矿井主排水系统设计

矿井主排水系统第一章矿井概况一、矿井简介该矿井属于某煤田一一河流区域，最高海拔+170米左右,平原最低标高+110左右，井田内多为缓岗丘陵，堆积平原和玄武岩地相间，该河蜿蜒蛇曲，横贯井田南部为老年期河流，沿河两侧有大片沼泽湿地，河宽10~15米，坡度2.6%河深1~2米，平均流量0.77米3/秒，最小流量0.23米3/秒，最大流量（暴雨后）0.85米3/秒。除此主干流外，还有季节冲沟，本区最高洪水位标高为+125米。矿井东南为背斜构造，地层倾角最大60度左右，中西部有不明显褶皱，倾角一般10〜18度，区内断层共11层，其中除F11逆断层外，F1〜F10均为正断层，断层落差最大120〜150米，最小为0〜17米。二、水文地质1、第四系孔隙含水层该河在本区段上游以粗砂含水层为主，分选性和渗透性较好，含水丰富，其厚30米以上，最宽分布2100米，分选性和渗透性由上游逐渐减弱，该河下游以灰色砾砂为主，分选性与渗透性均好，含水丰富，含水层厚度平均为15米最厚25米，分布宽1100米，水力性质为潜水，埋在地表0.6米以下，水位1.2米左右，砾砂层含水层与煤系地层直接接触，二者的联系是密切的。2、侏罗系含水带从水文地质条件和地貌来看，西部为补给区，东部为排泄区，当地下水流到大中沟时，在低洼处，形成上升泉排泄于地表，东区侏罗系含水带划分为：1）裂隙含水带，分布在120米以上，主要由中粗沙层组成，强化风隙含水带裂隙发育，含水丰富。2）孔隙含水带，含水带在120米以下，即位于强风化裂隙含水带以下，但二带无明显界限，孔隙含水带单位涌水量在0.04〜0.064升/秒.米，地下水受到到控制，总的规律是由西向东流。3）自垩系隔水带岩性为灰绿色岩，全区分布厚度不一，在背斜轴部岩基附近厚305米，两冀其它部分，平均厚160米，最低处为18.6米，单位涌水量为0.0216升/秒•米，所以视为隔水层。3、矿床充水1）地表水对矿床充水，该河由西向东横贯全区，它的注入是矿井充水的主要补给合源。2）地质构造对矿床充水的影响，主干断层F10伴生几条高度正断层，是沟通第四系含水层的煤系地层，含水层的良好通道，容易对矿井造成突然涌水和增大涌水量。3）大气降水，大气降水是地下水主要来源，砾砂含水层和玄武岩覆盖层裂隙发育是大气降水渗入补给的良好通道。4）煤系地层顶部80米以上岩石含水性强，区内百分之百的涌水部位多数岩性是中性粗砂岩，开采时要防止突然涌水。第二章矿井主排水设备选择计算一、设计依据1）矿井年产量：120万吨/年2）矿井正常涌水量：425mVh3）矿井最大涌水量：825mVh4）矿井物理化学性质：PH=75）主井地面标高：+138M6）付井地面标高：+135M7）付井倾角：23°8）付井筒直径：6M9）主井筒直径：5M10）开采水平：-150M11）沼气等级：低12）矿井供电电压：6000V13）矿井最大涌水量持续时间：70h二、排水系统的确定矿井的排水系统分为：直接排水和分段排水1、直接排水系统的特点：具有泵房少，系统简单可靠，基建投资和运行费用少，维护工作量小，需要的人员少。2、分段排水系统的特点：泵房数量多，排水设备多，技术管理复杂，基建投资和运行费用多，工作人员多。根据上述排水系统的特点，在采用直接排水时，由于只使用一套排水设备，所需用于排水的基本设备费和生产费较少，管理也比较简单。同时,依据矿井的开拓方式和涌水的大小等给定的条件，只需在井底车场副井附近设立中央泵房，将井底所有涌水直接排至地面，故本设计的排水系统采用直接排水系统。