王建理

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.19.054

摘 要：矿井企业要降低生产成本，提高生产效率，就应该对矿井主排水系统进行有效的优化设计和改造。应该通过优化设计和改造，保障矿井主排水系统运行的安全性和可靠性，同时不断地降低矿井主排水系统的能耗。该文针对矿井主排水系统的优化设计和改造提出了一些具体措施，供相关人员参考借鉴。

关键词：矿井主排水系统 优化设计 改造

中图分类号：TD744 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（a）-0054-02

2007年我国制定了《矿山固定设备选型使用手册》，大部分矿井都是以该手册为基础，对矿井主排水系统进行设计。在近10年的运行实践过程中，针对矿井主排水系统暴露出的一些问题，应该对其进行进一步的优化和改造，不断地提高矿井主排水系统的可靠性、环保性，提高矿井主排水系统的技术含量，获得更好的经济和环保效益。

1 改造和优化泵房

1.1 泵房底板问题

当前绝大部分矿井都通过冲水的形式来打扫泵房，因此在对泵房地面进行设计时，为了使水流能够流向吸水小井，避免泵房积水，应该使泵房地面具有一定的坡度[1]。

1.2 泵房断面问题

如果设计较大的泵房断面有利于日常维修、扩容改造、泵房断面拆除和安装，但是具有较大的工作量。而且如果井深地压较大，还可能加速变形。因此矿井在对泵房的高度、宽度和长度进行设计时尽量选取较大的数值。

1.3 泵房通风问题

在矿井直接排水系统中，一般在井筒附近设置泵房。井筒附近具有较好的通风条件，如果需要联合运行多台泵，则应该设置临时的通风设备。在分段排水系统中，没有在副井附近设置当下水平泵房。当下水平泵房必须具有良好的通风条件，而且其通风往往不及上水平泵房。

2 对矿井主排水系统进行优化设计和改造

2.1 选择主排水泵

在矿井主排水系统的优化设计中，离心水泵的应用越来越普遍。这是由于离心水泵便于维护，具有较低的设备投资和较高的运行效率，因此隔爆型电动机组和卧式离心泵的基础模式在很多矿井主排水泵房中得到了应用。井下各局供排水场所可以选择风动潜水泵，或者小流量低扬程防爆潜水电泵，这两种排水泵运行方式相对灵活，而且安装比较简单。

离心水泵包括泵架、泵轴、叶轮、泵壳，这种抽水机械主要是对水的离心运动进行利用。当叶轮淹没于水中时，离心水泵的内部就会出现真空，从而能够进行排水。因此要使离心水泵能够正常工作，在启动前就应该注满水。启动之后泵中的水在叶轮的带动下开始高速旋转，出现离心运动，然后被甩出和压入水管。水的甩出减小了叶轮附近的压强，从而形成了一个低压区，避免外部的水进入泵内。这样一来随着离心水泵的转动，低处的水就不断地被抽到高处。要保障矿井主排水系统的运行可靠性，就必须保障注水环节的可靠性。大气压决定了离心式水泵的吸水扬程，也就是其抽水高度，在离心式水的吸水扬程中，1标准大气压能够对10 m高的水柱进行支持，通过大气压将水压进低压区，因此10 m是离心式水泵的吸水扬程理论极限值，一般情况下实际的吸水扬程难以达到理论极限值，这主要是由于离心水泵汽蚀的存在[2]。气蚀属于液体动力学现象，能够腐蚀金属。在离心水泵中出现气蚀会造成金属表面的麻点、穿孔甚至剥落，直至整个壁面被穿空。因此在离心水泵的吸程中要对气蚀的余量进行预留，也就是从最大吸水高度中减去吸水管路的沿程阻力损失和气蚀余量，将离心泵的吸水高度得出来。事实上离心泵的制造厂商会根据实验将实际允许吸上真空高度的Hs值确定下来，并提供给用户，一般情况下为4～6 m。

2.2 设计水仓的容量和长度

一般情况下水仓内的流速不超过0.005 m/s，最长停留时间为6 h，水仓的最小长宽为110 m。如果就较小的矿井涌水量，可以适当地延长水泵的持续运行时间，同时提高水仓的有效容量，从而达到避峰填谷的目的。

应该对当前的水槽设施进行一定的改造。在建设初期底板一般略低于道木，便于底板积煤和人员行走，如果矿井的清仓较少，那么往往会铺设临时道。在正常生产的过程中，如果需要清理和探查水仓，则应该在巷顶或巷帮上预留照明挂钩和风筒挂钩。在改造时还应该对清仓设备的安装预留设施进行考虑。例如：如果进行水力清仓，就应该对管路托梁进行预留。应该将沉淀池设置在水仓的入口处，并且牢固地浇筑水仓，避免其漏水。

