第十四章 矿井排水设备.docx

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第十四章矿井排水设备

第十四章矿井排水设备

第一节概述

一、井排水设备的任务：

涌入矿井的水称为矿水。

矿井自然涌水来自地表水和地下水。

矿井涌水量的大小受矿区地质，水文地质，地形特征，气候条件，地面和地下积水以及开采方法等因素的影响，因此各矿涌水量可能不一致，同一个矿井在不同季节也不一样，雨季和融雪期出现高峰，高峰期间的涌水量称最大涌水量；正常时间的涌水量称正常涌水量。

矿井涌水除自然涌水外，对于水砂充填矿井、黄泥灌浆灭火和水采矿井，还应包括充填废水，灌浆及水采用水。

水穿过岩层并沿巷道水沟流动时，溶解各种矿物质，所以矿水重度比清水大。

另外矿水的物理、化学性质对排水设备影响很大，如水中含泥砂量大，就会加速水泵零件的磨损。

如果水呈酸性就会对排水设备加速腐蚀，根据情况可临时加入石灰中和，或采用耐酸的排水设备。

安全规程规定：

20小时必须排出24小时的用水，需要的泵有工作泵、备用泵、检修泵。

二、矿井排水系统

矿井排水系统由矿井深度、开拓系统以及各水平涌水量的大小等因素来决定。

（1）集中排水系统

将全矿用水集中于水仓，再由主排水设备集中排至地面；

多水平开采时，如果上水平的涌水量不大，可以将水下放到下一水平的水仓中，再由主排水设备集中排至地面，节省了排水设备，但增加了电耗；

斜井集中排水时，除沿副井井筒敷设管道外，还可以通过钻孔下排水管，以减少管材的投资和管道的沿程损失。

（2）分段排水系统

三、离心式水泵的分类及工作原理

①离心泵的分类

按离心式水泵的使用和结构特点，可以进行如下分类

②离心式水泵的工作原理

水泵启动前，先由注水漏斗向泵内注水，然后启动水泵水叶轮随轴旋转，叶轮中的水也被叶片带动旋转。

这时，水在离心力的作用下以很高的速度和压力从叶轮边缘向四周甩出去，并有泵壳导流，流向压水口并流出。

此时，在叶轮入口造成一定的真空，吸水井中的水在大气压力下，吸水管进入叶轮。

由于叶轮不断旋转，使排水不间断地进行。

四、排水设备的组成

水泵、电机、启动设备、管路及管路附件、仪表等。

第二节离心式水泵的工作理论

一、离心式水泵的工作原理及性能参数

（一）工作原理

水泵启动前，先由注水漏斗向泵内注水，然后启动水泵水叶轮随轴旋转，叶轮中的水也被叶片带动旋转。

这时，水在离心力的作用下以很高的速度和压力从叶轮边缘向四周甩出去，并有泵壳导流，流向压水口并流出。

此时，在叶轮入口造成一定的真空，吸水井中的水在大气压力下，吸水管进入叶轮。

由于叶轮不断旋转，使排水不间断地进行。

（二）性能参数

1、流量

2、扬程式

3、功率

4、效率

5、转速

6、允许吸上真空度

二、离心式水泵的基本方程式

（一）水的质点在叶轮内的运动分析

（二）基本方程式

三、离心式水泵的特性曲线

（一）理论扬程特性曲线

（二）实际扬程特性曲线

第五节比例定律及比转数

第三节离心式水泵的主要结构

离心式水泵的类型

一、D型泵

D型泵是单吸、多级、分段式离心泵。

（一）D型泵的构造

叶轮、泵轴、平衡盘、进水段、中间段、出水段、密封装置

（二）D型泵的型号意义及技术性能