三、水泵的确定1、工作水泵的排水能力水泵必须具备的总排水能力，根据《煤矿安全规程》的要求，在正常涌水期，工作水泵具备的总排水能力为：QB2420qz24425203510m/h在最大涌水期，工作和备用水泵具备的总排水能力为:24243QBmaxqmax825990m/h2020式中：Qb—工作水泵具备的总排水能力，m3/h；QBmax—工作与备用水泵具备的总排水能力，m3/h；qz—矿井的正常涌水量，m3/h；qmax—矿井最大涌水量，m3/h。2、水泵所需扬程的估算由于水泵和管路均未确定，因此就无法确切知道所需的扬程，一般可由下面公式来进行估算：Heg15013540.8231.2m式中：Hb—水泵扬程，m；He—测地高度，一般取He井底与地面标高差4，m；g—管路效率。当管路架设在斜井，且倾角a30~20时，g0.8~0.77；3、初选水泵的型号依据计算的工作水泵排水能力Qb和估算的所需扬程HB及原始资料给定的矿水物理化学性质和泥砂含量，从泵产品样本中选取200M—43X6型矿用耐磨离心泵，其额定流量Q288m3/h，额定扬程He244.8m，转数1480r/min，电机功率315kW，效率高达80%。贝卩：工作泵台数nQb5101.77，取ni2。Qe288备用泵台数n20.7ni0.721.4，取n22。检修泵台数n30.25m0.2520.5，取n31水泵总台数nn1n2n32215台四、排水管路的确定1、管路趟数根据泵的总台数，在满足《煤矿安全规程》的前提下，在井筒内布置以不增加井筒直径的原则，选用典型五泵三趟管路的布置方式（如图1所示），其中二条管路工作，一条管路备用。2、选择排水管因为管径的大小涉及排水所需的电耗和装备管道的基本投资，若管径偏小，水头损失大，电耗咼，但初期投资少；@HB@§图1泵房管路布置图若管径选择偏大，水头损失小，电耗低，所需的初期投资费用高。综合两方面考虑，可以找到最经济的管径，通常用试取管内流速的方法来求得，。0.0188Qp0.01882881.5~2.20.215~0.261m式中：d'p—排水管内径，m;Qg—通过管子的流量,p—排水管内的流速,经济流速取p1.5~2.2m/s从YB23—70钢管规格表中预选2457钢管,则排水管内径dp24527231mm。3、验算壁厚0.5dp(.:0.4：1)c0.523.1(0.15800.40.011231.2801.30.011231.2)0.47cm1.3cm因此所选壁厚合适。式中：dp—标准管内径，cm；z—许用应力，无缝钢管取8MPa；p—管内水压，估算P0.11Hb，MPa；C—附加厚度，无缝钢管取C0.1~0.2cm4、选择吸水管d'xd'p0.025(0.215~0.261)0.0250.240~0.286m由d'x和d'p从标准YB23—70钢管规格表中选取273828257mm。的无缝钢管，内径dp273验算流速2881.54m/s3600—0.25724Qx23600—d；45、计算管路特性管路布置采用五泵三趟管路(如图1所示)的布置方式，。任何一台水泵都可以经过三趟管路中任一趟排水，(如图2所示)。估算管路长度排水管长度可估算为lpHe(40~50)329~339m，取Ip330m,吸水管长度可估算为lx7m。阻力系数Rt计算计算沿程阻力系数。对于吸、排水管分别为：0.021X,0.3dx0.021(0.231)0.0326图2管路布置图0.021■0.3dp0.021(0.257)0.30.0316局部阻力系数，对于吸、排水管路附件其阻力系数分别列于表1、表2中表1吸水管路附件其阻力系数吸水管附件名称数量系数值底阀13.790°弯头10.294收缩管10.14.094表2排水管路附件其阻力系数排水管附件名称数量系数值闸阀20.2620.52止回阀11.7四通121.5390°弯头40.29451.47直流三通40.742.8扩大