煤矿井下大型抗灾排水泵房优化设计

魏 洋，张迎春，盛朝辉

(1．中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2．陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

随着高产高效大型矿井的发展，煤矿井下水害已成为严重影响煤矿安全、高效生产的重大关键问题之一，尤其水文地质条件复杂、极复杂或有突水淹井危险性的矿井。为有效遏制煤矿开采过程中由于透水等水灾事故对井下生产安全和人员的危害，在水灾事故发生时，保证矿井救灾排水系统及时启动，强行排水[1-3]，在矿井设置抗灾排水系统已经成为必不可少的水害防治手段。

1 工程概况

纳林河二号井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内，行政区划隶属乌审旗无定河镇管辖。西北约63 km处为乌审旗政府所在地嘎鲁图镇，向东40 km可达陕西省榆林市横山县，从横山县向东北约60 km可至陕西省榆林市。矿井设计生产能力8.0 Mt/a，装备一个3-1煤大采高综采工作面，一个3-1上煤综采工作面，2个连掘工作面，2个掘锚工作面；服务年限61.6 a。矿井水文地质条件复杂，矿井正常涌水量912 m3/h，矿井最大涌水量1 140 m3/h。抗灾排水系统中排水设备设置在井下31盘区排水泵房附近，排水管路沿排水钻孔敷设。抗灾排水量1 180 m3/h，排水垂高609 m，排水距离约820 m。

2 井下抗灾排水泵房工艺布置设计

2.1 传统抗灾泵房布置

抗灾排水泵多采用大功率矿用潜水泵，其安装布置方式主要有立式、平卧式和斜卧式安装等3种形式。立式安装方式，潜水泵受力较好，最有利于水泵运行，但吸水井与运输巷道需要有较大的落差，吸水井深度较大时不利于水泵的安装和检修；平卧式安装方式较立式安装方式井巷工程量较小，但对潜水泵轴的受力不利。尤其是在抗灾时期，潜水泵长时间高负荷运行时，易使潜水泵的轴产生不利挠度，使其轴承既受水平推力又受径向支撑力，从而大大缩短了潜水泵的使用寿命；斜卧式安装方式在受力方面和使用寿命上不如立式安装方式，但其优于水平安装方式，在巷道工程量方面，斜卧式安装方式较立式安装方式巷道工程量少，投资更省，且更易于施工，与水平安装方式接近[4-8]。综上所述，立式、平卧式和斜卧式安装方式的优缺点对比见表1。

表1 潜水泵各安装方式优缺点对比Table 1 Comparison of various installation methods of submersible pump

依据GB/T 50451—2017 《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》5.1.4 中：“泵井布置方式采用立式或斜卧式”。斜卧式布置方式有诸多优点，近年来多数煤矿抗灾排水系统采用斜卧式布置。采用斜卧式安装的强排泵房由潜水泵井、试验水源配水巷道、绞车硐室等组成。潜水泵井设计倾角约20°左右，设置用于固定潜水泵的轨道，侧边设有人行台阶；试验水源配水巷道与泵井连接处设置有配水闸阀；潜水泵井附近没有用于提升、下放及检修用的潜水泵绞车硐室[4]。

2.2 纳林河二号矿井抗灾排水泵房设计

2.2.1 原设计概况

纳林河二号矿井水文地质类型为复杂型，《煤矿安全规程》第308条规定：水文地质条件复杂、极复杂或有突水危险的矿井，应当在井底车场周围设置防水闸门或者在正常排水系统基础上另外安设由地面直接供电控制，且排水能力不小于最大涌水量的潜水泵。矿井选用防水闸门能够起到分区隔离、减少矿井水害损失的作用，但防水闸门在制造、安装和使用过程中也存在以下缺点：防水闸门要求有较好的抗压及防水密封性能，该设备投资成本较高；矿井发生突水透水事故后，要在多处同时关闭防水闸门，然而在透水发生时，一般来水非常快、水量极大，井下根本无法实现多处同时关闭防水闸门，且日常管理复杂；防水闸门主动抢险排水能力差。

