李元堃

（宁夏煤矿设计研究院有限责任公司，宁夏 银川 750021）

矿井排水系统应根据实际排水路线进行技术经济对比，本文以国能集团宁煤分公司金凤煤矿+1125m 水平排水系统为具体案例，对机械管道压力排水和重力排水2 种方案进行详细计算比选，对同类型矿井排水系统设计具有重要参考意义。

1 设计依据

金凤煤矿为国能集团宁煤分公司主力生产矿井，随着矿井生产开拓需要，金凤煤矿委托宁夏煤矿设计研究院对矿井北部区域进行延深设计，笔者为该设计主要参与者。

设计需在矿井北部区域+1125m 水平设排水泵房，建立北部区域+1125m 水平排水系统，将北部区域涌水排至矿井现有+1150m 主水仓，再由+1150m 水平排水系统接力排至矿井地面污水处理厂。

北部区域预计正常涌水量550m3/h，最大涌水量900m3/h，排水路线为：+1125m 水平水泵房→管子道→北部区域回风巷→缓冲水仓→北部区域带式输送机大巷→+1150m 水平主水仓，排水线路总长3910m。

整个排水路线分为上、下坡两部分。上坡段：+1125m 水平排水泵房→管子道→北部区域回风巷，最高点巷底标高+1223m，排水垂高+98m；下坡段：北部区域带式输送机大巷→+1150m 水平主水仓，排水垂高-73m（见图1 排水路线平、剖面图）。

图1 排水路线平、剖面图

2 排水方案

根据矿井涌水量，+1125m 水平泵房内排水设备初步选择5 台MD450-60 型多级矿用耐磨离心泵，在整个排水路线中针对上、下坡段如何进行排水拟选择两种方案进行对比。

方案一，矿井北部区域涌水由北部+1125m 水平水泵房排水设备，通过排水管路沿管子道、北部区域回风巷敷设至缓冲水仓，再由北部区域带式输送机大巷巷道内的水沟自流至矿井+1150m 主水仓。

方案二，矿井北部区域涌水由北部+1125m 水平水泵房排水设备，通过管路沿排水线路全程敷设，将矿井水排至+1150m 主水仓。

2.1 排水管直径计算

按2m/s 经济流速计算排水管直径：

选直径为φ325×8mm 无缝钢管Dg=309mm。

2.2 水沟流量计算

水沟容许最大流量计算公式如下：

式中，Q 为水沟流量（m3/s）；F 为水沟过水断面积（m2）；V 为水流速度（m/s）；C 为谢基系数；R 为水力半径（m）；P 为过水周界(m)；i 为水沟底坡坡度；n 为水沟粗糙度；（一般混凝土面0.014，粗糙混凝土面0.017，不构筑的水沟0.02）。

Y 为与n 和R 有关的指数，采用上述公式计算（或按近似公式计算：R＜1.0m 时，，R＞1.0m 时，；计算结果见图2。

图2 水沟流量计算结果

2.3 排水方案比选

排水路线上坡段全长810m，起点标高+1125m，终点标高+1223m，排水垂高+98m，应采用机械管道压力排水。排水路线下坡段全长3100m，起点标高+1223m，终点标高+1150m，排水垂高-73m，坡度（23.55‰），符合明渠均匀流的特点，适合采用重力自流排水。

方案一与方案二均为从泵房至排水路线最高点敷设管路采用机械压力排水，区别在于：方案一上坡段敷设管路排水（线路长810m），下坡段使用巷道内水沟自流排水（线路长3100m），需将现有水沟断面扩大；方案二全程敷设排水管路（线路长3910m）。

北部区域带式输送机大巷内现有水沟断面为矩形（300×300mm），经计算，现有水沟断面尺寸不满足矿井正常及最大涌水时排水要求，需扩大水沟断面尺寸。在设计水沟时，需注意以下几点：水沟的宽度与深度应以50mm 为模数，以便于设计和施工；水沟在使用过程中需定期清理，因此水沟的宽度应大于清理工具的宽度，以便清理；水沟中水流过满会溢出，规定水沟的充满系数不应大于0.75，安全高度（水面至水沟沟缘的高度）应不小于50mm，保证水沟中的水流不溢出。

经计算比较，水沟断面2 不满足矿井最大涌水时3台水泵同时工作时流量（1350m3/h）要求，断面1 与断面3 均满足流量要求，但断面1 水沟尺寸大于断面3，本着满足排水需求的前提下尽可能减小的水沟尺寸，选择断面3 作为方案二的水沟断面（见图2 为水沟流量计算结果）。

由表1（北部区域+1125m 水平排水系统方案对比表）可知，运营费用方案一略优于方案二，设备投资方案二远高于方案一；方案一在排水路线下坡段需扩大水沟断面尺寸（300mm×300mm 扩为500mm×450mm）；方案二需在整个排水路线上敷设三趟3910m 长、规格为φ325×8 的排水管路，管路材料费和安装费投资大，综合考虑设计推荐方案一为本次排水系统设计方案。

表1 北部区域+1125m 水平排水系统方案对比表

3 排水系统设备选型

3.1 水泵及排水管路

北部区域+1125m 水平水泵房选用MD450-60×2 型多级离心泵5 台，单台流量335 ～500m3/h，扬程130～114m，转速1480r/min；选用3 趟φ325×8mm 无缝钢管，由+1125m 水平水泵房经管子道、北部区域回风巷敷设至缓冲水仓，再由北部区域带式输送机大巷内的水沟经重力自流至+1150m 水平主水仓，排水线路总长3910m（机械增压排水路线长810m，重力自流排水路线长3100m）；正常涌水量时2 台水泵工作2 台备用1 台检修、配2 趟排水管路，最大涌水量时3 台水泵工作2 台备用、3 趟排水管路同时工作（详见表2 北部区域+1125m 水平水泵房排水设备技术参数表）。

表2 北部区域+1125m 水平水泵房排水设备技术参数表

3.2 电动机

设计每台水泵选YB355L1-4 型隔爆电动机1 台，功率280kW，电压10kV，转速1480r/min。

3.3 水泵工况点

根据H ＝Ha ＋Hs ＋R×Q2绘制管路特性曲线，得出水泵在新管与旧管运行时的工况点，详见图3 排水性能曲线图。

图3 排水性能曲线图

新管时的工况点：流量：498m3/h，扬程：113.8m，效率：79%，水泵轴功率：205.1kW。

旧管时的工况点：流量：434.6m3/h，扬程：123.0m，效率：78%，水泵轴功率：196.0kW。

3.4 水泵房

北部区域+1125m 水平水泵房排水系统设计采用ZPB型中压气液两用喷射泵起动方式，使水泵实现无底阀排水。为便于水泵检修，泵房内设置起重梁和环链手拉葫芦。泵房配水井内安装PZ1000-1 型配水闸阀，配水闸阀直径Dg1000、公称压力Pg1。

4 结语

相比传统机械压力管道排水系统，重力自流排水投资小能耗低，但使用条件受限于排水路线上的巷道坡度，建议排水路线经过的巷道坡度满足重力排水的情况下尽可能采用重力自流排水系统。使用重力自流排水系统时，需定期对水沟进行清淤，以免水沟断面积减小产生巷道底板积水，如巷道坡度较大导致水流速度过快时，可视情况在排水路线上设置缓冲水仓存储水流势能避免水沟内矿井水淤出。