管10.530弯头20.2942/30.19610.186管路阻力损失系数Rt，其值为:0.0827(203.5415855.25938.473577.42)254251700.64s/m2.2110h/m式中：Lx、Lp—吸、排水管的长度，m；dx、dp—吸、排水管的内径，m;x、p—吸、排水管的沿程阻力系数，对于流速Rtlx&IpP5dpxdTpdj1一)89.807[0.03267(0.257)50.0316330(0.231)54.094(0.257)410.186](0.231)4]1.2m/s，其值可按舍维列夫公式计算如下:0.021—吸、排水管附件局部阻力系数之和，可查阻力损失系数表得，g—重力和速度，g9.807m/g2。管路特性方程22HHeKRtQ2891700.64Q(m)绘制管路特性曲线，确定工况点，根据管路特性方程，取六个流量求得相应的损失（表3所示）。表3Q/m3?h1100150200250300350H/m291.2294297.8302.8308.9316.1利用表3中各点数据绘出管路特性曲线（如图3所示），图3管路特性曲线与泵特性曲线管路特性曲线与扬程特性曲线的交点M即为工况点，由图中可知，工况点参数为Qm328m3/h，Hm420m,m0.79，Hsm5.4m,Nm520kW，因m大于0.7，允许吸上真空度Hsm5.4m符合《煤矿井下排水设计技术规定》要求。五、校验计算1、由工况点验算排水时间正常涌水期和最大涌水期每天必须的排水时间为Tz24qz1QM24425232815.5hTmax24qmax(nin2)QM24990432818.1h式中：Qk—工况点流量m/sqZ—正常涌水量m3/nqmax—最大涌水量m3/n无论正常涌水期和最大涌水期，每昼夜的排水时间均不超过20小时，符合《煤矿井下排水设计技术规定》规定。2、经济性校核工况点效率应满足m0.85max。0.790.85max故经济性满足要求。3、稳定性校核单级平均额定扬程必须大于管路的测地高度。He2890.9iH。0.9425382.5m4、计算允许吸水高度取Pa9.8104Pa，pn0.235104Pa，9.8103N/m3，则允许的吸水高度为：HxHxm10直直0.248?glxx5dx1)Qm5.4109.81049.81030.248『0.032679.807[(0.257)54.09414(0.257)41.83m六、电动机功率计算根据工况参数，可算出电机必须的容量为:N'dKdQmHm100036001.139.810328420100036000.79522kW根据产品样本取汕630kW七、电耗计算1、全年排水电耗EQm2Hm2〔OOO3600m2cd[nzTz「znmaxTmax「max]式中9.8103328420[215.5295418.170]100036000.810.950.9565.82410kWh/Ynz、nmax—年正常和最大涌水期泵工作台数；「z、rmax—正常和最大涌水时期泵工作昼夜数；Tz、Tmax—正常和最大涌水时期泵每昼夜工作小时数;c—电机效率，电网效率，传动效率2、吨水百米电耗校验3283.6730.810.950.952893.673M2cdHc0.4280.5kWh/(t100)et100第三章水泵房及水仓一、泵房位置泵房设在-150井底车场，与井下中央变电所相联，并用防火门隔离。泵房设有两个出口，一个与井底车场连通的水平通道，这个通道设一个即能防火又能防水的密封门，另一个通道用斜巷通到付井井筒，其出口高度高出井底车场8米，泵房的地面高度应高出井底车场0.5米，并向吸水井侧有1%的下坡。