2.3 选择和安装排水管

如果排水管路需要对一定的流量进行排送，那么为了减少扬尘损失，降低能耗，就应该适当地扩大管径，但是这也会增加基建投资。而且在水泵运行的过程中管径过大，可能会造成电机过载的问题。但是如果管径过小，尽管可以减小基建投资，但是却会造成主排水系统的能耗过高，而且具有较大的扬程损失。管径较小的水管很容易结垢，一旦排水管结构，会进一步加大扬程损失[3]。

排水管的经济流速一般为1.5～2.2 m/s，管内流速不得低于0.8 m/s，否则排水管内可能会出现严重的挂污。吸水管的流速一般为0.8～1.5 m/s，但是还要对灾害排水和正常排水这两种情况进行分别考虑，制定排水管的流速上限。如果管路直径为150 mm，最大流不得超过2.45 m/h，最大流量不得超过154.8 m3/h；如果管路直径为175 mm，最大流不得超过2.49 m/h，最大流量不得超过216 m3/h；如果管路直径为200 mm，最大流不得超过2.69 m/h，最大流量不得超过299.88 m3/h；如果管路直径为250 mm，最大流不得超过2.72 m3/h，最大流量不得超过479.88 m3/h；如果管路直径为300 mm，最大流不得超过2.71 m/h，最大流量不得超过691.2 m3/h。还要考虑到排水管的壁厚，尽量选择较大的附加厚度进行计算。

排水管路的安装可以分为两种形式：另作管路钻孔、井筒内安装。井筒内安装的缺点在于容易产生伸缩变形，管路容易锈蚀，但是其维护量较小，安装投资少。相反管路钻孔需要较大的初期投资，但是能够减小温差变形，避免管路锈蚀，无需后期维护。当前很多矿井开始应用特塑钢编复合管、聚乙烯涂层复合钢管，这两种钢管管壁不易结垢、阻力小、耐腐蚀。

要注意避免产生水锤，在管路流速为1.2 m/s、排水管路长、排水任务重、矿井较深的排水系统中，很容易出现水锤的问题，水锤会造成井筒排水管路的变形，同时破坏泵房内的环形管，损坏逆止阀。停泵不利和停电都可能造成水锤，应该尽量减少弯头的管线，牢固的固定排水管，加装水泵多功能逆止阀，尽量实现合理供电，减少电气故障的发生。为了实现变频控制，还可以使用泻压溢流装置[4]。

2.4 设计和改造注水方式

只有当离心水泵的泵腔中都注满水时，才能对离心水泵进行启动。当前主要有两种离心水泵冲水的方法，分别为射流泵抽真空和真空泵抽真空，矿井也可以根据自身的考虑将两者互为备用。

射流泵抽真空的动力源是压缩空气或压力水源，是一种纯机械装置，这种充水方式具有较低的能耗，但是具有相当复杂的管路闸阀系统，而且每次启动都需要使用压缩空气或压力水源，具有比较复杂的自动化控制，需要较长时间进行启动，而且很容易出现管路系统漏气的问题。

真空泵抽真空方式的抽真空系统，主要包括真空表、电磁阀、管路、真空泵，但是这种方式同样具有自动化控制复杂、启动时间长、管路闸阀系统复杂的缺点，且需要配置真空泵，要占用较大的泵房硐室空间，而且也容易出现管路系统的漏气。

要启动水泵，必须对启动的各个环节进行精确的计算。如果使用人工计算具有较大的工作强度，而且操作过程相当繁琐，错误率较高，很容易出现多泵磨损不均的问题。因此在对矿井主排水系统进行优化设计时，可以在水泵房设备中运行集中控制器，实现在线监视，能够对闸阀的开关及开度和水泵的启停进行手动和自动控制，而且具有自动诊断功能。经过改造之后的矿井主排水系统能够实现集中管理和优化管理，安全效益和经济效益都得到了明显的提高。而且老矿井排水系统存在的漏水问题得到了妥善解决，避免了水淹大巷的情况出现，保障了矿井的正常提升和生产，具有良好的效益。

3 结语

通过对矿井主排水系统进行优化设计和改造，能够进一步提高矿井主排水系统运行的可靠性和安全性，使矿井主排水系统更加完善，对原有的泵房、水仓等进行进一步的改造。与此同时，矿井主排水系统中还应该对照明系统、消防系统、电缆吊挂进行科学的设计。

参考文献

[1] 李令德.矿井主排水系统检验若干问题探讨[J].科技传播， 2014（17）：226-227.

[2] 王培培，任家富，孙秀丽.煤矿排水系统的自动控制与监控[J].中国集成电路，2013，22（7）：83-86.

[3] 张乐芳，李超.嵌入式技术在煤矿排水系统中的应用[J].煤炭技术，2013（10）：148-150.

[4] 周远生.煤矿在用主排水系统检验工作中应注意的问题[J].煤矿机械，2012，33（10）：224-226.