矿井排水设计

第一部分矿井排水设备选型设计述1概2设计的原始资料开拓方式为立井，其井口标高为+12m,开采水平标高为-250m, 正常涌水量为320ma/h；最大涌水量为650ma/h；持续时间60d。矿 水PH值为中性，重度为10003N/m3,水温为15C。该矿井属于低 沼气矿井，年产量为120万吨。3 排水方案的确定在我国煤矿中，目前通常采用集中排水法。集中排水开拓量小， 管路敷设简单，管理费用低，但由于上水平需要流到下水平后再排出， 则增加了电耗。当矿井较深时可采用分段排水。涌水量大和水文地质条件复杂的矿井，若发生突然涌水有可能淹 没矿井。因此，当主水泵房设在最终水平时，应设防水门。在煤矿生产中，单水平开采通常采用集中排水；两个水平同时开 采时，应根据矿井的具体情况进行具体分析，综合基建投资、施工、操作和维护管理等因素，经过技术和经济比较后。确定最合理的排水 系统。从给定的条件可知，该矿井只有一个开采水平，故可选用单水平 开采方案的直接排水系统，只需要在井底车场副井附近设立中央泵 房，就可将井底所有矿水集中排至地面。4水泵的选型与计算根据煤矿安全规程的要求，主要排水设备必须有工作水泵、备用水泵和检修水泵。工作水泵的能力应能在20h内排除矿井24h的 正常涌水量（包括充填水和其他用水）。备用水泵的能力应不小于工 作水泵能力的70%，并且工作水泵和备用水泵的总能力，应能在20h 内排出矿井 24h 的最大泳水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能 力的 25%。水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况在主水泵房内 预留安装一定数量水泵的位置，或另增设水泵。排水管路必须有工作和备用水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排完24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力， 应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。4.1 水泵必须排水能力计算Q = 24 qQb 20正常涌水期=1.2q = 1.2 x 320 = 384m3 / hz24最大涌水期Q =maxq = 1.2q = 1.2 x 650 = 780m3 / h20 max max式中Q B工作水泵具备的总排水能力， m3/h ；Qmax工作和备用水泵具备的总排水能力， m3/h ；矿井正常涌水量， m3/h ；max矿井最大涌水量，m3 / h 。4.2 水泵所需扬程估算由于水泵和管路均未确定，无法确切知道所需的扬程，所以需进行估算，即式中Hsy250 + 12 + 40.9=296 m估算水泵所需扬程，m；H 侧地高度，即吸水井最低水位至排水管出口间的 sy高度差，一般可取 H =井底与地面标高差+4（井sy底车场与吸水井最低水位距离）， m ；管路效率。当管路在立井中铺设时,n =0.90.89；g当管路在斜井中铺设，且倾角a 30。时,n =0.830.8； a = 30。20。时，n =0.80.77； gga i Q 450e=0.85取 n=11备用水泵台数n $0.7n =0.7 X 1=0.7 和 n 三Q /Q -n = 78 /450T=0.732 1 2 max e 1 取 n=12检修泵数n $0.25 n =0.25X1=0.25，取 n =1313因此，共选 3 台泵。5管路的选择5.1 管路趟数及泵房内管路布置形式根据泵的总台数，选用典型三泵两趟管路系统，一条管路工作一条管路备用。正常涌水时，一台泵向一趟管路供水；最大涌水时，两台泵同时工作就能达到20h内排出24h的最大涌水量，故从减少能耗的角可采用两台泵向两趟管路供水，从而可知每趟管路内流量 Qe等于泵的流量。5.2 管材的选择由于井深远大于 200m ，确定采用无缝钢管。dp5.3 排水内径二 .0188产=0.0188 Wj m=0269 -0326 mp式中 d 排水管内径， m ；pQ 排水管中的流量， m3 / h ；v 排水管内的流速，通常取经济流速V =1.52 . 2 pp(m/ s)来计算。