煤矿排水系统设计
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主排水泵选型计算设计
一、概述
本矿井采用主斜井、副立井、回风立井综合开拓方式，主斜井井口标高为+922m，副立井、回风立井井口标高均为+1195m，副立井、回风立井落底标高均为+220m，主斜井与暗主斜井斜交，暗主斜井落底标高为+206m，初期大巷最低点标高为+205m。
根据地质报告，本矿井正常涌水量807m3/h，最大涌水量为1234m3/h，正常涌水量大于120m3/h，最大涌水量大于600m3/h，对照现行《煤矿防治水规定》，属水文地质条件复杂矿井。按照现行《煤矿防治水规定》及《煤矿安全规程》要求，本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安装配备排水能力不小于最大涌水量的潜水电泵排水系统。根据本矿井开拓方式，结合现有成熟的防水闸门产品参数，设置防水闸门抗灾暂无合适的设备，因此设计在正常排水系统基础上配备潜水电泵抗灾排水系统。
二、矿井主排水
（一）设计依据
地质报告提供矿井正常涌水量807m3/h，最大涌水量为1234m3/h，考虑矿井井下洒水和黄泥灌浆析出水增加50m3/h的排水量，因此在设备选型时按正常涌水量857m3/h，最大涌水量为1284m3/h计算；矿井水处理所需要增加15m扬程。
（二）排水系统方案
根据本矿井的开拓布置，矿井涌水量和排水高度等资料，设计对本矿井的排水系统方案进行了比较：
方案一：主排水泵房设置在初期大巷最低点，排水管路沿副立井井筒敷设，将矿井涌水排至地面副立井工业场地，在副立井工业场地设置水处理站。该方案虽然排水管路相对较短，降低了管路投资，但是由于副立井较主井井口标高高出约273m，年排水电费约增加560余万元，且送往井下的洒水管路水压大，需增加管路壁厚，管路投资增加约100万元，综合运营费用较高。
方案二：主排水泵房设置在初期大巷最低点，排水管路沿西大巷→主斜井井筒敷设，将矿井涌水排至主井场地。该方案虽然排水管路较长，管路损失较大，但主井较副立井井口低273m，排水设备工况扬程低，水泵级数少，设备投资省，电耗低。
经上述综合分析比较，设计推荐本矿井排水系统采用布置合理，综合运营费用低的方案二，即主排水泵房设置在初期大巷最低点，井下涌水由主井排出方案。
（三） 矿井主排水泵房排水设备
1、设计依据
根据确定的排水系统方案，本矿井主排水泵房设置在+205m水平副立井井底车场附近的初期大巷最低点，排水管路经管子道、沿主斜井井筒敷设至地面。
地质报告提供矿井正常涌水量807m3/h，最大涌水量为1234m3/h，考虑矿井井下洒水和黄泥灌浆渗水增加水量50m3/h，因此在设备选型时按正常涌水期排水量857m3/h，最大涌水期排水量为1284m3/h计算；初期大巷最低点标高+205m，主斜井井口标高+922m，排水垂高715m，考虑矿井水处理所需要增加的15m扬程后，排水总垂高为732m，排水管路敷设长度约5800m。
2、排水设备方案
水泵及管路的初选
（1）泵应具有的排水能力：
正常涌水量 Q1=1.2×857=1028.4m3/h;
最大涌水量 Q2=1.2×1284=1540.8m3/h
排水扬程 H=1.15×（717+5）=830.3m
（2）排水设备初选
MDS420-96系列矿用耐磨离心式排水泵，其额定扬程应不小于830.3m。
（3）排水管路初选
D=（4×420/3.14×1.8×3600）1/2 =0.287m 取 DN=0.30m即DN300mm
排水管路选用D325型复合钢管，吸水管路选用D377型复合钢管。
（4）排水系统阻力系数
排水管阻力损失：
式中：
1－－速度压头系数，1；
2－－直管阻力系数，
3－－弯管阻力系数，0.76～1.0；
4－－闸阀阻力系数，0.25～0.5；
5－－逆止阀阻力系数，5～14；
6－－管子焊缝阻力系数，0.03；
3n－－弯管数量，个；
4n－－闸阀数量，个；
5n－－逆止阀数量，个；
6n－－管子焊缝数量，个；
－－水与管壁的阻力系数；
dL－－排水管路总长度，m；
dV－－排水管流速，m/s；
旧管时：
吸水管路及局部水头损失之和sfH：
式中：
'2－－直管阻力系数，
'3－－弯管阻力系数，0.76～1.0；
'4－－滤水器阻力系数，2～3；
'5－－偏心异径管阻力系数，0.16～0.36；
'3n－－弯管数量，个；
－－水与管壁的阻力系数；
sL－－吸水管路总长度，m；
sV－－吸水管流速，m/s；
旧管时：'1.71.70.3350.57sfsfHHm旧
排水系统阻力系数
