矿井排水系统设计技术统一口径方案

矿井排水系统设计技术统一口径

一、设计原则和依据

   1、遵循《煤矿安全规程》、《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》、《煤炭工业矿井设计规范》和《煤炭工业小型矿井设计规范》以及其它有关规定；

  2、选用取得《煤矿矿用产品安全标志证书》的高效节能产品，安全可靠，技术先进，经济合理；

  3、采矿专业提供的矿井最大涌水量Q_m和正常涌水量Q_z、矿井水PH值、敷设排水管路井筒的井口和井底标高H₁、H₂以及井筒坡度、矿井瓦斯等级。

二、排水泵站的能力确定

  1、最小排水能力计算

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

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

2、水泵扬程估算

       H =K(H_p+H_x)

式中， H_p 为排水高度, 且H_p= H₁- H₂,

H_x 为吸水高度, 估算一般取H_x=5m,

K 为管路损失系数,与井筒坡度有关:

立井: K=1.1~1.15,

斜井:当α<20^。.时,  K=1.3~1.35,

      α=20^.~30^。时,  K=1.3~1.25,

      α>30^。时,  K=1.25~1.2.

  3、 确定水泵台数

根据计算的Q₁、Q₂、H,查水泵样本选择水泵,并根据拟选水泵的主要技术参数，初步预计水泵的流量Q_b（一般为额定流量），按《煤矿安全规程》第278条相关规定，分别计算出水泵站內工作水泵、备用水泵、检修水泵台数。水泵站內水泵总台数N按下面两种情况计算。

(1)、正常涌水量时：N= n₁+ n₂+ n₃

式中_，工作水泵台数n₁= Q₁/Q_b, 且n₁≥1，当n₁不为整数时_，其小数应进位到整数。

备用水泵台数n₂=0_。7 n₁，且n₂≥1，当n₂不为整数时，其小数应进位到整数。

检修水泵台数n₃=0_。25 n₁，且n₃≥1，当n₃不为整数时_，其小数应进位到整数。

(2)、最大涌水量时，水泵工作台数n₄= Q₂/Q_b，

当n₄≤ n₁+ n₂时，则N= n₁+ n₂+ n₃，

当n₄≥ n₁+ n₂时，则N= n₄+ n₃。

   （3）、水文地质条件复杂、有突水危险的矿井，应根据情况增设水泵，或预留安装水泵位置。

（4）、当矿井水PH≤5时，应选耐酸泵。

三、排水管路计算和管路布置

 1、管路布置原则

（1）、根据《煤矿安全规程》第278条规定，井下排水管路应设工作管路和备用管路。工作管路应能在20h内排出矿井24h正常涌水量，工作管路和备用管路应能在20h內排出矿井24h最大涌水量。

（2）、根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》要求，每台水泵均能经两条管路排水，排水管路在泵站內宜作环形布置。

（3）、管路和水泵的匹配，宜一管一泵；如果水泵需要并联工作，一趟管路宜并联2台水泵，即一管二泵，最多不宜超过一管三泵；有时为了控制管内水的流速，1台水泵也可并联二趟管路运行。

（4）、水文地质条件复杂、有突水危险的矿井，视情况在井筒及管子道预留安装排水管位置。

2、管径计算

（1）、选择排水干管管径时，应根据矿井涌水量大小和矿井规模及服务年限，进行技术经济比较，确定合理的流速和管径。

（2）、管径计算

d_p=（Q/900πV ）^1/2 （m）,

式中:  Q—流经管内流量（m³/h）。一管一泵时Q=Q_b，一管二泵时Q=2Q_b，余类推

V—管內水流速度，一般排水管內V=1_。5~2_。2 m/s _,当d_p>200 mm时，可适当增大，但不宜超过2_。5 m/s _。

 3、管壁厚度计算，介绍两种方法：

  （1）、根据原煤炭工业部联合编写小组编写的《矿井提升、通风、排水、压风设备设计手册》中所推荐的公式计算：                        

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排水管外径 （mm）

 p—计算管段内部最大工作压力 （kg/cm²）

 k_z—管材许用应力 (kg/mm²)，且k_z=0_。25σ_B

σ_B—管材抗拉强度 (kg/mm²)，当不知钢号时，无缝钢管取k_z=8~10 kg/mm²，焊接钢管取k_z=6 kg/mm²。

C—附加厚度，一般取C=1 mm。

  （2）、根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》（送审稿）中推荐的公式计算：       

       δ=δ^’+c                  

δ^’= pD_w/[2.3×(Rφ- 6.4)+p]    (公式二)