从表11预选325X 8无缝钢管，则排水内径d = (325-2X8) mm =p309mm表 1-1 热轧无缝钢管(YB231-70)外径/mm壁厚/mm外径/mm壁厚/mm外径/mm壁厚/mm893.5 24.01464.5 36.02737.0 50.0953.5 24.01524.5 36.02998.0 75.01023.5 28.01594.5 36.03258.0 75.01083.5 28.01685.0 45.03518.0 75.01144.0 28.01805.0 45.03779.0 75.01214.0 32.01945.0 45.04029.0 75.01274.0 32.02036.0 50.04269.0 75.01334.0 32.02196.0 50.04599.0 75.01404.5 36.02457.0 50.04809.0 75.0常用壁2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.05.5 6.0 6.57.0 7.5 &0 & 5 9.0 9.510厚尺寸111213141516171819 20 22 2528 30 3236 40 50 56系列60 63 70 755.4 壁厚验算5 0.5dp式中d 所选标准内径，cm；p管材许用应力。焊接钢管o =60MPa,无缝钢管o =80MPa；zz管内水压，考虑流动损失，作为估算p = 0.011H MPa ；BC附加厚度。焊接钢管C二0.2cm，无缝钢管C二0.10.2cm。所选标准壁厚应等于或略大于按上式计算所得的值。吸水管壁厚不需要验算。0.5 * 30.9 严游IF - 1+ 0.15=0.704cm 0.8cm因此所选壁厚合适。5.5 吸水管径据根选择的排水管径，吸水管选用351X8无缝钢管。6工况点的确定及校验6.1 管路系统管路布置参照图1-2 所示的方案。这种管路布置方式任何一 台水泵都可以经过两趟管路中任意一趟排水，排水管路系统图如 图 1-2 所示。图 1-2 泵房管路布置图6.2 估算管路长度排水管长度可估算为：L =H + （4050） m=266+ （4050） m= （306316）m p sy取L = 3 15m，吸水管长度可估算为L=7m 。px6.3管路阻力系数R的计算沿程阻力系数吸水管0.021 0.021人 = =0.3 = 0.0292xdx30.3350-3排水管0.021 0.021A= 0.0299pdp0-30.3093局部阻力系数吸、排水管及其阻力系数分别列于表 1-3、表 1-4中表 1-3 吸水管附件及局部阻力系数附件名称数量局部阻力系数底阀13.790。弯头10.294异径管10.12 : = 4.094X表1-4排水管附件及局部阻力系数附件名称数量局部阻力系数闸阀22 x 5.5 = 11.04逆止阀13.2转弯三通11.590。弯头44 x 0.294 = 1.176异径管10.5直流三通44 x 0.7 = 2.830。弯头22 x 0.294 x 30/90 = 0.1962 : = 20.412pR亠九J兀 2 g x d 5xd4l-Pp d5+ (1十症)丄p d4p87=Fg x 帛4.094+0.3354+ 0.0299 x3150.3095(1+20.412)10.3094h2/m5=501.69s 2 / m5=501.69 X G)2 h 皿=3.871x 10-5 h 2 / m5式中R管路阻力系数，s2 /m5 ；l x 、l 吸、排水管的长度， m；xpd x 、 d 吸、排水管的内径， m；xp九、九吸、排水管的沿程阻力系数，对于流速v三1. 2m/s，其值xp 可按舍维列夫公式计算，即0.021d0.3九=xp吸、排水管附件局部阻力系数之和，根据排水管路系统中局部件的组成，见表 1-3、1-4。6.4 管路特性方程新管H =H + KRQ2 = 266+1x 3.871x10-5 x Q 2 1 sy旧管H =H + KRQ2 = 266 +-5 xQ22 sy式中K考虑水管内径由于污泥淤积后减小而引起阻力损失增大的系数，对于新管K=1，对挂污管径缩小 10%，取K=1.7, 般要同时考虑K=1和K=1.7两种情况，俗称新管和旧管。6.5 绘制管路特性曲线并确定工况点根据求得的新、旧管路特性方程，取8 个流量值求得相应的损失，列入表 1-5 中。