2.2.2 矿用潜水泵选型及布置

相比防水闸门，抗灾潜水泵排水量大、水泵扬程高，而且能实现远程和就地控制，泵房淹没后仍能正常工作，较防水闸门变被动堵水为主动排水，对避免淹井有着极其重要的意义[7-10]。纳林河二号矿井地处蒙陕矿区，该区域开采深度大，主采煤层受多层含水层威胁[11]。考虑到矿井开采深度对于设备选型的影响，为了煤矿抗灾排水系统的安全可靠运行，提高抗灾排水的主动性，对比防水闸门和抗灾潜水泵方案，本矿井设计考虑在正常排水系统基础上增加抗灾潜水泵方案。根据抗灾排水量、排水垂高和排水距离等条件，设计选用2台BQ1100-680/8-3150/W-S矿井潜水泵，2台同时工作[12-13]，水泵主要技术参数见表2。本矿井抗灾排水泵采用斜卧式布置，为减少矿建工程量，水泵吸水井采用矩形深井，底部采用倾斜水泵支架固定，水泵泵体与吸水井底板成一定倾角，吸水井与主排水泵房配水巷连接，配水闸阀控制引水，用于水泵的定期试运行。抗灾排水泵房设起吊梁，采用单轨小车配合手拉葫芦进行安装、检修。

表2 矿用潜水泵主要技术参数Table 2 Main technical parameters of mine submersible pump

2.2.3 实施方案

设计过程中，根据现场实际，主水仓入口目前有1#、2#这2个水仓入口，水仓入口段坡度形式如图1所示。根据矿井最新水文地质资料和矿井涌水量，经核算一个水仓入口即可满足汇水需要。结合水仓施工现状，为减少抗灾泵房矿建工程量，经方案论证，设计确定利用水仓1#入口段改造为抗灾潜水泵房硐室。对比传统形式，对原设计进行优化，抗灾排水泵房及水泵安装形式如图2所示，优化主要表现在抗灾排水泵房采用“4°～9°”变角度形式布置；在抗灾排水泵房与水仓连接处设置挡墙，吸水井中设置集泥坑；抗灾水泵房硐室出口设置检修绞车硐室；潜水泵采用“并作错位”布置。

图1 水仓入口段坡度形式示意Fig.1 Schematic diagram of slope at inlet section of sump

图2 抗灾排水泵房及水泵安装示意Fig.2 Disaster resistant drainage pump room and pump installation

3 实施方案优化分析

3.1 抗灾排水泵房技术经济合理性分析

吸水井上段对原水仓6°斜坡起底至9°，作为抗灾排水泵房设备安装的运输通道，待进入原水仓底部2‰坡度时，起底改造为4°坡。技术方面，该方案保证了水泵的斜卧式安装，确保水泵运行安全可靠；经济方面，该方案采用“4°～9°”变角度布置较全程采用9°节省工程量为147.3 m3，墙高降低0～1.47 m，减少了矿建工程量，更易于支护。

3.2 抗灾排水泵房吸水井合理性分析

抗灾排水泵房与水仓连接处设置挡墙代替配水闸阀，挡墙具有隔断水仓的作为，并且可以实现水仓的一次挡淤，防止水仓内的杂污进入吸水井。吸水井清理前，降低水仓水位，通过水仓上部水位下降后水仓巷道顶部形成空隙解决通风问题，保证抗灾排水泵房内有足够空气，确保工作人员安全。吸水井清理工作也可与水仓清理同步进行，避免水仓水位降低工作的重复。吸水井中设置集泥坑，保证抗灾潜水泵入口处水流充分沉淀，便于集中清理。

3.3 抗灾排水泵维护检修便捷性分析

在抗灾水泵房硐室出口设置检修绞车硐室，取消起吊设备，采用“绞车-轨道”形式提升检修。硐室开凿时，可以采用绞车便捷、安全、高效地将硐室掘进碎石通过矿车运出；水泵检修时，可以利用绞车将抗灾水泵提升至检修平段，检修结束后，下放水泵并固定，钢丝绳可以不拆除。

3.4 抗灾排水泵运行安全性分析

抗灾水泵的跳闸水位传感器与水仓底板平齐，挡墙高出跳闸水位传感器1 m，保证了水泵运行达到安全水位线，确保水泵的正常启停，避免水泵脱水运行。水泵布置中心距2.1 m，前后错位2.0 m，排水管路沿运输通道悬臂固定。潜水泵采用“并排错位”布置方式，加大了水泵吸水口间距，保证硐室断面的充分利用，有效避免了吸水口的抢水现象，保证水泵正常吸水。

4 结论

(1)在设计阶段，提出了“施工便捷化、安装简单化、维护方便化、运行可靠化”设计思路，突破了传统抗灾排水泵房的布置方式，取消了起吊设备、优化了吸水井实施方案、优化了吸水井的通风方式，提高了抗灾水泵房硐室的利用率和使用环境。

(2)设计优化后的抗灾潜水泵房，在施工便捷、安全运行、设备检修、工作环境等方面取得了显著的效果，对国内抗灾排水泵房的设计与应用有一定的借鉴和指导意义。