二、泵房尺寸根据《煤矿安全规程》规定，水泵房至少有2个出口，一个出口用斜巷通到井筒，并应高出泵房底板7m以上；另一个出口通到井底车场，在此出口通路内，应设置易于关闭的既能防水又能防火的密闭门。泵房和水仓的连接通道，应设置可靠的控制闸门。泵房轮廓尺寸应根据安装设备的最大外形、通道宽度和安装检修条件等确定。1、泵房的长度：LnL'l(n1)式中：n—水泵的台数；L'—水泵机组(泵和电机)总长度；A—水泵机组的净空距离，一般取1.5〜2.0m。LnL'l(n1)54.4161.6(61)37.7m2、泵房的宽度Bb]b2b3式中：b1—水泵基础宽度；b2—水泵基础边到有轨道一侧墙壁的距离，一般取1.52.0m;b3—水泵基础边到吸水井一侧墙壁距离，一般取0.81.0m。Bbib2b30.821.70.93.42(m)故泵房宽度取4m3、泵房的高度水泵房的高度应满足检修时的起重要求(一般取3.0〜4.5m)和水泵工作轮直径的尺寸要求来确定。当工作轮直径Di350mm时，泵房的高度为4.5米，因为200M—43X6工作轮直径为450mm故取4.5m。当工作轮直径Di350mm时，取泵房的高度为3米。三、水仓的确定根据《煤矿安全规程》规定，在井底车场建二个水仓，即建一个主仓，建一个副仓，当一个水仓清理时，另一个水仓能正常使用。水仓的断面采用了拱形断面。四、水仓容量的确定按能容8小时正常涌水量的要求设计，为了使矿水中的大部分颗粒沉淀于仓底，水仓中的水位以小于0.005米/秒的速度在仓中流动，而且在水仓中的流动时间应小于6小时。水仓巷道长不应小于108m，即L3600Vt36000.0056108m，取水仓的长度115m水仓容量：VQt42583424m3第四章节能设计煤矿主排水设备能耗量在整个矿井生产费用中占有相当的比重，寻求节能途径、提高设备运转的经济性，在矿井生产中有着特殊的意义。现就某矿主排水设备节能运行方案进行论证。一、无底阀排水取消吸水管底阀，改用无底阀排水。取消底阀后，吸水管阻力减小，使吸水管路阻力系统降低，气蚀工况点向大流量区移动，增大了水泵的安全工作区，有效地防止了气蚀产生，保证了水泵的安全运行；其次可以提高管路效率，降低电耗；再则还可以避免由于该矿水泥沙较大而经常发生的底阀堵塞故障。由上可知，取消吸水管底阀，改用无底阀排水，在经济上是合理的，在技术可行的。在采用无底阀排水的基础上，再进行泵、管的合理联合运行，能取得更为明显的经济效益。二、“绿色”流水通道每年雨季来临时，工作面先后进入顶板富水区，采面平均涌水量120mVh,，涌水从切巷及两巷携带大量粉煤进入110m运输大巷和-100m回风大巷，虽然经过2000m的水沟进行沉淀后进入水仓，但不仓仍然需15d清挖一次。随着涌不量的增加，煤粉的沉淀速度远大于清挖的速度，“绿色”流不通道的设计及势在必行。1、“绿色”流水通道的设计目的如果矿井水仓中的内环因沉淀物淤满，而外环正在清挖时，将“绿色”流水通道内的配水阀门打开，让矿井所有涌水，不直接由乘人车场进入中央泵房配水井，从而保证正常排水，为外环水仓清挖工作赢得宝贵的时间：当外环水仓清挖完毕后，及时关闭水阀门，执行原来的排水程序，然后再清挖内环水仓。2、“绿色”流水通道的设计从乘人车场处开口向中央泵房施工32m的流水通道，采用锚网喷支护，半圆拱1mx1m水沟与中央泵房的5#吸水井相通（如图4所示）。按照《煤矿安全规程》第二百七十九条规定，通道应设密闭门，但考虑泵房已有条通道，能够保证设备正常出入，密闭式挡水墙比密闭门更安全。在通道中部设置一道1m厚的挡水墙，并在墙下水沟内安装一个1000mm的阀门用于控制水量。