸在条件允许的情况下要尽量小。综合以上原因，如果采用单泵单管运行方式，主排水要6趟管路，再加上强排系统管路，管路过多，井筒直径过大，不仅不好布置，且井筒施工困难增大，综合考虑放弃了单泵单管的方案。

新庄矿井选用MD600-118×9型气蚀性能好的水泵，标准流量下的必需气蚀余量为3.5m，考虑海拔和温度影响后水泵的允许安装高度为5.5m，满足矿井排水要求，同时由于新庄矿井涌水有较强的腐蚀性，根据水质情况，水泵设计采用不锈钢材质。水泵配套电机选用YBKK型(2800kW、10kV、1480r/min)矿用隔爆异步电动机，有满足井下排水使用的电机。

对于泵房散热问题，考虑到矿井有降温系统，采用将冷风送入泵房的方式给泵房降温，效果更好，因此采用这种方式给泵房降温。同时为增加主排水泵房的安全运行系数，在电机的订货要求中，要求电机带有出风口法兰，便于将热风到导出，帮助泵房降温，保证系统运行安全。

由于新庄矿井井筒采用冻结法施工，除了底部均无法预留梁窝，因此设计尽量减小支撑梁的受力，以满足托架受力要求。新庄矿井采用20号钢时，井筒底部管路壁厚达到了30mm。针对这种情况，新庄矿井管路材质选用Q345的钢材，这样会降低管路壁厚，换材料后，井筒底部底部管路壁厚25mm，大大减小管重和温度力，效果明显。

图1 新庄主排水系统图

为进一步减小温度力，新庄矿井在温度变化最大的区域，井筒顶部管路支撑梁的底部加装了管路伸缩器。设计同时考矿井上部黄土地层的厚度，在上部第二层支撑梁底部也加装了管路伸缩器，用以抵消井筒沉降对管路的影响，同时可以减小温度力的影响。

新庄矿井副井管路很多，敷设有3趟主排水管路、3趟应急排水管路，同时还有压风管路、注浆管路、注氮管路及消防洒水管路等。在直管座梁的支撑管路的设计上，为减轻托架的支撑力，设计直管座支撑梁采用重管配轻管的原则，比如1个支撑梁支撑1趟排水管和1趟压风管，降低托架受力，使得托架支撑能满足要求。

3 结 论

1)千米深井、涌水大、且伴有地热等复杂工况排水系统设计，应考虑：海拔、水温、水质及电机功率对水泵选型的影响。

2)泵房的散热问题设计初期应综合考虑，提前考虑电机订货、泵房通风系统的设计等。

3)井筒管路设计时应考虑减小梁的受力，如采用提高管路材料强度，降低管路壁厚达到降低管重和温度力，增加管路伸缩器及合理分配支撑梁支撑管路的方式。

同时设计初期应系统考虑排水方案，结合排水系统合理性，地质条件等，在整个矿井井筒动工前同各个专业协商优化方案，避免施工图设计阶段出现配合不到位的问题。