矿井主排水系统设计方法探讨

 

　　矿井主排水系统安全可靠运行是矿井安全生产的重要保证，主排水设备还是矿井的耗电大户，其效率的提高能降低生产成本提高企业竞争力。目前矿井主排水系统还存在系统不完善、管理困难、自动化程度低等问题。本文总结了矿井主排水系统设计观点，提出了新的设计方法，可大大提高矿井排水的安全性、可靠性和经济性。现简述如下，与同行共同探讨。

 

　　因为离心水泵具有运行效率高、设备投资低、现场维护方便等优点，所以目前矿井主排水泵房通常采用卧式离心泵配隔爆型电动机机组模式，而矿用大流量高扬程潜水泵由于产品较少，设备效率较低等原因，还未在矿井主排水泵房普及应用。小流量低扬程防爆潜水电泵和风动潜水泵以其安装简单，运行方式灵活等特点，被广泛用于井下各局部排水场所。

 

　　离心水泵是一种利用水的离心运动的抽水机械，由泵壳、叶轮、泵轴、泵架等组成。离心水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能造成必要的真空度实现正常排水，因此，启动前的注水是离心水泵工作的重要操作项目之一。起动前应先往泵里灌满水，起动后旋转的叶轮带动泵里的水高速旋转，水作离心运动，向外甩出并被压入出水管。水被甩出后，叶轮附近的压强减小，在转轴附近就形成一个低压区。这里的压强比大气压低得多，外面的水就在大气压的作用下，从进水管进入泵内。博士论文，优化。博士论文，优化。进入泵体的水在随叶轮高速旋转中又被甩出，并压入出水管。叶轮在电动机带动下不断高速旋转，水就源源不断地从低处被抽到高处。

　　水泵起动过程可概括为以下几个环节：注水环节、闸阀操作环节、稳定运行环节，注水环节是整个排水系统可靠运行的第一步，同时也是关键一步。

　　离水式水泵的抽水高度称为扬程。离心水泵的吸水扬程由大气压决定。它是采用“吸进来”、“甩出去”，的方法来抽水的。第一级扬程称为“吸水扬程”，叶片旋转形成一个低压区，靠大气压把水压入低压区，而1标准大气压能支持约10米高的水柱，所以吸水扬程的理论极限值是10米。但由于离心水泵汽蚀现象的存在，实际吸水扬程远小于10米。

　　汽蚀是一种液体动力学现象，对金属起化学腐蚀作用，致使金属表面出现麻点以导致穿孔，严重时金属晶粒松动并剥落呈现出蜂巢状甚至把壁面蚀穿,以致材料受到破坏,泵体损坏。为避免产生汽蚀现象，离心水泵的吸程中必须预留汽蚀余量，最大吸水高度减掉汽蚀余量和吸水管路沿程阻力损失，就得到离心泵的吸水高度。而实际的允许吸上真空高度Hs值并不是根据理论计算值，而是由泵制造厂家实验测定的值，此值附于泵样本中供用户查用，一般为4~6米。但应注意的是泵样本中给出的Hs值是用清水为工作介质，操作条件为20℃及及压力为1.013×105Pa时的值，当操作条件及工作介质不同时，需进行修正换算。离心水泵实际的允许吸上真空高度决定了水泵安装高度，即水泵距最低水面的距离一般为4~6米。水泵的吸水高度也确定了水仓底板距水泵房底板的高差。博士论文，优化。

　　根据《煤矿安全规程》要求，当正常涌水量在1000m3/h以下时，主要水仓的有效容量应能容纳8h的正常涌水量 ，当正常涌水量在1000m3/h以上时，主要水仓的有效容量应满足V=2(Q+3000)m3 。如前所述，由于离心水泵的吸水高度较小，水仓深度即水泵的最低吸水位较小，为满足规程要求的水仓容量，只有加大水仓宽度、延长水仓长度，这样就增加了水仓开拓工程量，增大了井下巷道布置难度。

 

　　由上叙述得知，离心泵只有在泵腔中充满水的情况下才允许启动，目前为离心泵充水的方法主要包括真空泵抽真空和射流泵抽真空两种，或者两者互为备用。

　　1、真空泵抽真空方式的安装系统如图1所示，真空泵、管路、电磁阀和真空表等共同组成抽真空系统，该方式主要缺点是需要配置真空泵、占用泵房硐室空间大、管路闸阀系统复杂、管路系统漏气、启动时间长、自动化控制复杂。

　　2、射流泵抽真空方式的安装系统如图2所示，射流泵为纯机械装置，以压力水源或压缩空气为动力源，是一种低能耗充水方式，其主要缺点是首次启动时需要压力水源或压缩空气、管路闸阀系统复杂、管路系统漏气、启动时间长、自动化控制复杂。