图4“绿色”流水通道剖面示意图1、乘人车场2、“绿色”流水通道3、挡水墙4、中央泵房5、1000m钢管6、配水阀门7、8、水沟9、配水巷、10、配水井3、配水阀门的改造配水阀门外侧连接一节1000mn长的高度钢管，钢管外侧沿径向按500mmj间距焊接20mm500mm的螺纹钢筋。4、挡水墙的施工首先在配水阀门安装位置向巷道断面四周掏500mm壁槽，并按800mni的间距安装两排20mm2000mm的树脂锚杆，锚杆外露500mmC25砼浇灌前将锚杆外露部分与配水阀门上焊接钢筋及预埋钢筋之间捆扎牢固，确保浇灌后的挡水墙与通道巷壁浑然一体。5、使用效果通过“绿色”流水通道，使涌水量大、水仓清挖速度慢、水文地质复杂的矿井，能够增强矿井抵抗水灾的能力，为矿井安全生产开启一盏绿灯。“绿色”流水通道只是应急的通道，从矿井的长远考虑，需要改进水仓的清挖方式来加快其清挖速度，也可将水仓扩容来延长其淤满的时间，从根本上解决矿井的排水安全问题。三、水仓自动清挖根据《煤矿安全规程》规定要求，在每年雨季来临之前，必须对水仓的作业方式为人工清挖，水仓清挖不彻底，一直困扰着煤矿清仓难题，中国矿大研制开发的MSQ4型水仓自动清挖设备，通过在水仓清挖试验，取得了很好的效果。1、水仓清挖常用的几种方法人工清挖首先用主排水泵把水仓中浓度较稀的煤泥水抽排掉，然后采用人工的方法用铁锨及桶等工具将水仓煤泥水装入矿车中，或采用泥浆泵抽排装矿车，经斜巷绞车运至大巷，由电机车外运升井，设备投入大，使用车皮多，运输环节复杂，占用人员多，工作量大，清挖时间长，致使井上下沿途淤泥积水，污染运输环境。井下巷道晾干在井下水仓吕浠煤泥抽排后，通过污水泵将水仓中煤泥水抽排到同一水平废弃的巷道沉淀晾干，再用人工清挖运到地面，周转时间长，工人劳动强度大。水仓粗煤泥清挖机通过专用泵抽排煤泥水到振动脱水设备进行脱水。此方法解决了大于0.1伽以上煤泥水的处理仍不能解决。煤泥自动间装车机通过机械螺旋叶轮与刮板机的组合，整机沿着轨道自动向前行走，把水仓煤泥中的煤泥水输送到矿车中，不能解决煤泥水脱水问题，存在着运输量大、污染环境等问题。以上各种煤泥清挖处理，不能真正解决煤矿井下水仓煤泥处理问题，存在着劳动强度大、污染环境、使用车皮多、运输环节复杂、细颗粒煤泥无法解决等问题，这些问题严重影响着煤矿安全文明生产。2、MSQ-4型水仓自动清挖设备组成MSQ-4型水仓自动清挖设备由清挖设备、过滤缓冲设备、加压设备、煤水分离设备组成。3、MSQ-4型自动清挖设备技术参数(1)水仓清挖系统型号MSQ-4型(2)回收粒度/mm0.1〜5(3)清挖速度/t•h-13~4(脱水后)(4)装车最大高度/mm1200(5)入料浓度/%25〜45(含煤泥量)回收后煤泥水份含量/%25(含水量)电源电压/V380/600400最大设备外型尺寸(长x宽x高)/mm4380X1600X2400(9)适用于水仓长度/m4、水仓清挖工艺流程图5、工作原理过滤缓冲设备一一加压设备―—煤水分离设备另一水仓清挖设备该水仓自动清挖处理设备由清挖设备从煤矿井下水仓搅抽煤泥水，并通过排水管排入过滤、缓冲装置，煤泥水在过滤、缓冲装置作用下，过滤掉大颗粒物料，形成稳定的细物料从底口由加压泵抽排出，进入脱水设备，煤泥水混合物在煤水分离设备作用下，使水、煤混合物分离，水经溢流管排出后回流到另一水仓，再由主排水泵抽出，煤水分离设备中的煤饼进入矿车装车。6.应用效果人工清挖效率低，采用MSQ-4型矿井水仓煤泥自动清挖系统后，实现了清挖的自动化作业，从给料加压开始至脱水装车整个循环时间约20min,平均每小时能装3车，每班仅需要4人作业，减少人员，降低了工人的劳动强度，提高了清挖效率，缩短清挖周期，减少用工投入，减少费用。水仓清挖彻底，延长了清挖周期，减少水泵大修费用，改善了水质，提高了大泵运行效率，降低了吨水百米电耗，降低电费。