浮船泵站在先锋露天煤矿的应用

何以剑，肖国强，邹志刚，王 然，毛永祥

（1.昆明煤炭设计研究院，云南 昆明 650000；2.云南先锋煤业开发有限公司，云南 昆明 650224）

我国南方露天煤矿主要分布于云南省，具有代表性的矿山如：云南省小龙潭矿务局布沼坝露天矿，规模1 400万t/a；山心村露天煤矿，规模500万t/a；先锋露天煤矿，规模300 t/a等。受季风气候影响，南方露天矿山采掘场排水特点：旱、雨两季排水极不均衡，旱季时排水量极少或不排、雨季时大量排水。目前矿山基本采用半固定泵站排水，暴雨或特大暴雨时常出现淹泵事件。

近年来个别矿山开始探索浮船泵站排水，但因制造过于简单粗糙，曾发生进水沉没，使用存在风险，且浮船缺少与岸边的连接通道，系统不健全，造成许多不便。

以先锋露天煤矿为例对矿山采用的半固定泵站排水存在的问题进行了分析，并对浮船泵站在露天煤矿采掘场排水中的应用进行了研究。经过分析总结，浮船泵站在提高制造水平、完善系统组成的情况下，在露天煤矿采掘场排水中应用优势明显，可彻底解决矿山淹泵事件，保障矿山正常安全生产。

1 矿山概况

先锋露天煤矿位于云南省昆明市寻甸回族、彝族自治县境内，该区为亚热带高原季风气候区，干湿季分明，雨量多集中在5—9月间，约占全年降雨量的81%。年平均降雨量为1 018.6 mm，年最高降雨量1 328.3 mm，日最大降雨量为142.4 mm，长历时降雨天数为25 d，降雨量为292.6 mm。2018年前矿山采用半固定泵站排水，因泥沙淤积严重水仓有效容积不足，暴雨时大量降雨汇水涌入矿坑，曾出现数次淹没泵房事件。

为避免泵房淹没，矿山曾采取提高泵房标高，增大坑底水仓有效容积的办法解决。由于矿山泥沙淤积速度达2.23万m3/a，且难以清淤，水仓有效容积呈快速减小态势，暴雨淹泵问题始终困扰矿山生产。2017年应矿山委托昆明煤炭设计研究院对浮船泵站在先锋露天煤矿的应用进行设计，2018年浮船泵站正式投入矿山使用，至今历时2个雨季和数次暴雨考验，矿山未发生淹泵事件。

2 半固定泵站排水方式及存在的问题

2.1 半固定泵站排水方式

先锋露天煤矿采掘场半固定泵站[1]排水方式工艺系统由坑底水仓、半固定泵站、离心泵、排水管路及供配电系统组成，先锋露天煤矿采掘场半固定泵站排水工艺示意图如图1。

图1 先锋露天煤矿采掘场半固定泵站排水工艺示意图

系统特点：于采掘场最低洼位置开挖水仓储水，岸边挡墙支护后设置半固定泵站及配电室，离心泵安装于半固定泵站内，离心泵通过吸水管吸水后加压由排水管排出采场。正常生产时采场每年需降深10 m，半固定泵站需随采场降深每2年移设1次。

先锋露天煤矿坑底水仓开挖于2014年，水仓底标高为＋2 061.5 m，排水泵房布置于＋2 072.5 m水平，坑底水仓储水容积为20万m3。因泥沙淤积，2017年雨季前水仓容积减少至13.46万m3。因离心泵吸水高度限制，水仓容积13.46万m3中，有效容积仅为9.43万m3（最低吸水标高+2 068.5 m水平以上），无效容积为4.03万m3（最低吸水标高＋2 068.5 m水平以下）。

2.2 存在的问题

2017年9月14日，矿区突降特大暴雨，水仓水位快速上涨，其中凌晨3—4时上涨最快，仅1 h内汇入水仓的水量达6万m3，最终淹没坑下排水泵房，淹没标高为＋2 073.2 m，淹没高度达0.7 m。

