礦井排水系統(tǒng)設計技術統(tǒng)一口徑

一、設計原則和依據(jù)

   1、遵循《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范》、《煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范》和《煤炭工業(yè)小型礦井設計規(guī)范》以及其它有關規(guī)定；

  2、選用取得《煤礦礦用產(chǎn)品安全標志證書》的高效節(jié)能產(chǎn)品，安全可靠，技術先進，經(jīng)濟合理；

  3、采礦專業(yè)提供的礦井最大涌水量Q_m和正常涌水量Q_z、礦井水PH值、敷設排水管路井筒的井口和井底標高H₁、H₂以及井筒坡度、礦井瓦斯等級。

二、排水泵站的能力確定

  1、最小排水能力計算

   （1）、正常涌水量時工作水泵最小排水能力：Q₁ =24Q_z/20=1_。2Q_z

   （2）、最大涌水量時工作水泵最小排水能力：Q₂ =24Q_m/20=1_。2Q_m

2、水泵揚程估算

       H =K(H_p+H_x)

式中， H_p 為排水高度, 且H_p= H₁- H₂,

H_x 為吸水高度, 估算一般取H_x=5m,

K 為管路損失系數(shù),與井筒坡度有關:

立井: K=1.1~1.15,

斜井:當α<20^。.時,  K=1.3~1.35,

      α=20^.~30^。時,  K=1.3~1.25,

      α>30^。時,  K=1.25~1.2.

  3、 確定水泵臺數(shù)

根據(jù)計算的Q₁、Q₂、H,查水泵樣本選擇水泵,并根據(jù)擬選水泵的主要技術參數(shù)，初步預計水泵的流量Q_b（一般為額定流量），按《煤礦安全規(guī)程》第278條相關規(guī)定，分別計算出水泵站內(nèi)工作水泵、備用水泵、檢修水泵臺數(shù)。水泵站內(nèi)水泵總臺數(shù)N按下面兩種情況計算。

(1)、正常涌水量時：N= n₁+ n₂+ n₃

式中_，工作水泵臺數(shù)n₁= Q₁/Q_b, 且n₁≥1，當n₁不為整數(shù)時_，其小數(shù)應進位到整數(shù)。

備用水泵臺數(shù)n₂=0_。7 n₁，且n₂≥1，當n₂不為整數(shù)時，其小數(shù)應進位到整數(shù)。

檢修水泵臺數(shù)n₃=0_。25 n₁，且n₃≥1，當n₃不為整數(shù)時_，其小數(shù)應進位到整數(shù)。

(2)、最大涌水量時，水泵工作臺數(shù)n₄= Q₂/Q_b，

當n₄≤ n₁+ n₂時，則N= n₁+ n₂+ n₃，

當n₄≥ n₁+ n₂時，則N= n₄+ n₃。

   （3）、水文地質(zhì)條件復雜、有突水危險的礦井，應根據(jù)情況增設水泵，或預留安裝水泵位置。

（4）、當?shù)V井水PH≤5時，應選耐酸泵。

三、排水管路計算和管路布置

 1、管路布置原則

（1）、根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第278條規(guī)定，井下排水管路應設工作管路和備用管路。工作管路應能在20h內(nèi)排出礦井24h正常涌水量，工作管路和備用管路應能在20h內(nèi)排出礦井24h最大涌水量。

（2）、根據(jù)《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范》要求，每臺水泵均能經(jīng)兩條管路排水，排水管路在泵站內(nèi)宜作環(huán)形布置。

（3）、管路和水泵的匹配，宜一管一泵；如果水泵需要并聯(lián)工作，一趟管路宜并聯(lián)2臺水泵，即一管二泵，最多不宜超過一管三泵；有時為了控制管內(nèi)水的流速，1臺水泵也可并聯(lián)二趟管路運行。