二、B型泵

B型泵是单吸、单级、悬臂式离心泵

 泵的主要部件

（1）吸入室：

位于第一级的前边，其作用是将吸水管中的水均匀的引向叶轮。

（2）叶轮：

叶轮是使水增加能量的唯一部件

（3）导水圈：

是与泵壳固定在一起，且有叶片的静止圆环，作用是把有叶轮流出的高速水流收集起来，并将一部分动能转化为压力能，再通过反导叶把水均匀的引向下一级叶轮。

（4）压出室：

压出室位于最后一级叶轮的后面，其作用是将最后一级叶轮流出的高速水流收集起来，引向泵的排水口，，同时在扩散管中将水的一部分动能转化为压力能。

（5）密封装置

水泵上密封依靠填料函和密封环

密封大口环的作用是保持叶轮与泵壳间又以极小的间隙，以减少水从叶轮流出反流至入口。

密封小口环的作用是防止级间漏损，增加机械损失。

填料函防止因空气吸入泵内破坏真空而影响正常工作。

填料多用油侵棉线编成。

（6）轴向推力及其平衡装置

多级泵基本上都是单侧进水的，存在着轴向力不平衡现象。

大型多级离心泵，其轴向推力往往很大，如不加以平衡将使离心泵无法正常工作。

常用的平衡轴向力的方法有：

①开平横孔；②采用平衡叶片；③采用双级叶轮；④对称布置叶轮；⑤平衡鼓；⑥平衡盘。

第四节离心式水泵的操作及安全运行

一、水泵气蚀

压力低于饱和蒸汽压，水汽化产生气泡，气泡随着水流到高压区时，将突然破裂，周围的水质点以极高的速度冲击过来，从而产生很强的水力冲击，冲击和破裂以很高的频率进行，金属表面将不断的形成真空和受到水力冲击，所以金属表面将会因疲劳而产生破坏。

称这种现象为汽蚀现象。

二、水泵的启动和停止

（1）水泵的启动：

①检查水泵是否有机械故障

②向泵腔和吸水管内注水，并把腔内气体全部排出；

③关闭水泵出口闸阀

④送电，使泵运转

⑤达到额定转速后，逐渐将水泵出口闸阀开起到适当的程度。

（2）水泵的停止

现关闭闸阀后停机，以防止发生水击。

如果突然停止，逆止阀突然关闭，则会因水流速度发生突然变化而产生水击，严重时击毁管路，甚至破坏水泵。

三、排水管路特性

四、水泵的工况点

（一）工况点及工业利用区

（二）水泵工况点的调节

1、闸门调节法

2、改变转速调节法

3、切削叶轮调节法

4、减小叶轮数目调节法

五、水泵的联合运转

水泵串联和并联

六、提高水泵设备经济运行的措施

（一）提高水泵的效率

（二）提高管路效率

及时清除管内污垢、减小管路阻力损失、管路并联运行。

小结：

课程名称：

第十五章矿井通风设备

教学手段：

多媒体教学

教学时数：

6学时

教学目的：

掌握风机的作用、风机的工作理论、风机在网络上的工作、风机的结构

教学重点：

风机的作用、风机的工作理论、风机在网络上的工作、风机的结构

教学难点：

风机的结构

作业：

1、通风设备的作用是什么？

2、通风设备的组成部分有哪些？

3、通风机的分类有哪些？

4、说明离心式通风机的工作原理。

5、说明轴流式通风机的工作原理。

6、通风机的性能参数有哪些？

7、什么是离心式通风机的个体特性曲线？

什么是离心式通风机的类型特性曲线？

8、轴流式通风机为什么要在打开风门的情况下启动？

9、离心式通风机的型号4-72-11-NO.20B右90°分别代表什么?