采用MSQ-4型矿井水仓煤泥自动清挖系统简化运输环节，减少车皮占用，增加了副井提升能力。煤泥不需要升井干燥，在井下即可回收，提高了煤泥回收率，保证了井上、下运输过程环境不受污染，有较明显环境效益。。人工清挖时需25KW绞车1部，2.5KVA综保1台，80N开关1台、照明综保1台及语言电铃、信号电缆等，采用该系统，减少了设备投资。四、水泵高压群控软启动水害威胁煤矿安全生产的重大灾害，矿井排水工程是保证煤矿安全生产的前提，排水设施的先进与否更是直接影响煤矿安全生产的重要因素。目前，国内大功率电机启动方式普遍采用串电抗器启动，该控制方式启动特性硬，对电网冲击大，启动特性差、操作繁琐、事故率高、启动电流大、不便维修、长期存在不安全隐患。近年来，随着电力电子技术的发展，软启动技术有了很大的进步，软启动技术可靠性越来越高。作为一种安全可靠的启动装置，它不仅可以实现整个启动过程中平滑、无冲击，而且可根据电机的负载特性来调整启动时间等参数，其最大的优点是具有明显的节能特性且能改善生产工艺，运行安全可靠。1、群控软件启动装置的启动程序启动1#泵顺序（见图5）（1）合4#高压防爆开关。（2）高压软启动器处于停止位置，1#防压防爆开关处于断开位置。6kvBGP-620OA图5群控软启动装置合5#高压防爆开关。合高压软启动器，此时水泵电机开始启动当水泵电机转速达到额定转速时，高压软启动器内旁路真空接触器自动合上，此时电机启动结束，进入正常运行，指示灯亮。（6）合上1#高压防爆开关，由于联锁作用，5#高压防爆开关自动断开。（7）按高压软启动器的停止按钮，旁路接触器断开，为启动2#泵作好准备。2、群控高压软启动的技术特点群控高压软启动装置采用了先进的电力电子器件和全数字控制技术，具有启动性能丰富、操作简单方便和使用故障极低的优点，降低了维修费用，具有较高的经济效益。是高压自耦变压器、高压电抗器和液力偶合器等旧式启动装置理想的换代产品。群控高压软启动装置装备有RS-485通讯接口，可以与矿井计算机网络连接，实现远程集中控制和远程故障诊断。当矿井水涌出异常时，可提前撤出人员，实现现场无人值守的远程操作，从而确保人身安全，安全效益和社会效益突出。采用群控高压软启动装置后，同等负荷下主变压器容量可降低20%降低一次性投资10%节约运行费用20%节电效果明显。同时可以防止水泵停止时水锤冲击造成机械的损伤，从而延长水泵的使用寿命，具有较好的经济效益。结束语作为煤矿安全生产重要组成部分的排水系统，如何设计建立安全、可靠、经济的排水系统，是每一位从事煤矿产业工作者值得思考和研究的问题。关于矿井主排水系统的设计改造的有关文章已经很多，这次在对矿井主排水系统的设计中，肯定存在很多不足之处，希望各位评阅老师给予指出，能够吸取最多的实际经验，使本设计适应实际工作。同时期望本文的论述能引起大家对矿井主排水系统的关注，。致谢在完成本篇毕业设计的过程中，本人得到了许多老师和同学们的帮助，是他们为此付出了心血和精力，在此请允许我向他们表示最衷心的感谢！首先，我要感谢我的指导老师。本篇毕业设计从提纲到初稿乃至成稿，都经过他精心的指导和修改，提出了严格的要求和许多宝贵的意见。可以说，我的整篇论文凝聚着他的心血。其次，我要感谢学院的各位老师。是他们对论文选题、选材、编写格式等方面给予了细心的指导，使本人的毕业设计得以有条不紊地进行。最后，我要感谢所有参考文献的作者。我的毕业设计是建立在他们研究基础上的，是他们如此优秀与有益的成果，使我的毕业设计增色。参考文献《煤矿安全章程》安全局《煤矿工业设计》煤炭工业出版社《煤矿井下排水设计技术规定》煤炭工业出版社《煤矿矿井采矿设计手册下册》煤炭工业出版社《矿山机电手册》煤炭工业出版社⑹《流体机械》煤炭工业出版社