煤礦井下排水系統(tǒng)優(yōu)化方案

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摘要：和善礦與周邊礦井資源整合，井筒多而分散、充水水源多、資源開采復雜而無序。為有效防止和善礦井水害的隱患，提出三個主排水改造方案，經技術、經濟比較分析各方案的優(yōu)缺點，最終決定選用以更換3臺MD450-60Y×7排水泵，并利用現有2趟D273×8排水管路的方案。

關鍵詞：資源整合；礦井水隱患；排水方案；優(yōu)缺點

1礦井基本情況

山西汾西正新煤焦有限責任公司和善煤礦由原山西沁源和達煤業(yè)有限公司、原沁源善樸煤炭有限公司、原沁源花坡煤炭有限公司及空白資源實施兼并重組資源整合而成，面積12.6482km2，批采1-11#煤層，批采標高由+1570~+1060m。生產規(guī)模為180萬t/年。該礦井采用斜井開拓方式，井筒有主斜井、副斜井、回風立井、進風行人斜井和回風斜井。開采水平為一個主水平、兩個輔助水平開采全井田。1#煤層劃分為1-1、1-2兩個采區(qū)，6#煤層劃分為6-1、6-2、6-3三個采區(qū)，主水平包括9-1采區(qū)、9-2采區(qū)、9-3采區(qū)。礦井采用傾斜長壁采煤方法，后退式回采，一次采全高，垮落法管理頂板。

2礦井儲水情況

2.1充水水源

2.1.1地表水井田地表河流屬黃河流域汾河水系和沁河水系，主井、副井、風井井口標高都位于山包上[1]。2.1.2頂板充水含水層對1#煤層頂板山西組及下石盒子組砂巖含水層富水性一般較弱，易于疏干。9+10、10下、11#煤層頂板直接充水含水層主要為太原組K4、K3、K2灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組，整個含水層巖溶裂隙發(fā)育不均勻。不排除局部K2-K4等灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，局部富水性大，可對下組各煤層開采造成充水影響。2.1.3底板充水含水層除1#煤層外，其他煤層底板標高部分地段低于奧灰水位標高，均屬局部奧灰水帶壓開采。井田內6、9+10、10下、11#煤層奧灰水帶壓開采最大突水系數均小于底板受構造破壞塊段臨界突水系數（0.06MPa/m）。正常情況下，發(fā)生奧灰水突水的可能性小，但在斷裂構造附近存在發(fā)生突水的可能。2.1.4煤礦及周邊老窯、老采空區(qū)分布情況據2020年12月《山西汾西礦業(yè)集團正新煤焦有限責任公司和善煤礦建礦地質報告》資料：井田內及鄰近區(qū)域存在有廢棄老窯18座，井筒共計46個（見圖1）。目前井田內1#煤層分布有11處采空積水區(qū)及1處老空積水區(qū)，積水面積約468600m2，積水量95600m3；9+10、11#煤層只在井田西部地段開采，分別有1處和3處采空積水區(qū)，其中9+10#煤層積水面積98200m2，積水量20000m3，11#煤層積水面積69400m2，積水量約14200m3。采空區(qū)積水范圍較清楚，對采空區(qū)的積水位置、積水范圍和積水量均能夠預測。

2.2礦井排水現狀

在主斜井井底車場附近設井下主排水泵房，擔負礦井全部排水任務，由井下主排水泵房排水設備將井下涌水排至地面礦井水處理站。井下中央水泵房采用主排三臺MD280-65×6型離心水泵，水泵配560kW、10kV、1480r/min隔爆電機。主斜井井筒、管子道及水泵房敷設兩趟D273×8mm無縫鋼管，總長2000m，單泵工況流量283.7m3/min，正常涌水時1臺泵運行，排水時間13.54h，最大涌水時2臺運行，排水時間22.76h。因此，主排水系統(tǒng)在礦井最大涌水時能力不足，不能滿足20h排出24h涌水的規(guī)定，主排水系統(tǒng)急需擴能改造。

3井下排水系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1優(yōu)化井下排水系統(tǒng)的必要性

根據礦井涌水量實際觀測數據，礦井的正常涌水量及最大涌水量一直變化不大，直至2021年10月的強降水對礦井涌水量影響非常明顯，礦井最大涌水量較往年增大了好幾倍。在礦井最大涌水量激增且持續(xù)時間較長的情況下，現有的排水系統(tǒng)滿負荷工作能勉強維持。局部地段積水漫至軌道，影響礦井輔助運輸及行人通行的效率。鑒于目前礦井排水系統(tǒng)現狀及應對礦井災變的能力，有必要盡快對排水系統(tǒng)方案進行優(yōu)化，并加以實施。