式中:  p—计算管段的最大工作压力 （MPa）      

D_w—排水管外径 (cm )

 R—管材许用应力（MPa）,

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

 φ—管子焊缝系数。 无缝钢管取1;

螺旋焊接钢管：双面焊，全部探伤取1.

;    螺旋焊接钢管：双面焊，不探伤取0.7.

C—计入制造负偏差和腐蚀的附加厚度：

无缝钢管: C=0.15(δ^’+1)  (cm)

说明: 管壁厚度计算公式较多，煤炭系统比较公认的为四大件设计手册中所推荐的公式，即(公式一)。因此_，在《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》未批准实施前,设计宜采用(公式一)计算。但因按(公式二) 计算的管壁厚度比按(公式一) 计算的厚度大_，所以在上述设计规范批准后_，则应采用(公式二)计算，以使设计符合规范要求。

4、根据计算的d_p和δ，选择标准无缝钢管。

5、吸水管d_x,一般比排水管d_p大一级，取d_x,= d_p+0_。025（m），根据d_x, 选择标准钢管中管壁最薄的管子即可。

四、确定水泵工况点，检验排水系统（包括水泵和管路）设计选型计算的符合性。

    确定水泵工况点，就是求出水泵H-Q特性曲线和管网特性曲线H= H_c +RQ²

的交点。鉴于水泵样本给出的H-Q特性曲线，系由厂家通过模拟试验数据绘制而成，并不存在H=f(Q)函数关系，因此，不能利用解方程求解。目前一般都采用作图法确定水泵运行工况，其方法有二。

１、第一种方法，也即我院目前使用的方法，其步骤如下：

（1）、首先分段计算管路损失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、排水管部分阻力损失之和，按水泵与管路运行情况分别计算：

Δh_p=Δh_p1+Δh_p2= (R _p1+n² R _p2) Q²

（2）、绘制管网特性曲线H= H_c +RQ² 

 式中 H_c—测量高度，H_c= H_p+H_x 

R— 管道阻力，R= R_x + R _p1+ n² R _p2，

将H_c、 R数值代入，并考虑因沉积物使管径变小阻力增大系数，则

H = H_p+H_x+1_。7（R_x + R _p1+ n² R _p2）Q²（新管则不乘1_。7系数）。在不同的n值下（n=1、2、3），给出不同的Q值，即可绘出管网特性曲线 。

（3）、确定水泵运行工况点

水泵样本给出的H-Q特性曲线和绘出的管网特性曲线H= H_c +RQ²,两条特性曲线的交点M即为水泵运行工况点（如图1）。该点对应的Q、H、η、npsh，即是水泵运行时的流量、扬程、效率和必须的汽蚀余量。

        （贴插图1）

（4）、根据工况点对应的Q、H，检验矿井最大涌水量和正常涌水量时水泵工作台数、管路趟数及每天水泵工作时间。水泵和管路的各种配合运行方式，均应能保证水泵每天工作时间不超过20h。从图1可知，此时水泵的实际流量为Q_b＇，则要求：T₁=24Q_z/n Q_b＇≤ 20h，T₂=24Q_m /n Q_b＇≤ 20h 。同时检验排水管中水的流速，V= n Q_b＇/900πd _p2²，如超出经济流速范围，则应调整管路系统，或采取其它措施，直至满足要求。          

