矿山排水设计

煤矿主排水系统设计竖井正常涌水量：331m³/h，最大涌水量545m³/h，井口标高：H h=446，最大涌水期65d，矿水中性，涌水密度1010kg/m³.本设计根据煤炭部制定的《煤矿安全规程》及《煤矿工业设计规范》，在保证及时排除矿井涌水的前提下。

使排水总费用最小，选择最优方案。

根据《煤矿安全规程》的要求，水泵必须有工作、备用和检修水泵，其中工作水泵应能在20h内排出24h的正常涌水量（包括充填水及其它用水）。

备用水泵的排水能力应不小于工作水泵排水能力的70%。

工作和备用水泵的总排水能力，应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。

检修水泵的排水能力应不小于工作水泵排水能力的25%。

水文地质条件复杂或有突水危险的矿井，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，或另外增加排水能力。

1、水泵最小排水能力的确定根据《煤矿安全规程》的要求，工作水泵的能力应能在20h内排出矿井24h的正常涌水量（包括充填水及其他用水）。

因此正常涌水时，工作水泵最小排水能力应为Q B=24/20q z=1.2q z=1.2×331m³/h=397.2m³/h在最大涌水期，工作和备用水泵必须的排水的排水能力为Q B m ax=24/20q max=1.2q max=1.2×545m³/h=654m³/h式中 Q B—工作水泵具备的总排水能力，m³/h；Q Bmax—工作和备用水泵具备的总排水能力，m³/h；q z—矿井正常涌水量，m³/h；q max—矿井最大涌水量，m³/h。

2、水泵所需扬程的计算H B =H sy/ηg=（446+4）/0.9=500mηg—管道效率，与排水管敷设倾角a角有关，一般为：当a=90°时，ηg=0.9~0.89；当a>30°时，ηg=0.83~0.8；a=30°~20°时，ηg=0.8~0.77；a<20°时，ηg=0.77~0.74。

3、水泵型号及台数选择根据计算的 QB、HB，从水泵的技术规格表中初选效率较高的D450-60x9型水泵。

该水泵额定流量Qe=450m³/h，额定扬程,He=513m （a）正常涌水时水泵工作台数n1=Q B/Q e≥397.2/450 取n1=1台（b）水泵级数i=H B/He=500/60 取i=9级（c）备用水泵台数n2=0.7Q B/Q e=0.7×397.2/450 取n2=1台（d）检修水泵台数n3=0.25Q B/Q e=0.25×397.2/450=0.2125 取n3=1台（e）最大涌水时工作水泵台数n4= Q Bmax/Q e=545/450 取n4=2台因为n1+n2=1+1=2 所以n1+n2>n4（f）水泵总台数n=n1+n2+n3=1+1+1=3台管路的选择1、管路趟数及泵房内管路布置形式。

根据泵的总台数，选用典型的三泵两趟管路系统，一条管路工作，一条管路备用。

正常涌水时，一台水泵向一趟管路供水，最大涌水时，只要两台泵工作就能达到在20h内排出24h的最大涌水量，故从减少能耗的角度可采用两台泵向两趟管路供水，从而可知每趟管内流量Qe等于泵的流量。

2、管路系统管路布置参照图如图1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。

泵房内管路布置图3、管路材料。

由于井深大于200m，确定采用无缝钢管。

4、排水管内径排水管直径d´p=0.0188Qe==0.282mvp式中 vp——排水管内的流速，通常取经济流速vp＝１.５～２.２（ｍ／s）来计算。

此处选vp＝2m/s查表9-5，选Ф325x13无缝钢管，外径325mm，壁厚13mm，则排水管内径dp=（325-2×13）mm=299mm。

壁厚验算同书上5、吸水管直径：根据选择的排水管内径。

吸水管选用Ф351x8无缝钢管排水管长度可估算为：L p=H sy+（40～50）m=450+（40～50）m=（490～500）ｍ取L p =500m ，吸水管长度可估算为L x =7m 。

管路阻力系数R 的计算沿程阻力系数吸水管 λx = 0.3dx 021.0=0.0210.30.335= 0.0292 排水管 λp =0.3p d 021.0=0.0210.30.299= 0.0302 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 1 3.7 90。

弯头 1 0.294 异径管 1 0.14.094xζ=∑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 2 2 5.511⨯=逆止阀 1 3.2 转弯三通 1 1.590。