3.2主排水系統(tǒng)改造方案

3.2.1設計依據正常涌水量Q=160m3/h（包括消防灑水、黃泥灌漿析水等工藝用水）；最大涌水量Qmax=538m3/h；主排水泵房水平標高為+1175m；主斜井井口標高為+1492m；礦井水處理站標高為+1492.7m；排水管路總長度取2500m；排水管路路徑：經主斜井排至地面礦井水處理站。3.2.2主排水系統(tǒng)改造方案根據礦井現狀，設計篩選出適合本礦井3個排水系統(tǒng)改造方案。方案一：在現有主排水系統(tǒng)的基礎上，增加一臺MD280-65×6排泵和一趟D273×8排水管路，雖然需擴建泵房增加吸水井，需增加一套配電開關，工期較長，但能利用現有設備，并且不影響現排水系統(tǒng)運行，不影響礦井正常生產，排水能力較大，設備總投資低。方案二：將現有3臺MD280-65×6排水泵更換為能力更大的3臺MD450-60Y×6排水泵，2趟D273×8排水管路更換為2趟D325×9管路。該方案雖然能利用現有泵房，不擴建，礦建費用低，設備少，系統(tǒng)簡單，但需拆除現有設備及管路進行更換，影響排水系統(tǒng)正常運行，設備總投資高，原設備基礎與更換設備不匹配，需要改造，且換大泵后設備間距小，水泵配電開關容量小，需更換。方案三（推薦）：將現有3臺MD280-65×6排水泵更換為能力更大的3臺MD450-60Y×7排水泵，繼續(xù)利用現有2趟D273×8排水管路。該方案雖然能利用現有泵房，不擴建，礦建費用低，設備少，系統(tǒng)簡單，前期投資少，工期短。但整個系統(tǒng)的管阻大、能耗高，舊管期，水泵未在高效區(qū)運行，整體運行成本最高。并且需拆除現有設備進行更換，原設備基礎需要改造，設備間距變小，水泵配電開關容量小，需更換。

3.3三種方案比選

根據上述的方案綜合比較分析如表1，最終確定推薦方案三。根據表1的方案綜合比較分析確定推薦方案三，即將現有3臺MD280-65×6排水泵更換為能力更大的3臺MD450-60Y×7排水泵，繼續(xù)利用現有2趟D273×8排水管路。配套YBX-4800kW、10kV、1480r/min礦用防爆電動機，正常涌水時1臺工作，1臺備用，1臺檢修，最大涌水時3臺工作。正常涌水量時排水時間為10.15h，最大涌水量時的排水時間為17.06h。

3.4方案三排水設備選型計算

3.4.1排水設備所必須的排水能力正常涌水時Q1=1.2，Q=192m3/h；最大涌水時Q2=1.2，Qmax=645.6m3/h。揚程：Ht=Ha+Hs+Hj=327.7m。式中，Hs為吸水高度，取Hs=5m；Hj礦井水處理站附加揚程，取Hj=5m。3.4.2水泵運行工況點求取特性方程：①新管時H1'=Ht+R1Q2=327.7+4.4118×10-4Q2m。②舊管時H2'=Ht+R2Q2=327.7+7.5001×10-4Q2m。根據管路特性曲線和水泵性能曲線求得工況點參數：①新管：流量為455.16m3/h，揚程H1為419.1m，效率圖1小窯分布圖η為0.8%，理論最大吸水高度Hs為5.19m。②舊管：流量為378.36m3/h，揚程H1為435.07m，效率η為0.77%，理論最大吸水高度Hs為5.67m。3.4.3電動機容量計算電動機軸功率如公式（1）：選取電動機容量Ne=kN?/ηc=758.03kW，式中傳動效率ηc取0.98、富裕系數k取1.1、礦井水容重γ0=1040kg/m3。設計選用水泵配套YBX-4800kW、10kV、1480r/min隔爆電機能夠滿足要求。3.4.4排水能力計算正常涌水時1臺泵工作，按結垢后計算每天排水時間T1=24Q/n1Q2=10.15h；最大涌水時3臺泵工作，按結垢后計算每天排水時間T2=24Qmax/n2Q2=17.06h。經驗算，將現有3臺MD280-65×6泵更換為3臺MD450-60Y×7泵，繼續(xù)利用現有2趟D273×8排水管路的方案，能夠滿足礦井排水要求。

4結語

鑒于本礦井水文地質條件，并參照目前實際涌水量情況，經校核，提出了排水系統(tǒng)優(yōu)化方案：主排水系統(tǒng)將現有3臺MD280-65×6排水泵更換為能力更大的3臺MD450-60Y×7排水泵，繼續(xù)利用現有2趟D273×8排水管路。煤泥水建議從源頭上進行治理，在工作面順槽及中央水倉的沉淀池設置煤泥水分離設備，增強排水系統(tǒng)的排水能力。

參考文獻

[1]徐康,韓秀林,盛慧.高家堡礦井井下排水系統(tǒng)設計方案比選[J].山東煤炭科技,2013(1):108-109.

作者：耿景磊 單位：山西汾西礦業(yè)集團發(fā)展規(guī)劃部