（4）、水文地質(zhì)條件復雜、有突水危險的礦井，視情況在井筒及管子道預留安裝排水管位置。

2、管徑計算

（1）、選擇排水干管管徑時，應根據(jù)礦井涌水量大小和礦井規(guī)模及服務年限，進行技術經(jīng)濟比較，確定合理的流速和管徑。

（2）、管徑計算

d_p=（Q/900πV ）^1/2 （m）,

式中:  Q—流經(jīng)管內(nèi)流量（m³/h）。一管一泵時Q=Q_b，一管二泵時Q=2Q_b，余類推

V—管內(nèi)水流速度，一般排水管內(nèi)V=1_。5~2_。2 m/s _,當d_p>200 mm時，可適當增大，但不宜超過2_。5 m/s _。

 3、管壁厚度計算，介紹兩種方法：

  （1）、根據(jù)原煤炭工業(yè)部聯(lián)合編寫小組編寫的《礦井提升、通風、排水、壓風設備設計手冊》中所推薦的公式計算：                        

δ=1/1+2p/[230(k_z-0.65)–p] {[pd_p/230(k_z-0.65)-P]+c} （mm）  (公式一)

式中: d_p—d_p排水管外徑 （mm）

 p—計算管段內(nèi)部最大工作壓力 （kg/cm²）

 k_z—管材許用應力 (kg/mm²)，且k_z=0_。25σ_B

σ_B—管材抗拉強度 (kg/mm²)，當不知鋼號時，無縫鋼管取k_z=8~10 kg/mm²，焊接鋼管取k_z=6 kg/mm²。

C—附加厚度，一般取C=1 mm。

  （2）、根據(jù)《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范》（送審稿）中推薦的公式計算：       

       δ=δ^’+c                  

δ^’= pD_w/[2.3×(Rφ- 6.4)+p]    (公式二)

式中:  p—計算管段的最大工作壓力 （MPa）      

D_w—排水管外徑 (cm )

 R—管材許用應力（MPa）,

    10^# 鋼: R=85,  15^# 鋼: R=95,  20^# 鋼: R=100

 φ—管子焊縫系數(shù)。 無縫鋼管取1;

螺旋焊接鋼管：雙面焊，全部探傷取1.

;    螺旋焊接鋼管：雙面焊，不探傷取0.7.

C—計入制造負偏差和腐蝕的附加厚度：

無縫鋼管: C=0.15(δ^’+1)  (cm)

說明: 管壁厚度計算公式較多，煤炭系統(tǒng)比較公認的為四大件設計手冊中所推薦的公式，即(公式一)。因此_，在《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范》未批準實施前,設計宜采用(公式一)計算。但因按(公式二) 計算的管壁厚度比按(公式一) 計算的厚度大_，所以在上述設計規(guī)范批準后_，則應采用(公式二)計算，以使設計符合規(guī)范要求。

4、根據(jù)計算的d_p和δ，選擇標準無縫鋼管。

5、吸水管d_x,一般比排水管d_p大一級，取d_x,= d_p+0_。025（m），根據(jù)d_x, 選擇標準鋼管中管壁最薄的管子即可。

四、確定水泵工況點，檢驗排水系統(tǒng)（包括水泵和管路）設計選型計算的符合性。

    確定水泵工況點，就是求出水泵H-Q特性曲線和管網(wǎng)特性曲線H= H_c +RQ²

的交點。鑒于水泵樣本給出的H-Q特性曲線，系由廠家通過模擬試驗數(shù)據(jù)繪制而成，并不存在H=f(Q)函數(shù)關系，因此，不能利用解方程求解。目前一般都采用作圖法確定水泵運行工況，其方法有二。