2.2.1 暴雨时半固定泵站淹没风险较高

为判断现有半固定泵站淹没风险程度，对99%、50%、20%、10%、5%、2%等不同暴雨频率下，采掘场坑下最大积水Qj为[2]：

式中：Qj为采掘场积水量；m3；Qa为采掘场地下涌水量，m3；Qb为采掘场暴雨汇水量，m3；Qp为水泵排水量，m3。

1）采掘场地下涌水量Qa。根据矿山生产实际，采掘场地下涌水量3 082 m3／d，Qa=3 082-T，式中：T为排水天数。

2）采掘场暴雨汇水量。参考云南省暴雨统计参数图集，根据皮尔逊Ⅲ（P—Ⅲ）型曲线确定99%、50%、20%、10%、5%、2%等不同暴雨频率下。

采场暴雨汇水量[3]Qb为：

式中：Qb为坑内T日暴雨汇水量，m3；F为目前采场汇水面积，F=2.345×106m2；HT为设计暴雨频率下降雨历时T天内暴雨量，HT=H1×Ta；H1为设计暴雨频率下1 d暴雨量值；T为长历时暴雨天数；a为长历时暴雨衰减系数；αb为暴雨径流系数，按煤-泥岩选取，长历时选取暴雨αb=0.5。

3）水泵排水量。矿山现有3台DFSS200-670型离心泵和2台DFSS200-520A型离心泵排水，现有的5台离心泵总额定排水能力3 371 m3/h，受设备老旧磨损及排水管路结垢等影响，水泵实际排水能力已降效。现有离心泵排水能力约为2 696.8 m3/h。煤矿利用现有5台离心泵全开排水，排水2 696.8 m3/h，日排水20 h。水泵排水量Qp=2 696.8×20×T=5 3936·T。

4）采掘场坑下积水计算。Qj=Qa＋Qb-Qp=3 082T＋2.345×106·H1·Ta·0.5·5 3936·T。通过对函数Qj求导得Qj’，令Qj’=0，得到极值点时变量T取值，代入函数Qj计算得出相应暴雨频率下坑下积水的最大值。寻甸地区不同暴雨频率降雨量值见表1。

表1 寻甸地区不同暴雨频率降雨量值

先锋露天煤矿坑底水仓容积13.46万m3中，有效容积仅为9.43万m3，根据表1计算出现20年一遇及以上暴雨时即会出现淹泵危险。

2.2.2 泥沙淤积严重影响水仓有效储水

先锋露天煤矿煤系地层为第三系中新统小龙潭组地层，该地层岩体软弱，矿山开采揭露后，在风化作用下岩体结构被破坏变成散体状态。雨季时在雨水冲刷、携带下，大量泥沙进入水仓，造成水仓淤积。据水仓实测图，2014—2017年3年间水仓累计淤积泥沙达6.6万m3，平均年淤积泥沙量为2.23万m3，截止2017年雨季前水仓有效容积降至9.43万m3。随着时间推移，泥沙将进一步淤积，水仓有效容积还将继续减小，今后发生5年一遇、10年一遇等较高频率暴雨均可能导致半固定泵站淹没。

2.2.3 受水泵吸水高度限制及水仓容积利用率低

水泵固定安装于＋2 072.5 m水平半固定泵站，受水泵吸水高度影响[4-6]，水仓总容积13.46万m3中，有效容积仅为9.43万m3（最低吸水标高＋2 068.5 m水平以上），无效容积为4.03万m3（最低吸水标高＋2 068.5 m水平以下），水仓容积有效利用率仅为70%，水仓容积利用率低，不利于排水。

1）泵站频繁建设，建设成本高。其它排水泵站为半固定泵站，随着生产降深泵站需每2年移设1次，泵站需频繁建设、安装，成本较高。

2）随着矿山开采泵站淹没风险进一步提高。随着矿山开采降深，今后采场汇水面积将不断增大，最大时将达5.21 km2，相比目前的2.345 km2增加，暴雨汇水量将大大增加，暴雨时泵站被淹没风险较高。

