孔莊煤礦深井排水系統研究及應用
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摘 要：通過對排水設備的選型，水錘沖擊力的研究，采取了綜合防護措施，解決了千米立井排水的關鍵技術難題，合理確定孔莊煤礦千米深井排水系統。
關鍵詞：深井排水系統;設備選型;水錘沖擊;防范措施
孔莊煤礦新建礦井為混合立井，井底水平標高-1015米，井下主排水泵房布置在井底車場，兩趟排水管路沿混合井井筒敷設至地面，排水高度1050米。由于是千米以上深井開采，為保證井下安全生產，對排水系統可靠性、安全性提出更高要求。因此本文對深井排水系統設備選型、排水方式選擇、啟動方式、水錘解決方法進行研究。
1 排水設備選型
1.1 水泵和電動機的選型
孔莊煤礦正常涌水量超過300m3/h，并且排水高度超過1050米，排水泵的選型是關鍵。
方案一選用PJ200×12型礦用耐磨泵。首級葉輪采用雙吸結構，有利于提升水泵吸水高度，同時水泵揚程高，流量大，適應性強。系列中12級泵，即：MD420-96*12泵，額定流量420m3/H，揚程1100m滿足孔莊煤礦的排水垂高要求。
方案二是在原D型泵基礎上改進而成。特點水泵設計精度高，揚程高，各部件配合間隙小，水力損失小。但該型泵要求電動機高轉速，達到3000r/min，且要配備潤滑系統，管理難度大。該方案優點是設備初期投資稍低，缺點是水泵運行效率較低;年運行電費及噸水電耗較高。
經綜合比較后，決定采用方案一。即選用PJ200×12（即MD420-96*12）型耐磨多級離心泵，配型南陽防爆電機廠生產的礦用隔爆異步電動機，型號YBXn560-4，功率2240kW。
1.2 排水方式的選擇
煤礦井下排水有接力排水和直接排水兩種方式：
接力排水——該種方式對設備性能要求小，設備選擇多。但需要布置兩個排水泵房，不僅系統復雜，而且排水效率低，噸水成本高，初期投入高。
直接排水——該種方式系統簡單，管理難度小，排水效率高，噸水成本低。但對排水設備性能要求高，設備選型余地小，同時要有防水力沖擊措施，保證設備運行安全。
由于混合井井筒較深，若采用分段排水，需要解決供電，硐室布置，增加水平和水倉，人員上下、井筒電纜的敷設等問題，分段排水礦建工程投資增加500萬元。從技術經濟角度考慮，孔莊煤礦新建混合立井采用直接排水方式比較合適。
1.3 排水泵的工況點計算
管路特性曲線方程：
新管 H=Ht+R1Q2=1066.5+0.000259Q2
舊管 H=Ht+R2Q2=1066.5+0.000441Q2
式中：R1、R2—管路阻力，經結合排水系統的管路附件數量、直管段長度等因素計算后：
新管時R1=0.000259，舊管時R2=0.000441。
水泵工況點參數：
新管：流量435.1m3/h、揚程1115.6m、效率76.5%、軸功率1779.8kW、最大吸水高度5.58m。
舊管：流量404m3/h、揚程1138.5m、效率74.9%、軸功率1722.2kW、最大吸水高度5.1m。
正常涌水時1臺水泵工作，1臺備用，1臺檢修;最大涌水時二臺水泵同時工作，1臺備用。
新管，正常涌水時排水時間18h，符合要求，最大涌水時排水時間10h，符合要求。
舊管，正常涌水時排水時間19h，符合要求，最大涌水時排水時間為11h，符合要求。
1.4 排水管路趟數、規格及其它
泵房及井筒內排水管路選用無縫鋼管二趟，型號為Ф325×22。正常工作時管路為一趟工作，一趟備用，最大涌水時二趟管路同時工作。在水泵出口安裝電控閘閥及逆止閥，遠程操控。
1.5 水泵啟動及啟動設備選型
采用水泵直接啟動方式時，啟動電流一般為5～7倍額定電流，起動轉矩小。過大的啟動電流會造成變電所母線壓降過大，影響變電所其他設備的正常運行。選用了套1拖2的軟啟動設備，該設備保護功能齊全，可有效降低啟動電流。軟啟動設備投入運行以后，水泵啟動時，可有效降低啟動電流，提高啟動轉矩，從而保證了其他設備的正常運行。
2 水錘沖擊的解決辦法
產生水錘沖擊的原因有：①閥門開啟或者關閉時水力沖擊;②水泵啟動或者停止時水力沖擊;③發生事故，水泵突然停止運行水力沖擊。前兩種情況是在操作過程中，管路內水流發生急劇變化產生的水力沖擊，有效的解決方法是在控制程序內設置好閥門開啟關閉時間，避免水流急劇變化。通過降低管路中的水流速度可以減少水力沖擊壓力，孔莊煤礦排水管內正常流速為2.2～2.3m/s。為減少水錘沖擊，可采取以下防護措施：①水管管壁適當加厚，逆止閥選用16MPa等級;②井筒排水管托管梁考慮水錘沖擊壓力。
3 防護措施
1）延長水泵閥門開啟和關閉時間;
2）停泵時，待出水閥門完全關閉后，再停泵;
3）水泵啟動時應在水泵出口壓力達到10MPa以后，再慢慢開啟水泵出水口閥門。
4 結語
經過半年的運行狀況分析和水泵、電機的日常維護分析，排水系統運行情況良好，未出現排水管漏水，水泵噪音大，震動大的情況，系統各參數均在正常范圍內，并且排水系統一次試水成功，確保新建礦井的正常生產，也對全國千米深井排水系統具有可靠的借鑒意義。
參考文獻：
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[2]徐澤植.常用供配電設備選型手冊[K].北京：煤炭工業出版社，2005.
[3]顧永輝.煤礦電工手冊（第二分冊）礦井供電（上）[M].北京：煤炭工業出版社，1997.
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