１、第一種方法，也即我院目前使用的方法，其步驟如下：

（1）、首先分段計算管路損失Δh

    ①、 吸水管部分                

Δh_x=(λ_xL_x/d_x+∑ζ_x)V_x²/2g

∵ V=Q/900πd²  

∴Δh_x =(λ_xL_x/d_x+∑ζ_x)Q²/2g（900πd_x²）²=R_x Q²

式中  R_x=(λ_xL_x/d_x+∑ζ_x) /2g（900πd_x²）²

②、排水管部分            

a、水泵出口至排水干管段

Δh_p1=(λ_p1L _p1/d _p1+∑ζ_p1)V _p1²/2g  

  　　=(λ_p1L _p1/d _p1+∑ζ_p1)Q²/2g（900πd _p1²）²=R _p1 Q²

式中　 R _p1=(λ_p1L _p1/d _p1+∑ζ_p1)/2g (900πd _p1²)² 

b、排水干管段

Δh_p2=(λ_p2L _p2/d _p2+∑ζ_p2)V _p2²/2g   

 =(λ_p2L _p2/d _p2+∑ζ_p2)（nQ）²/2g（900πd _p2²）²=R _p2 Q²

式中:  R _p2= n² (λ_p2L _p2/d _p2+∑ζ_p2)/2g（900πd _p2²）²

c、排水管部分阻力損失之和，按水泵與管路運行情況分別計算：

Δh_p=Δh_p1+Δh_p2= (R _p1+n² R _p2) Q²

（2）、繪制管網(wǎng)特性曲線H= H_c +RQ² 

 式中 H_c—測量高度，H_c= H_p+H_x 

R— 管道阻力，R= R_x + R _p1+ n² R _p2，

將H_c、 R數(shù)值代入，并考慮因沉積物使管徑變小阻力增大系數(shù)，則

H = H_p+H_x+1_。7（R_x + R _p1+ n² R _p2）Q²（新管則不乘1_。7系數(shù)）。在不同的n值下（n=1、2、3），給出不同的Q值，即可繪出管網(wǎng)特性曲線 。

（3）、確定水泵運行工況點

水泵樣本給出的H-Q特性曲線和繪出的管網(wǎng)特性曲線H= H_c +RQ²,兩條特性曲線的交點M即為水泵運行工況點（如圖1）。該點對應的Q、H、η、npsh，即是水泵運行時的流量、揚程、效率和必須的汽蝕余量。

        （貼插圖1）

（4）、根據(jù)工況點對應的Q、H，檢驗礦井最大涌水量和正常涌水量時水泵工作臺數(shù)、管路趟數(shù)及每天水泵工作時間。水泵和管路的各種配合運行方式，均應能保證水泵每天工作時間不超過20h。從圖1可知，此時水泵的實際流量為Q_b＇，則要求：T₁=24Q_z/n Q_b＇≤ 20h，T₂=24Q_m /n Q_b＇≤ 20h 。同時檢驗排水管中水的流速，V= n Q_b＇/900πd _p2²，如超出經(jīng)濟流速范圍，則應調(diào)整管路系統(tǒng)，或采取其它措施，直至滿足要求。          

(5)、計算電動機的容量：

先按一管一泵（n=1）運行時水泵工況點對應的Q、H、η計算出水泵的軸功率：N=QHr/102×3600η

電動機的容量：N_d’=KQHr/102×3600ηη_m，

式中 K—電動機容量的富余系數(shù)，K=1_。1~1_。2，

η_m—傳動效率，直聯(lián)取1，聯(lián)軸節(jié)取1_。2，

r —礦井水的容重，一般r=1020 kg/m³。

根據(jù)N_d’選擇電動機。（一般電動機由水泵廠成套供應）。

（6）、按水泵在管路未淤積前（即新管）一管一泵運行時水泵的工況計算水泵的軸功率，檢驗電動機是否過負荷。

２、第二種方法,即四大件設計手冊中介紹的方法，其步驟如下：

（1）、首先分段計算出管路損失Δh

Δh=Δh_x+Δh_p1+Δh_p2，按一管一泵（n=1）運行，計算公式與第一種方法相同。

（2）、水泵總揚程

H_Z= H_c +1_。7Δh+1（新管則不乘1_。7系數(shù)）

（3）、建立管網(wǎng)特性曲線H_Z= H_c +RQ²

R=（H_Z- H_c）/ Q²，

（4）、確定水泵運行工況點

 　①、一管一臺泵運行時水泵的工況點確定

一臺水泵的H-Q特性曲線和管網(wǎng)特性曲線H= H_c +RQ²兩條特性曲線的交點3即為水泵運行工況點，見圖2）

   　②、一管二臺泵并聯(lián)運行時水泵的工況點確定

   兩臺同型號水泵并聯(lián)特性曲線的繪制，是在相同揚程條件下，兩臺水泵流量相加繪成的，如圖2所示。它與管網(wǎng)特性曲線（按一管一臺泵運行）之交點1即為二臺并聯(lián)水泵的工況點，點1對應的Q、H為并聯(lián)工作水泵的實際流量和揚程；點２為并聯(lián)工作時每臺水泵的工作點；點３為一臺水泵單獨工作時的工作點。從圖2可知，Q= Q’₁＋Q’₁＝ 2 Q’₁，一般Q=（1_。8~1_。6）Q₁。