则排水系统Q-H特性曲线方程为H=722+8.407×10-4Q2
3、水泵及管路的计算机优化
根据矿井排水系统和参数，经我院通过部级鉴定的《矿井排水设备选型优化设计计算程序》设计计算，选出了适合本矿井主排水泵房的3个排水设备方案，其技术经济参数详见表7-3-1。
从方案表中可以看出，方案三所选排水系统设备，排水能力大，但水泵运行工况效率低，年电耗高，基建投资多，年综合营运费用也较高，故设计不予推荐；方案二所选排水系统设备，虽然电动机容量较小，但水泵台数多，年电耗较高，基建投资也较多，因水泵运行工况效率低、综合营运费用也较高，设计也不予推荐；方案一所选排水系统设备，基建投资低，水泵运行工况点效率高，年电耗少，年综合运行费用最低。故设计推荐方案一作为本矿井主排水设备方案。
矿井主排水设备选型方案比较表
表7-3-1
内 容 单
位 技 术 参 数
方案一 方案二 方案三
设计依据 矿井正常涌量 m3/h 857
矿井最大涌量 m3/h 1284
排水垂高 m 732
排
水
设
备 水泵型号 MDS420-96×9 MD360-92×9 MD420-96×9
（原PJ200系列）
水泵台数 台 7 8 7
电机型号 YB2系列4极 YB2系列4极 YB2系列4极
电机参数 10kV,1600kW 10kV,1250kW 10kV,1600kW
排水管路 4-D325×21 5-D325×18 4-D325×21
正
常
涌
水
期
工
况 水泵工作台数 台 3 4 3
排水管工作趟数 3 4 3
流量 m3/h 413.81 343 390.6
扬程 m 865.96 837.5 855.89
效率 % 77.62 77.5 74.68
吸程 m 7.3 5.81 6.48
轴功率 kW 1282.40 1050 1243.6
日排水时间 h/d 16.55 14.99 17.55
最
大
涌
水
期
工
况 水泵工作台数 台 4 5 4
排水管工作趟数 4 5 4
流量 m3/h 413.81 343 390.6
扬程 m 865.96 837.5 855.89
效率 % 77.62 77.5 74.68
吸程 m 7.3 5.81 6.48
轴功率 kW 1282.40 1050 1243.6
日排水时间 h/d 18.61 17.97 19.72
年 电 耗 kWh/a 2922.9×104 2920.7×104 3005.0×104
吨水百米电耗 kWh/（t·hm） 0.3974 0.4050 0.4167
基 建 投 资 万元 1794.5 1968.7 1794.5
综合营运费用 万元/a 2058.8 2087.1 2108.1
注：电价按0.6元/度。基建投资仅作为方案比选使用。
（1）排水管路壁厚按下式计算：
式中：
δ－－排水管路管壁计算厚度，cm；
P－－管路最大工作压力，设计取为9.5MPa；
DW－－管路管材外径，cm；
ψ－－管路焊缝系数，无缝钢管取1；
[σ]－－管材需用应力，MPa；
本公式已计入管材的制造误差及腐蚀附加厚度。
代入各参数后：
则排水管路壁厚选择为21mm。
排水管路选用2趟D325×21型聚乙烯复合钢管（基材为无缝钢管），分段选择壁厚。排水管路由+205m水平主排水泵房→管子道→主斜井井筒敷设至地面。正常涌水期3泵3管运行，最大涌水期4泵4管运行。
（2）选定方案的设备及运行工况
经计算机优化，并结合前期可研设计时专家的评审建议，本矿井主排水系统设备选用MDS420-96×9型矿用耐磨离心式主排水泵7台，每台水泵配套1台YB2系列4极 10kV 1600kW矿用隔爆电动机。正常涌水期3台工作，3台备用，1台检修，最大涌水期4台水泵工作。
鉴于本矿井的涌水水质较差，考虑到延长排水管路的使用寿命，减小管路维护工作量，主排水管路选用4趟D325矿用聚乙烯复合钢管（基材为无缝钢管），分段选择壁厚。排水管路经管子道、主斜井井筒敷设至地面。正常涌水期3泵3管运行，最大涌水期4泵4管运行。
矿井排水设备运行特性曲线详见图7-3-1。
矿井排水系统布置详见图7-3-2。
矿井排水设备运行工况详见表7-3-2。
水泵运行工况点参数表
表7-3-2
参数
管路 运行
方式 流量
Q（m3/h） 扬程
H1（m） 效率
η（%） 计算轴功率
Nφ（kW） 理论最大
吸水高度
Hs（m） 日排水
时间
t （h/d）
正常
涌水期 新管 3泵3管 497 846.42 77.23 1513.05 7.01 13.79
旧管 413.81 865.96 77.62 1282.31 7.32 16.55
最大
涌水新管 4泵4管 497 846.42 77.23 1513.05 7.01 15.5