(5)、计算电动机的容量：

先按一管一泵（n=1）运行时水泵工况点对应的Q、H、η计算出水泵的轴功率：N=QHr/102×3600η

电动机的容量：N_d’=KQHr/102×3600ηη_m，

式中 K—电动机容量的富余系数，K=1_。1~1_。2，

η_m—傳动效率，直联取1，联轴节取1_。2，

r —矿井水的容重，一般r=1020 kg/m³。

根据N_d’选择电动机。（一般电动机由水泵厂成套供应）。

（6）、按水泵在管路未淤积前（即新管）一管一泵运行时水泵的工况计算水泵的轴功率，检验电动机是否过负荷。

２、第二种方法,即四大件设计手册中介绍的方法，其步骤如下：

（1）、首先分段计算出管路损失Δh

Δh=Δh_x+Δh_p1+Δh_p2，按一管一泵（n=1）运行，计算公式与第一种方法相同。

（2）、水泵总扬程

H_Z= H_c +1_。7Δh+1（新管则不乘1_。7系数）

（3）、建立管网特性曲线H_Z= H_c +RQ²

R=（H_Z- H_c）/ Q²，

（4）、确定水泵运行工况点

 　①、一管一台泵运行时水泵的工况点确定

一台水泵的H-Q特性曲线和管网特性曲线H= H_c +RQ²两条特性曲线的交点3即为水泵运行工况点，见图2）

   　②、一管二台泵并联运行时水泵的工况点确定

   两台同型号水泵并联特性曲线的绘制，是在相同扬程条件下，两台水泵流量相加绘成的，如图2所示。它与管网特性曲线（按一管一台泵运行）之交点1即为二台并联水泵的工况点，点1对应的Q、H为并联工作水泵的实际流量和扬程；点２为并联工作时每台水泵的工作点；点３为一台水泵单独工作时的工作点。从图2可知，Q= Q’₁＋Q’₁＝ 2 Q’₁，一般Q=（1_。8~1_。6）Q₁。

（贴插图2）

 

③、一管三台泵并联运行时水泵的工况点确定

   与一管二台泵并联运行时水泵的工况点确定方法相同，如图3所示。

（贴插图3）

 　

④、三台相同水泵向两条管路输水的并联工作，如图4所示。除了一条管路的特性曲线C—E外，还要绘制两条管路的合成特性曲线C—E’。合成特性曲线的绘制，是在同一扬程下把管路中的流量相加而成。图中：点1定出泵站的最大输水量，点2定出每条管路中的输水量，点３定出每台水泵的输水量。

（贴插图4）

⑤选择电动机和计算水泵工作时间，与第一种方法相同。

3、两种方法的比较

　第一种方法是先计算出一管一泵或一管多泵管路特性曲线，它们与水泵特性曲线的交点即为水泵运行工况点，也就是先定出单台水泵Q，再计算泵站输水量。而第二种方法则是先定泵站输水量，再定出每台水泵Q。但两种方法的共同点都是基于水泵并联运行时管中的流量Q成倍增加，并以此绘制并联后的水泵特性曲线和管路特性曲线。实际上流量Q并不是成倍增加（约为１_。８～１_。６倍），因而都存在一定的误差。但第一种方法中并联管路特性曲线是通过计算后一次绘制的，而第二种方法中并联管路特性曲线是通过人工二次合成的，因而相对误差较第一种方法为大。

五、泵站布置

   1、泵站主要尺寸

（1）、泵站长度 L=n L₁ +(n-1) L₂+(3~5)  (m)

式中: L₁—机组长度，

     L₂—机组间净间距，应满足电动机抽芯和水泵检修的需要，          

3~5 m是考虑值班室和堆放检修工具及零配件的需要，可视具体情况而定。

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

式中:  B₁—机组基础边（靠吸水井侧）至硐室壁的距离，

  B₂—机组基础宽度

  B₃—水泵或电动机外型（靠轨道侧）至基础中心距离，

  B₄—水泵或电动机或平板车中最大件宽度

，B₅—水泵启动控制箱的厚度，

  0_。3 m为考虑最大件通过轨道运输时两侧预留的间隙。

(3)、起重高度H=h₁+h₂+h₃+h₄+h₅+h₆+h₇

式中:  h_1——-机组基础高度

h_2——水泵轴中心至机组基础高度

  h_3——附加短管高度（不加时，h₃=0）

h_4——闸阀高度（当止回阀采用多功能控制阀时， h₄=0）

h_5——止回阀或多功能控制阀高度

h_6——三通高度

h_7——起重吊钩至起重梁底面高度

但当排水干管敷设在起重梁下时_，其H应满足法兰底部距泵站地面1_。8 m的要求。

2、其他相关尺寸

  （1）、水泵、吸水管、配水井、吸水井及水仓相互之间主要尺寸关系如图所示。

 