　　水泵起动过程主要包括以下几个环节：注水环节、闸阀操作启泵环节、稳定运行环节，关闭闸阀停泵环节，每一个环节都需要精确连续、环环相扣，采用人工操作时操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、要求操作工人经验丰富。人工操作存在操作失误多、多泵磨损不均等问题。矿井自动排水装置采用集中控制器对水泵房设备运行实行在线监控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关及开度，并具有自诊断功能。这不仅解决了传统人工操作存在的问题，而且提高了矿井排水的安全性和可靠性，提高了矿井主排水系统的自动化水平。博士论文，优化。矿井自动排水装置主要有如下功能：

　　控制系统用于井下水泵房的集中分布控制；在井下泵房集控室设PLC集中控制站，采集各种信号，按照工艺流程控制各台水泵及相应的闸阀，显示各种工作状态。整个集中控制系统由PLC集控及监控部分、就地控制部分和现场设备三大部分组成。

　　采用集中控制器对水泵房设备运行实行在线监控，自动、手动控制水泵的启

　　停及闸阀的开、关及开度，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。

　　控制系统通过以太网接入矿井工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井

　　的监控系统信息共享。

　　根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作。博士论文，优化。

 

　　不论是采用真空泵还是采用射流泵抽真空注水，因为离心水泵必须在真空度达到设定值时才允许启动，所以启动过程中，对抽真空系统包括抽真空设备、管路及阀门、泵体及泵抽口闸阀的密封性要求较高，对真空度的检测要适时、准确。自动控制系统需在每台水泵吸水口上安装真空传感器、还要在真空系统出水管路上装设流量传感器，才能准确检测真空系统的运行状态和参数，增加了自控系统输入输出控制点的数量，增大了系统运行故障率。泵体及抽口闸阀、真空系统的任何一个环节出现密封问题，都会造成抽真空失败，进而影响水泵启动。

　　针对目前主排水泵的充水环节存在的缺点，结合离心水泵吸程较小造成水仓宽度加大、长度增加现状，采用在离心主泵的吸水管路末端装设潜水副泵，用于离心主泵充水。潜水副泵安装示意图见图3。通过使用发现，这一局部调整为整个排水系统带来全新面貌，明显提高了矿井主排水系统的安全性、可靠性和经济性，简化了排水自动化系统的控制环节，提高了排水自动化程度。潜水副泵的主要作用包括一下几个方面：

　　1、直接为离心主泵充水，充水时间短，离心主泵启动时间短。潜水副泵启动后快速为离心主泵充水。由于无需抽气设备及管路，系统简单，避免了因抽气系统的漏气问题而影响整个排水系统的重大事故。如果吸水高度满足，离心主泵启动后潜水副泵可以退出运行，仅作为吸水管中的一部分，但增加了离心主泵的吸程运行阻力。当然潜水副泵也可与主泵串联运行。

　　2、当潜水副泵启动后仍与主泵串联运行时，离心主泵吸水口相当于正压运行，系统效率将明显提高，排水电耗降低，达到节能效果。

　　3、《煤矿安全规程》要求水仓容量必须满足矿井8h容水量，按传统抽气式排水时，受离心主泵吸水高度限制，水仓与泵房底板垂直高差比较小，水仓宽度和长度较大，当潜水副泵启动后仍与主泵串联运行时，可以不受离心主泵吸水高度限制，适当加大水仓底板和水泵房底板的垂直高差，减小水仓宽度和长度，减小了井下水仓开拓工程量和井下巷道布置难度。

　　4、使用潜水电泵后，取消了抽真空系统，系统简化，控制点数大量减少，运行可靠性大大提高，排水系统自动化程度提高。

 

　　1、潜水副泵扬程的确定

　　潜水副泵的流量应接近且大于离心主泵的流量，为减小吸程阻力损失，吸水管管径应比排水管管径大一级。否则在离心主泵的吸水口容易产生汽蚀。如果两泵串联运行，离心主泵的入口结构应能承受一定的正压。

　　2、潜水副泵扬程的确定

　　为了保证充水功能，潜水泵扬程须大于离心水泵的吸水高度。为方便水仓的设计和施工，潜水泵的扬程须与水仓入口标高相适应。

 

　　综上所述，通过对矿井排水系统传统设计方法的优化，大大提高了排水系统的自动化程度，不仅减少了工人的劳动强度，而且提高了矿井排水系统的安全性和可靠性。博士论文，优化。

　　以上排水设计方案不仅适用于老旧排水泵房改造，同样也适用于新建排水泵房的设计。

　　李井民，机电高级工程师。1992年毕业于山东科技大学，一直从事矿井主要设备选型和系统设计，先后参加了几十座矿井的设计工作，完成了矿井提升系统、通风设备、主排水系统和压缩空气系统的方案和施工设计。