10、什么是反风？

什么时候需要反风？

《煤矿安全规程》对反风有哪些规定？

11、什么是通风机的工况点？

12、通风机的稳定工作条件是什么？

经济工作条件是什么？

13、通风机的工业利用区是如何确定的？

14、通风机工况点的调节方法有哪些？

教学过程：

第十五章矿井通风设备

第一节概述

一、通风的作用

排除易燃易爆的气体或煤尘；

调解井下的温度和湿度；

输送新鲜空气，供人员呼吸。

二、矿井通风方式和通风系统

连接在一起的所有通风巷道及通风机构成了矿井通风系统，按照通风机和巷道的布置方式的不同，有三种通风系统

（1）中央并列式；

（2）对角式；

（3）中央边界式。

三、矿井通风机的分类

矿井通风机的分类较多，一般从以下几个方面进行分类

四、通风机的性能参数

1、风量

2、风压

3、功率

4、效率

5、转速

第二节通风机的特性曲线

第三节离心式风机的特性曲线

（一）理论风压方程式和个体特性曲线

（二）离心式风机的类型因数与类型曲线

第四节轴流式风机的特性曲线

（一）理论风压方程式

（二）实际风压特性曲线

第三节通风机构造及反风装置

（一）反风的意义和要求

当进风井附近或井底车场发生火灾或瓦斯煤尘爆炸时，所产生的大量一氧化碳等有害气体，将随着风流带入工作面，威胁着井下工作人员的安全。

为此，必须立即改变风流方向，以阻止灾害的蔓延，缩小灾情，以便进行处理和救护。

《煤矿安全规程》规定：

生产矿井主要通风机必须装有反风设施，必须能在

10分钟内改变巷道中的风流方向。

当风流方向改变后，主要通风机的供给风量不应小于正常风量的40％。

每季度应至少检查一次反风设施，每年应进行一次反风演习；矿井通风系统有较大变化时，应进行一次反风演习。

（二）离心式风机的反风：

反风道反风

（三）轴流式风机的反风

a）反转反风法

b）反风道反风法

c）无反风道反风法

i.通风机在网络上的工作

1.通风机在网络上的工作分析

2.通风机的特性曲线

3.通风机的工况点和工业利用区

4.通风机的工况调节及运行

1、改变网络特性曲线调节法

2、改变风机特性曲线调节法

（1）改变叶轮转速调节法

（2）改变叶片安装角调节法

（3）改变前导器角度调节法

（4）改变叶片数目调节法

5.通风机的联合工作

1、串联工作

2、并联工作

ii.矿井通风设备选型设计

1.选型设计的基本要求

2.选型设计的方法

1、通风机风量的计算

2、通风机风压的计算

3、预选通风机

4、确定工况

5、通风机转速的计算

6、功率的计算

7、电耗量的计算

小结：

课程名称：

第十六章矿山空气压缩设备

教学手段：

多媒体教学

教学时数：

3学时

教学目的：

掌握往复式空压机的理论、结构与调节

教学重点：

往复式空压机的理论、结构与调节

教学难点：

结构与调节

作业：

1、压气设备的作用是什么？

2、压气设备的组成包括哪些？

3、矿山空压机站主要包括哪些设备？

4、空压机的类型有哪些？

5、说明活塞式空压机的工作原理。

6、什么是循环？

什么是理论工作循环？

理论工作循环包含哪几个过程？

7、理论工作循环所做的功等于什么

8、实际工作循环包含哪几个过程？

9、什么是余隙容积？

它对活塞式空压机的吸气有何影响？

教学反思：

教学过程：

第十六章矿山空气压缩设备

第一节空气压缩机用途、工作原理及其结构

一、用途

空气压缩机，简称空压机。

它是煤矿生产所需主要的动力设备之一。

由空压机生

产的压缩空气（简称压气）用以带动风镐、风钻以及其他风动机械进行工作。

矿山空压机站一般设在井上，用管道把压缩空气送到井下，沿大巷和上、下山到工作面，带动风动工具工作。

如图7-1所示。

有时为了节省管道等原因亦可将空压机设在井下通风较好的硐室内。

压气设备主要由电动机（包括电气控制设备）、空压机、风包、输气管道等组成。

空压机的种类很多，近年来随着科学技术的发展，空压机的类别、型号不断更新，按原理和结构不同，可以分为：

活塞式（往复式）、回转式、离心式和轴流式空压机。

而煤矿用的绝大多数是活塞式（往复式）和回转式，尤以活塞式（往复式）为最多。

二、活塞式空气压缩机的工作原理及其结构

（一）活塞式空气压缩机的工作原理

在活塞式空压机中，空气的压缩是由在气缸内做往复运动的活塞来进行的，因

此也称为活塞式空压机。

图7-2为单级单动活塞式空压机的原理图。

其中上图为带十字头的，下图为无十字头的。

曲柄由电动机带动，曲柄的旋转运动，经连杆和十字头变为活塞的往复运动。

当活塞2向右移动时，气缸1左端的容积增大，压力降低，当气缸中气体压力低于缸外大气压力时，吸气阀7被打开，空气在大气压力作用下进入气缸1内，这个过程叫吸气过程。

当活塞2返行时，吸入气缸内的空气被压缩，这时吸气阀被关闭，气缸的容积逐渐缩小，压力逐渐升高，这个过程叫压缩过程。

当气缸1内的空气压力升高到略大于排气管内的压力时，则推开排气阀，压缩空气排到排气管内，这个过程叫排气过程。

图7-2单级单动活塞式空压机原理图。

当活塞2再次向右移动时，排气阀关闭，残留于气缸余隙容积（即活塞位于气缸一端的极限位置时，活塞与气缸盖之间所形成的空间容积）内的压缩空气开始膨胀，而压力逐渐降低，直至压力降到低于吸气压力时，便开始吸气，这个过程叫膨胀过程。