表 1-5 管路特性参数表Q/ (m3 h-i)200250300350400450500550H/m1267.5268.4269.5270.7272.2273.8275.7277.7268.6270.1271.9274.1276.5279.3282.5285.9H/mc利用表1-5中各点数据绘制出管路特性曲线如图1-7所示，新、旧管路特性曲线与扬程特性曲线的交点分别为M和M,即为新、旧12管路水泵的工况点。由图中可知：新管的工况点参数为Q =532m3/h,H =277m, n =0. 8,Hs =5.1m,N =498KW；旧管的工况点 M1M1M1M1M1参数为 Q =516 ma/h, H =283m, n =0.81,Hs =5.3m,N =492KW，因M2M2M2M2M2n 、n均大于0.7，允许吸上真空度Hs =5.1m，符合规范要M1M2M1求。6.6 校验计算6.6.1 排水时间的验算管路挂污后，水泵的流量减小，因此应按管路挂污后工况点流量校核。Tmax24qmax(竹 + n 2)Q1 +2) M 224 x 650(1+1) x 516h = 15.1h 20h正常涌水时，工作水泵n 1台同时工作时每天的排水小时数T =叫二 Zn1QM2二 24 X 320 h = 14.9h 20h 1x 516最大涌水期，工作水泵竹、n2台同时工作时每天的排水小时数即实际工作时，只需2台水泵同时工作即能完成在20h内排出 24h 的最大涌水量。6.6.2 经济性校核工况点效率应满足 n=0.8$0.85n$0.85X0.81=0.69,M 1maxn 。M26.6.3 稳定性校核H =266W0.9iH=0.9X5X72=324msy 0式中 H 单级零流量扬程，m。0由 D450 - 60 型水泵特性曲线图可知H =72 m06.6.4 经济流速校核Q532心/吸水管中流速 v =mi =m / s = 1.68m / s吸水管中流速x900兀d2900X兀X0.3352xQ532排水管中流速 v =mi =m / s = 1.97m / s排水管中流速p 900兀d2900x兀x0.3092p吸、排水管中的流速在经济流速之内，故满足要求。注：吸、排水管的经济流速通常取1.52.2m/s6.6.5 吸水管高度校核Hx =H-仝SM1 兀 2 g (L l 沈 +1)入亠+x d5d 4 丿xxQM21(74.094+1x 0.0292 x+3.142 x 9.81 (0.3 3550.3354=5.47 0.82= 5.47 -(532 I3600丿4.65m式中 H = H -(10-h)-(h-0.24)SM1 SM1 a n=5.1-(10-10.3)-(0.17-0.24)=5.47m注：h 不同海拔高度z时大气压值见表m；ah 不同水温t时的饱和蒸汽压力值n实际吸水高度Hx =4mVHx，吸水高度满足要求。6.6.6 电机功率计算N = Kdd1Q HMl_M11000 x 3600M1=1.1x10003 x 532 x 2771000 x 3600 x 0.8= 563kw式中 Kd 电动机容量富余系数，一般当水泵轴功率大于d100KW时，取K =1.1 ；当水泵轴功率为d10100KW 时，取 K =1.1 1.2。d水泵配套电机功率为N = 680KW，大于计算值，满足要求。d6.6.7 电耗计算1）年排水电耗E=1Q HM 2 M 21000 x 3600 xq 耳耳耳M 1 c d wIn T r + n T rz z z max max max10003 x 516 x 2831000 x 3600 x 0.8 x 1x 0.9 x 0.95m 11x14.9 x 305 + 2 x15.1x 60=3.771x106kw h/a式中 E 年排水电耗，kw h/a ；水的重度，N/m3 ;由给定条件可知y =10003N/m3max年正常和最大涌水期泵工作台数；z max正常和最大涌水期泵工作昼夜数；正常和最大涌水期泵每昼夜工作小时数z max“ 传动效率，对直联接取1,联轴器联接取0.950.98； c耳电动机效率，对于大电动机取0.90.94，小电动 d机取 0.820.9；耳电网效率，取0.95； w2)吨水百米电耗校验He =m2t-1003.673耳耳耳耳HM 2 c d w sy2833.673 x 0.81 x 1 x 0.9 x 0.95 x 266=0.418v0.5 kw Eh/(t0100)