3）管理水平及供电可靠性直接关系泵站安全。暴雨时保证设备完好正常运行和及时开启水泵排水直接关系到泵站安全，半固定泵站对矿山管理水平要求较高。同时泵站容易受停电等外在不可控因素影响，供电可靠性直接影响泵站安全。

综上，传统半固定泵站排水，泵站安全受水仓有效容积、暴雨量、汇水面积、管理水平、供电可靠性等因素影响，任何一个环节出现问题均可能发生淹泵事故，且泵站频繁建设，使用成本相对较高。

3 浮船泵站排水方式

为解决半固定泵站排水存在的隐患，对浮船移动泵站排水进行了研究。浮船移动泵站排水方式工艺系统由坑底水仓、泵船、浮桥、离心泵、排水管路及供配电系统组成[7]，露天煤矿采掘场浮船移动泵站排水工艺示意图如图2。

图2 露天煤矿采掘场浮船移动泵站排水工艺示意图

系统特点：矿山于采掘场最低洼位置开挖水仓储水，水泵置于浮船上，吸水管深入水中，排水管及电缆通过浮桥于岸边相连，离心泵通过吸水管吸水后加压由排水管排出采场。

浮船移动泵站核心为浮船和连接岸边的浮桥。浮船负责承载水泵、管路、供配电设备（可置于岸边）、船上构筑物、作业人员、管道中的水，浮船无需配置动力系统，建造重点为密封及防腐。浮桥负责连接岸边与浮船，是人员和设备进入浮船作业、排水管路和电缆走行的通道，其随水面升降而浮起落下，为铰接浮桥。浮桥与岸边的搭接点位置决定了浮船运行的最高标高，搭接点位置越高浮船服务的范围越大，其允许的水仓储水容积越大[8]。

浮船移动泵站排水方式，存在如下优点：①采掘场坑底水仓水面平稳、宽阔，水中无漂浮物，较适合泵船使用；②浮船无需配置动力系统，建造工艺简单，可自行或外委建造，造价低；③浮船移动泵站无需建挡墙，泵站建设投资少；④水泵置于浮船之上，随船上下浮动，任何暴雨工况水泵均不存在淹没风险；⑤离心泵吸水管始终处于水面下一定位置，水泵作业时汽蚀小，吸水工况好，有利于发挥水泵效率；⑥吸水管随水位降低而降低，水仓储水基本可全部排出，水仓容积利用率高；⑦随着生产降深，仅水仓须两年建设一次，泵船及浮桥随之移动，无需新建设泵站；⑧设备故障、未及时开启水泵排水、停电等因素对泵站安全影响小，泵站的运行对矿山管理水平要求一般。

针对个别矿山曾出现的进水沉没问题，经现场查看，分析认为泵船沉没原因为船体制造过于简单粗糙，未做密封。今后制造过程中，通过将船体设置多个密封仓，可解决进水沉没危险。

浮船移动泵站排水方式缺点：管路沿浮桥铺设，设柔性连接，连接位置水压过大时容易损坏，须定期更换。

综上，浮船移动泵站在南方露天矿山实用性好、工艺简单、建造成本低，受泥沙淤积影响小、水泵效率高、水仓容积利用好、管理简单、可彻底解决半固定泵站淹泵风险，在降雨量丰富，暴雨频发的南方露天煤矿采掘场排水中应用优势明显。

4 结语

先锋露天煤矿目前采用的半固定泵站，水泵为固定安装，排水泵站安全受水仓有效容积、暴雨量、汇水面积、管理水平、供电可靠性等因素影响，任何一个因素出现问题均可能发生淹泵危险，且泵站频繁建设，使用成本相对较高。

浮船移动泵站，水泵随船上下浮动，破除了半固定泵站受吸水高度影响的限制，泵站服务的水仓容积可极大放大，泵站对降雨不均衡、单点暴雨反应不灵敏，对供电可靠性、管理水平要求不高，可解决传统半固定泵站排水淹泵风险，且系统简单、投资小、建造容易，是一种良好的排水方式，适合南方降雨不均衡、暴雨量大、降深速度快的露天矿采掘场排水。