综上所述，活塞在气缸内作一个往复运动时，气缸内空气状态变化是由吸气、压缩、排气和膨胀四个基本过程所组成，这个过程叫做一个循环或一个循环过程。

将一个循环过程中气缸内的空气压力P和容积V之间的变化关系，用曲线图表示出来，这个曲线图就称为活塞式空压机的压容图，如图7-3所示。

气线；1′～2′—曲线段为实际吸气线；2～3—曲线段为理论压缩线；2′～3′—曲线段为实际压缩线；3～4—直线段为理论排气线；3′～4′—曲线段为实际排气线；4～1—曲线段为理论膨胀线；4′～1′—曲线段为实际膨胀线但在实际工作过程中，活塞式空压机的压容图的图形具有以下特点：

1。

活塞式空压机在气缸盖与活塞之间留有一定的余隙容积Vo，这样可以避免曲柄连杆机构受热膨胀时，活塞撞击气缸盖而引起事故。

由于余隙容积V0的存在，空压机在工作过程中要出现膨胀过程，使空压机的实际吸入容积V0要小于理论吸气量Vt。

2。

外界大气需要克服滤风器、进气管路及吸气阀的阻力后才能进入气缸，所以进气压力要略低于大气压力。

3。

在排气过程中，因为压缩空气需要克服排气阀和排气管路的阻力，所以排气压力要略高于风包内的压力。

4。

在吸气和排气开始时，由于阀片及弹簧的惯性和振动，使其实际吸气线1′～2′和实际排气线3′～4′的起点处有凸出和波动。

5。

在气缸内的空气，由于膨胀时温度降低和压缩时温度升高的关系，所以实际膨胀线4′～1′和实际压缩线2′～3′要比理论膨胀线4～1和理论压缩线2～3的弯曲度要大些。

6。

活塞式空压机的压容图所包围的面积，表示在一个循环过程中可消耗功率的多少，故又称为“示功图”。

（二）活塞式空压机的主要结构

以4L一20/8型活塞式空压机为例：

型号含义：

4―设计序号

L―结构型式代号

20―额定排气量（米3／分）

8―额定排气压力（公斤／厘米2）

其主要结构如图7-4所示。

（1）机体

机体由机身、机座、曲轴箱、中间接筒、端接筒等部件组成。

（2）压缩机构

压缩机构由气缸、吸气阀、排气阀和活塞等部件组成。

为了提高压缩机的工作

效率和较长时间的稳定工作，一般都把气缸铸成外壳带有冷却水套装置。

工作时由于不断地通过冷却循环水，则使气缸温度降低。

吸、排气阀是空压机中重要易损部件，其结构如图7-5所示。

吸气时其阀片向气缸内开启；排气阀排气时其阀片向缸外开启。

空压机的吸气阀与排气阀都是采用环状片阀，对阀的要求是动作迅速，气流通过阀片周围气道时阻力小，气阀闭合时要严密。

（3）传动机构

传动机构由联轴器（或胶带轮）、曲轴、轴承、连杆和十字头等主要部件组成。

电动机通过联轴器（或胶带轮）传动空压机曲轴，然后再通过曲轴、连杆，十字头（即曲轴连杆机构）将旋转运动转换为往复运动。

（4）润滑装置

为减少相对运动部件之间的摩擦，如高、低压气缸与活塞之间、填料与活塞杆之间，机械传动部件之间都需要润滑。

润滑装置有滤油器、油泵、油管及压力表等。

（5）冷却装置

为提高空压机效率和使其安全运转，冷却装置设有气缸壁水套，中间冷却器，后冷却器和润滑油冷却器等。

（6）全与调节装置

因风动工具间歇工作，而空压机却连续供气，所以当风包中气体压力超出整定

压力值时，利用压力调节器和减荷阀调节，使空压机少供或不供给风包压缩空气；

或利用安全阀泄出一部分压缩空气于大气中，以降低风包或中间冷却器的压力，保证空压机安全运转。