（貼插圖2）

 

③、一管三臺泵并聯(lián)運行時水泵的工況點確定

   與一管二臺泵并聯(lián)運行時水泵的工況點確定方法相同，如圖3所示。

（貼插圖3）

 　

④、三臺相同水泵向兩條管路輸水的并聯(lián)工作，如圖4所示。除了一條管路的特性曲線C—E外，還要繪制兩條管路的合成特性曲線C—E’。合成特性曲線的繪制，是在同一揚程下把管路中的流量相加而成。圖中：點1定出泵站的最大輸水量，點2定出每條管路中的輸水量，點３定出每臺水泵的輸水量。

（貼插圖4）

⑤選擇電動機和計算水泵工作時間，與第一種方法相同。

3、兩種方法的比較

　第一種方法是先計算出一管一泵或一管多泵管路特性曲線，它們與水泵特性曲線的交點即為水泵運行工況點，也就是先定出單臺水泵Q，再計算泵站輸水量。而第二種方法則是先定泵站輸水量，再定出每臺水泵Q。但兩種方法的共同點都是基于水泵并聯(lián)運行時管中的流量Q成倍增加，并以此繪制并聯(lián)后的水泵特性曲線和管路特性曲線。實際上流量Q并不是成倍增加（約為１_。８～１_。６倍），因而都存在一定的誤差。但第一種方法中并聯(lián)管路特性曲線是通過計算后一次繪制的，而第二種方法中并聯(lián)管路特性曲線是通過人工二次合成的，因而相對誤差較第一種方法為大。

五、泵站布置

   1、泵站主要尺寸

（1）、泵站長度 L=n L₁ +(n-1) L₂+(3~5)  (m)

式中: L₁—機組長度，

     L₂—機組間凈間距，應滿足電動機抽芯和水泵檢修的需要，          

3~5 m是考慮值班室和堆放檢修工具及零配件的需要，可視具體情況而定。

（2）、泵站寬度 B=B₁+1/2B₂+B₃+B₄+B₅+0_。3  (m)

式中:  B₁—機組基礎邊（靠吸水井側）至硐室壁的距離，

  B₂—機組基礎寬度

  B₃—水泵或電動機外型（靠軌道側）至基礎中心距離，

  B₄—水泵或電動機或平板車中最大件寬度

，B₅—水泵啟動控制箱的厚度，

  0_。3 m為考慮最大件通過軌道運輸時兩側預留的間隙。

(3)、起重高度H=h₁+h₂+h₃+h₄+h₅+h₆+h₇

式中:  h_1——-機組基礎高度

h_2——水泵軸中心至機組基礎高度

  h_3——附加短管高度（不加時，h₃=0）

h_4——閘閥高度（當止回閥采用多功能控制閥時， h₄=0）

h_5——止回閥或多功能控制閥高度

h_6——三通高度

h_7——起重吊鉤至起重梁底面高度

但當排水干管敷設在起重梁下時_，其H應滿足法蘭底部距泵站地面1_。8 m的要求。

2、其他相關尺寸

  （1）、水泵、吸水管、配水井、吸水井及水倉相互之間主要尺寸關系如圖所示。

 

  

（貼插圖）

 

a₀ ——短管長度，可根據(jù)實際情況確定；

a₁——偏心異徑管長度，不宜小于大小管徑差的5倍；

（a₀+a₁）——水泵入口前直管段總長度，不宜小于3倍的水泵吸水口直徑；

b_l——吸水管濾網(wǎng)中心線距最近井壁的距離，距后壁可?。?span>0_。8~1_。0）D_x；距側壁可取1_。5 D_x，且不小于D_x+100mm;