弯头 4 40.294 1.176⨯=异径管 1 0.5直流三通 4 40.7 2.8⨯=30。

弯头 2 20.29430/900.196⨯⨯=20.412pζ=∑2][454521)1(8p p p p p x x x x x d d l d d l g R ξλξλπ∑+++∑+= 254525487 4.094500{0.02920.03029.810.3350.3350.2991(120.412)]}/0.299[h m π=⨯++⨯+⨯+252255251045/11045()/36008.0610/s m h m h m -==⨯=⨯式中 R ——管路阻力系数，25/s m ；x l 、p l ——吸、排水管的长度，m ；x d 、p d ——吸、排水管的内径，m ；x λ、p λ——吸、排水管的沿程阻力系数，对于流速v ≥1.2m/s ，其值可按舍维列夫公式计算，即0.30.021d λ=x ζ∑、p ζ∑——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25214501 5.01610sy KRQ Q -H =H +=+⨯⨯⨯ 旧管2522450 1.7 5.01610syKRQ Q -H =H +=+⨯⨯⨯ 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=1.7，一般要同时考虑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-1）200 250 300 350 400 450 500 550H1/m 452.01 453.14454.51456.14458.02460.16462.54465.17H2/m268.6 270.1 271.9 274.1 276.5 279.3 282.5 285.9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M1和M2，即为新、旧管路水泵的工况点。

由图中可知：新管的工况点参数为Q M1=565m3/h,H M1=466m,ηM1=0.76,Hs M1=5m,N M1=1000KW；旧管的工况点参数为Q M2=516 m3/h，H M2=283m,ηM2=0.81,Hs M2=5.3m,N M2=492KW，因ηM1、ηM2均大于0.7，允许吸上真空度Hs M1=5m，符合《规范》要求。

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。

正常涌水时，工作水泵1n 台同时工作时每天的排水小时数12242432014.9201516z z M q h h h n Q ⨯T ===≤⨯最大涌水期，工作水泵1n 、2n 台同时工作时每天的排水小时数max max12)2242465015.120((11)516M q h h h n n Q +⨯T ===≤+⨯ 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η1M =0.8≥0.85ηmax≥0.85×0.78=0.66，η2M =0.81≥0.69。

6.6.3稳定性校核H sy =450≤0.9iH 0=0.9×513=461.7m 式中 0H ——单级零流量扬程，m 。

由D450-60型水泵特性曲线图可知0H =72m6.6.4经济流速校核吸水管中流速122565/ 1.78/9009000.335M x x Q v m s m s d ππ===⨯⨯ 排水管中流速122565/ 2.09/9009000.309M p p Q v m s m s d ππ===⨯⨯ 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1.5～2.2m/s6.6.5吸水管高度校核[][]21125418x x SM x M x x l x Q g d d ζλπ⎛⎫∑+H =H -+ ⎪⎝⎭254287 4.09415225.230.02923.149.810.3350.33536005.230.824.21m⎛⎫+⎛⎫=-⨯⨯+⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭=-= 式中 [H SM1] = H SM1-（10-h a ）-（h n -0.24）=5.23注: a h ——不同海拔高度ｚ时大气压值见表［］ｍ； n h ——不同水温ｔ时的饱和蒸汽压力值［］ｍ；实际吸水高度H x =4m ＜[H x ]，吸水高度满足要求。

6.6.6电机功率计算11136001000M M M d dH Q K N ηγ⨯⨯='=99085654661.1996kw 100036000.8⨯⨯⨯=⨯⨯式中 d K ——电动机容量富余系数，一般当水泵轴功率大于100KW 时，取d K =1.1；当水泵轴功率为 10～100KW 时，取d K =1.1～1.2。

水泵配套电机功率为1000d N KW =，大于计算值，满足要求。

6.6.7电耗计算 1）年排水电耗[]max max max 12236001000r T n r T n H Q E z z z wd c M M M +⨯⨯=ηηηηγ[]610003516283m 114.9305215.160100036000.810.90.953.77110kw h /a⨯⨯=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯∙式中 E ——年排水电耗， kw h /a ∙；γ——水的重度，3/N m ；由给定条件可知γ=100033/N m z n 、max n ——年正常和最大涌水期泵工作台数； z r 、 max r ——正常和最大涌水期泵工作昼夜数； z T 、max T ——正常和最大涌水期泵每昼夜工作小时数；c η——传动效率，对直联接取1，联轴器联接取0.95～0.98；d η——电动机效率，对于大电动机取0.9～0.94，小电动机取0.82～0.9；w η——电网效率，取0.95；2)吨水百米电耗校验210023.673M t M c d w sy H e H ηηηη⋅= 2833.6730.8110.90.95266=0.418<0.5 kw h/(t 100)=⨯⨯⨯⨯⨯。