图7-54L-20/8型空压机的气阀

第二节活塞式空气压缩机的安全保护装置

一、安全阀

空气压缩机必须有压力表和安全阀。

安全阀是保护空压机在额定压力下安全运转的保护装置。

一旦系统中的压力超过其整定压力时，安全阀就自动开启，把多余的压缩空气排掉，使系统中的压力降到正常的工作压力，保证机器安全运转。

二级压缩的空压机每一级都设有安全阀，一级安全阀安装在中间冷却器上，二级装在排气管路或风包上。

二、释压阀

空气压缩机气缸、排气管和储气罐中的润滑油在受热空气的氧化作用下会形成碳化物，这种碳化物逐渐增多就形成积碳。

积碳不仅会堵塞管道，增加排气阻力，使空气压力和温度进一步增高，而且会燃烧爆炸。

当空气压缩机系统中的积碳大量增加时，如遇到气缸、排气管、储气罐中发生机械冲击而产生的火花或因静电放电产生的火花，积碳即可燃烧，甚至发生爆炸。

此时由于安全阀的过流面积太小，不足以缓解因爆炸产生的高温、高压气流的冲击波，从而导致气缸、排气管和储气罐的损坏，甚至造成人身事故。

为了预防这种事故，除必须使用符合要求的润滑油以减少积碳外，在我国还采用了释压阀这一安全保护装置。

第三节活塞式空气压缩机的使用、维护与常见故障及处理

一塞式空气压缩机的使用

（一）启动前的准备工作

（1）进行外部检查，检查螺栓、螺母、垫圈、开口销、护罩等是否齐全完整、紧固；

（2）人工盘车2～3转，检查传动部分是否灵活，有无卡阻现象；

（3）检查润滑油量是否充足，同时转动注油枪，向气缸注油；

（4）开动冷却水泵，向冷却系统供水，并在漏斗处或流量计上检查冷却水量是否充足；

（5）关闭卸荷阀，把空气压缩机调整到空载起动位置；

（6）打开空气压缩机与逆止阀之间的放空阀；

（7）检查各仪表的指针是否指示在规定的位置上。

（二）启动

（1）按照控制设备的操作顺序启动电动机，注意观察电动机的转动方向是否正确。

如果有独立供油系统时，应先启动油泵，待油压上来以后再启动主电动机。

（2）逐渐打开减荷阀，关闭放空阀，使空压机进入负荷运转。

（3）启动时同时观察各仪表读数，注油器供油和机器声音是否都正常，水路是否畅通无阻。

（三）运转中注意事项

1）各机件运行时有无异常声响与震动，尤其要经常注意气阀的声响。

2）注意观察各压力表读数是否正常；压力表必须定期校验。

3）各部油位是否正常。

4）各温度计读数是否正常。

（四）．停机

（1）按操作规程顺序停机。

（2）排放中间冷却器、后冷却器、压力调节器和风包中的油水。

（3）停机时间较长时，应放掉各部分的存水，以防锈蚀和冻裂。

（4）停机10天以上时，应向各摩擦表面充分注油。

停机一个月以上应作封存，排放各处的油水，拆出所有气阀吹洗干净，擦净气缸镜面，活塞端面、曲轴表面及所有非配合表面，并进行油封。

二活塞式空压机的维护

（一）一般维修：

由司机进行的自检自修（每工作350一400小时进行）

（1）清洗并检查各级吸气阀和排气阀，检查阀片与阀座的密封性，更换阀片、

弹簧或整组气阀。

（2）清洗滤油器，更换过滤纱网。

（3）清洗滤风器。

（4）用铅压法测量气缸的上下死点间隙，同时检查和紧固十字头与活塞杆连接

螺母背帽。

（5）检查连杆螺栓和十字头销轴是否松动。

（6）检查安全阀是否灵活。

（二）定期检修，由检修工进行

1、小修：

2、中修：

3、大修：

三、常见故障分析及处理

小结：