D_{x————}吸水管濾網(wǎng)直徑；

D_N——配水閘閥公稱直徑；

c₁——配水閘閥之間最小凈距，不應小于150mm；

c₂——配水閘閥操作手輪之間凈距，不應小于500mm；

c₃——配水閘閥操作手輪距配水井井壁間距，不應小于700mm；當雙配水井集中布置共享一個壁龕時，可不受限制；

c₄——配水閘閥法蘭距配水井井壁間距，不應小于200mm；

h_l——配（吸）水井最低水位到吸水管濾網(wǎng)上緣距離_，不得小于（1~1_。25）D_x，且不得小于500mm；

h_x——吸水管濾網(wǎng)下緣距吸水井底距離，不得小于（0_。6~0_。8）D_x，且不得小于500mm；

l_x——吸水管濾網(wǎng)中心線至吸水井入口距離，不得小于4D_x。

（2）、吸水井

  每臺水泵宜單獨使用一個吸水井，確定吸水井直徑時應考慮水泵工作時吸水井內(nèi)水面波動不太大，同時應考慮安裝、檢修、清理吸水井的需要。一般D≥1500mm

 （3）、配水井

  一般配水井兼作吸水井，其尺寸大小應根據(jù)安裝設備多少，考慮安裝、檢修、清理工作需要。

六、管路布置與安裝

  1、管路敷設

 （1）、立井井筒中排水管敷設位置應與采礦專業(yè)協(xié)商，盡可能靠近梯子間，并留有足夠的安裝、檢修和更換空間。

（2）、立井井筒中排水管底部應設置彎頭管座及其支承梁。當排水管路垂高較大（大于400m）時，應在中間加設直管座及支承梁，其間距取100~150m。

（3）、排水管在井筒中間用管卡固定在防彎梁上。防彎梁一般利用罐道梁或梯子間梁，不能利用時，應設單獨的防彎梁。管卡只起導向作用。

（4）、排水管在斜井中沿底板敷設時，可用水泥墩支承，沿井壁敷設時，用梁支承。在管路最下部和中間設置防滑支墩或支承梁，防止管路下滑。

 2、主排水管路連接

（1）、當條件允許時應采用焊接連接。為了安裝和檢修方便，可部分焊接，部分法蘭連接。

（2）、采用法蘭連接時，與水泵和閥門等管路附件連接的法蘭，應采用JB法蘭，而管路連接的法蘭宜采用GB法蘭。

 3、管路支承梁計算

（1）、管路支承梁一般可直接選用槽鋼、工字鋼、H型鋼等熱扎普通型鋼，必要時也可根據(jù)荷載需要，制作等截面焊接工字形的支承梁。鋼材宜采用Q345鋼。

（2）、支承梁荷載

   a、支承梁自重：即所選鋼梁單位重量，可視為均布荷載。

   b、管重：應取支承梁以上相應管段排水管和連接件以及防腐材料的重量之和；

   c、水柱重量：底部支承梁所支承管路中的水重，并考慮水錘影響。建議采用多功能水泵控制閥取代止回閥，以減輕水錘沖擊力。

d、其它荷載：如果壓風管、灑水管等也敷設于該支承梁上，亦應計入；

e、溫度變化引起的作用力：Q=A*E*α*(T₂-T₁)

式中，A——水管橫斷面的金屬面積（mm²）；

E——鋼材彈性模量（N/ mm²）；

α——鋼材線膨脹系數(shù)；

T_{2————}所論管段的環(huán)境最高溫度（^。C）；

T₁——管路安裝時的環(huán)境溫度（^。C）。

（3）、支承梁可視為在一個主平面內(nèi)受彎構件，并按國家標準《鋼結構支設計規(guī)范》（GB50017-2003）的有關規(guī)定計算其強度和穩(wěn)定性。

（4）、由于支承梁安裝在井筒中，一般均在5 m左右，比較短，且所選作支承梁用的型鋼的高厚比均較大，其剛度（撓度）一般可不予計算。