  

（贴插图）

 

a₀ ——短管长度，可根据实际情况确定；

a₁——偏心异径管长度，不宜小于大小管径差的5倍；

（a₀+a₁）——水泵入口前直管段总长度，不宜小于3倍的水泵吸水口直径；

b_l——吸水管滤网中心线距最近井壁的距离，距后壁可取（0_。8~1_。0）D_x；距侧壁可取1_。5 D_x，且不小于D_x+100mm;

D_{x————}吸水管滤网直径；

D_N——配水闸阀公称直径；

c₁——配水闸阀之间最小净距，不应小于150mm；

c₂——配水闸阀操作手轮之间净距，不应小于500mm；

c₃——配水闸阀操作手轮距配水井井壁间距，不应小于700mm；当双配水井集中布置共享一个壁龛时，可不受限制；

c₄——配水闸阀法兰距配水井井壁间距，不应小于200mm；

h_l——配（吸）水井最低水位到吸水管滤网上缘距离_，不得小于（1~1_。25）D_x，且不得小于500mm；

h_x——吸水管滤网下缘距吸水井底距离，不得小于（0_。6~0_。8）D_x，且不得小于500mm；

l_x——吸水管滤网中心线至吸水井入口距离，不得小于4D_x。

（2）、吸水井

  每台水泵宜单独使用一个吸水井，确定吸水井直径时应考虑水泵工作时吸水井內水面波动不太大，同时应考虑安装、检修、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，其尺寸大小应根据安装设备多少，考虑安装、检修、清理工作需要。

六、管路布置与安装

  1、管路敷设

 （1）、立井井筒中排水管敷设位置应与采矿专业协商，尽可能靠近梯子间，并留有足够的安装、检修和更换空间。

（2）、立井井筒中排水管底部应设置弯头管座及其支承梁。当排水管路垂高较大（大于400m）时，应在中间加设直管座及支承梁，其间距取100~150m。

（3）、排水管在井筒中间用管卡固定在防弯梁上。防弯梁一般利用罐道梁或梯子间梁，不能利用时，应设单独的防弯梁。管卡只起导向作用。

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

 2、主排水管路连接

（1）、当条件允许时应采用焊接连接。为了安装和检修方便，可部分焊接，部分法兰连接。

（2）、采用法兰连接时，与水泵和阀门等管路附件连接的法兰，应采用JB法兰，而管路连接的法兰宜采用GB法兰。

 3、管路支承梁计算

（1）、管路支承梁一般可直接选用槽钢、工字钢、H型钢等热扎普通型钢，必要时也可根据荷载需要，制作等截面焊接工字形的支承梁。钢材宜采用Q345钢。

（2）、支承梁荷载

   a、支承梁自重：即所选钢梁单位重量，可视为均布荷载。

   b、管重：应取支承梁以上相应管段排水管和连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，并考虑水锤影响。建议采用多功能水泵控制阀取代止回阀，以减轻水锤冲击力。

d、其它荷载：如果压风管、洒水管等也敷设于该支承梁上，亦应计入；

e、温度变化引起的作用力：Q=A*E*α*(T₂-T₁)

式中，A——水管横断面的金属面积（mm²）；

E——钢材弹性模量（N/ mm²）；

α——钢材线膨胀系数；

T_{2————}所论管段的环境最高温度（^。C）；

T₁——管路安装时的环境温度（^。C）。

（3）、支承梁可视为在一个主平面內受弯构件，并按国家标准《钢结构支设计规范》（GB50017-2003）的有关规定计算其强度和稳定性。

（4）、由于支承梁安装在井筒中，一般均在5 m左右，比较短，且所选作支承梁用的型钢的高厚比均较大，其刚度（挠度）一般可不予计算。