矿井排水系统设计技术统一口径.docx

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矿井排水系统设计技术统一口径

矿井排水系统设计技术统一口径

一、设计原则和依据

1、遵循《煤矿安全规程》、《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》、《煤炭工业矿井设计规范》和《煤炭工业小型矿井设计规范》以及其它有关规定；

2、选用取得《煤矿矿用产品安全标志证书》的高效节能产品，安全可靠，技术先进，经济合理；

3、采矿专业提供的矿井最大涌水量Qm和正常涌水量Qz、矿井水PH值、敷设排水管路井筒的井口和井底标高H1、H2以及井筒坡度、矿井瓦斯等级。

二、排水泵站的能力确定

1、最小排水能力计算

（1）、正常涌水量时工作水泵最小排水能力：

Q1=24Qz/20=1。

2Qz

（2）、最大涌水量时工作水泵最小排水能力：

Q2=24Qm/20=1。

2Qm

2、水泵扬程估算

H=K（Hp+Hx）

式中，Hp为排水高度,且Hp=H1-H2,

Hx为吸水高度,估算一般取Hx=5m,

K为管路损失系数,与井筒坡度有关:

立井:

K=1.1~1.15,

斜井:

当α<20。

.时,K=1.3~1.35,

α=20.~30。

时,K=1.3~1.25,

α>30。

时,K=1.25~1.2.

3、确定水泵台数

根据计算的Q1、Q2、H,查水泵样本选择水泵,并根据拟选水泵的主要技术参数，初步预计水泵的流量Qb（一般为额定流量），按《煤矿安全规程》第278条相关规定，分别计算出水泵站內工作水泵、备用水泵、检修水泵台数。

水泵站內水泵总台数N按下面两种情况计算。

（1）、正常涌水量时：

N=n1+n2+n3

式中，工作水泵台数n1=Q1/Qb,且n1≥1，当n1不为整数时，其小数应进位到整数。

备用水泵台数n2=0。

7n1，且n2≥1，当n2不为整数时，其小数应进位到整数。

检修水泵台数n3=0。

25n1，且n3≥1，当n3不为整数时，其小数应进位到整数。

（2）、最大涌水量时，水泵工作台数n4=Q2/Qb，

当n4≤n1+n2时，则N=n1+n2+n3，

当n4≥n1+n2时，则N=n4+n3。

（3）、水文地质条件复杂、有突水危险的矿井，应根据情况增设水泵，或预留安装水泵位置。

（4）、当矿井水PH≤5时，应选耐酸泵。

三、排水管路计算和管路布置

1、管路布置原则

（1）、根据《煤矿安全规程》第278条规定，井下排水管路应设工作管路和备用管路。

工作管路应能在20h内排出矿井24h正常涌水量，工作管路和备用管路应能在20h內排出矿井24h最大涌水量。

（2）、根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》要求，每台水泵均能经两条管路排水，排水管路在泵站內宜作环形布置。

（3）、管路和水泵的匹配，宜一管一泵；如果水泵需要并联工作，一趟管路宜并联2台水泵，即一管二泵，最多不宜超过一管三泵；有时为了控制管内水的流速，1台水泵也可并联二趟管路运行。

（4）、水文地质条件复杂、有突水危险的矿井，视情况在井筒及管子道预留安装排水管位置。

2、管径计算

（1）、选择排水干管管径时，应根据矿井涌水量大小和矿井规模及服务年限，进行技术经济比较，确定合理的流速和管径。

（2）、管径计算

dp=（Q/900πV）1/2（m）,

式中:

Q—流经管内流量（m3/h）。

一管一泵时Q=Qb，一管二泵时Q=2Qb，余类推

V—管內水流速度，一般排水管內V=1。

5~2。

2m/s,当dp>200mm时，可适当增大，但不宜超过2。

5m/s。

3、管壁厚度计算，介绍两种方法：

（1）、根据原煤炭工业部联合编写小组编写的《矿井提升、通风、排水、压风设备设计手册》中所推荐的公式计算：

δ=1/1+2p/[230（kz-0.65）–p]{[pdp/230（kz-0.65）-P]+c}（mm）（公式一）

式中:

dp—dp排水管外径（mm）

p—计算管段内部最大工作压力（kg/cm2）

kz—管材许用应力（kg/mm2），且kz=0。

25σB

σB—管材抗拉强度（kg/mm2），当不知钢号时，无缝钢管取kz=8~10kg/mm2，焊接钢管取kz=6kg/mm2。

C—附加厚度，一般取C=1mm。

（2）、根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》（送审稿）中推荐的公式计算：

δ=δ’+c

δ’=pDw/[2.3×（Rφ-6.4）+p]（公式二）

式中:

p—计算管段的最大工作压力（MPa）

Dw—排水管外径（cm）

R—管材许用应力（MPa）,

10#钢:

R=85,15#钢:

R=95,20#钢:

R=100

φ—管子焊缝系数。

无缝钢管取1;

螺旋焊接钢管：

双面焊，全部探伤取1.

;螺旋焊接钢管：

双面焊，不探伤取0.7.

C—计入制造负偏差和腐蚀的附加厚度：

无缝钢管:

C=0.15（δ’+1）（cm）

说明:

管壁厚度计算公式较多，煤炭系统比较公认的为四大件设计手册中所推荐的公式，即（公式一）。

因此，在《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》未批准实施前,设计宜采用（公式一）计算。

但因按（公式二）计算的管壁厚度比按（公式一）计算的厚度大，所以在上述设计规范批准后，则应采用（公式二）计算，以使设计符合规范要求。

4、根据计算的dp和δ，选择标准无缝钢管。

5、吸水管dx,一般比排水管dp大一级，取dx,=dp+0。

025（m），根据dx,选择标准钢管中管壁最薄的管子即可。

四、确定水泵工况点，检验排水系统（包括水泵和管路）设计选型计算的符合性。

确定水泵工况点，就是求出水泵H-Q特性曲线和管网特性曲线H=Hc+RQ2

的交点。

鉴于水泵样本给出的H-Q特性曲线，系由厂家通过模拟试验数据绘制而成，并不存在H=f（Q）函数关系，因此，不能利用解方程求解。

目前一般都采用作图法确定水泵运行工况，其方法有二。

１、第一种方法，也即我院目前使用的方法，其步骤如下：

（1）、首先分段计算管路损失Δh

①、吸水管部分

Δhx=（λxLx/dx+∑ζx）Vx2/2g

∵V=Q/900πd2

∴Δhx=（λxLx/dx+∑ζx）Q2/2g（900πdx2）2=RxQ2

式中Rx=（λxLx/dx+∑ζx）/2g（900πdx2）2

②、排水管部分

a、水泵出口至排水干管段

Δhp1=（λp1Lp1/dp1+∑ζp1）Vp12/2g

　　=（λp1Lp1/dp1+∑ζp1）Q2/2g（900πdp12）2=Rp1Q2

式中　Rp1=（λp1Lp1/dp1+∑ζp1）/2g（900πdp12）2

b、排水干管段

Δhp2=（λp2Lp2/dp2+∑ζp2）Vp22/2g

=（λp2Lp2/dp2+∑ζp2）（nQ）2/2g（900πdp22）2=Rp2Q2

式中:

Rp2=n2（λp2Lp2/dp2+∑ζp2）/2g（900πdp22）2

c、排水管部分阻力损失之和，按水泵与管路运行情况分别计算：

Δhp=Δhp1+Δhp2=（Rp1+n2Rp2）Q2

（2）、绘制管网特性曲线H=Hc+RQ2

式中Hc—测量高度，Hc=Hp+Hx

R—管道阻力，R=Rx+Rp1+n2Rp2，

将Hc、R数值代入，并考虑因沉积物使管径变小阻力增大系数，则

H=Hp+Hx+1。

7（Rx+Rp1+n2Rp2）Q2（新管则不乘1。

7系数）。

在不同的n值下（n=1、2、3），给出不同的Q值，即可绘出管网特性曲线。

（3）、确定水泵运行工况点

水泵样本给出的H-Q特性曲线和绘出的管网特性曲线H=Hc+RQ2,两条特性曲线的交点M即为水泵运行工况点（如图1）。

该点对应的Q、H、η、npsh，即是水泵运行时的流量、扬程、效率和必须的汽蚀余量。

（贴插图1）

（4）、根据工况点对应的Q、H，检验矿井最大涌水量和正常涌水量时水泵工作台数、管路趟数及每天水泵工作时间。

水泵和管路的各种配合运行方式，均应能保证水泵每天工作时间不超过20h。

从图1可知，此时水泵的实际流量为Qb＇，则要求：

T1=24Qz/nQb＇≤20h，T2=24Qm/nQb＇≤20h。

同时检验排水管中水的流速，V=nQb＇/900πdp22，如超出经济流速范围，则应调整管路系统，或采取其它措施，直至满足要求。

（5）、计算电动机的容量：

先按一管一泵（n=1）运行时水泵工况点对应的Q、H、η计算出水泵的轴功率：

N=QHr/102×3600η

电动机的容量：

Nd’=KQHr/102×3600ηηm，

式中K—电动机容量的富余系数，K=1。

1~1。

2，

ηm—傳动效率，直联取1，联轴节取1。

2，

r—矿井水的容重，一般r=1020kg/m3。

根据Nd’选择电动机。

（一般电动机由水泵厂成套供应）。

（6）、按水泵在管路未淤积前（即新管）一管一泵运行时水泵的工况计算水泵的轴功率，检验电动机是否过负荷。

２、第二种方法,即四大件设计手册中介绍的方法，其步骤如下：

（1）、首先分段计算出管路损失Δh

Δh=Δhx+Δhp1+Δhp2，按一管一泵（n=1）运行，计算公式与第一种方法相同。

（2）、水泵总扬程

HZ=Hc+1。

7Δh+1（新管则不乘1。

7系数）

（3）、建立管网特性曲线HZ=Hc+RQ2

R=（HZ-Hc）/Q2，

（4）、确定水泵运行工况点

　①、一管一台泵运行时水泵的工况点确定

一台水泵的H-Q特性曲线和管网特性曲线H=Hc+RQ2两条特性曲线的交点3即为水泵运行工况点，见图2）

　②、一管二台泵并联运行时水泵的工况点确定

两台同型号水泵并联特性曲线的绘制，是在相同扬程条件下，两台水泵流量相加绘成的，如图2所示。

它与管网特性曲线（按一管一台泵运行）之交点1即为二台并联水泵的工况点，点1对应的Q、H为并联工作水泵的实际流量和扬程；点２为并联工作时每台水泵的工作点；点３为一台水泵单独工作时的工作点。

从图2可知，Q=Q’1＋Q’1＝2Q’1，一般Q=（1。

8~1。

6）Q1。

（贴插图2）

③、一管三台泵并联运行时水泵的工况点确定

与一管二台泵并联运行时水泵的工况点确定方法相同，如图3所示。

（贴插图3）

④、三台相同水泵向两条管路输水的并联工作，如图4所示。

除了一条管路的特性曲线C—E外，还要绘制两条管路的合成特性曲线C—E’。

合成特性曲线的绘制，是在同一扬程下把管路中的流量相加而成。

图中：

点1定出泵站的最大输水量，点2定出每条管路中的输水量，点３定出每台水泵的输水量。

（贴插图4）

⑤选择电动机和计算水泵工作时间，与第一种方法相同。

3、两种方法的比较

　第一种方法是先计算出一管一泵或一管多泵管路特性曲线，它们与水泵特性曲线的交点即为水泵运行工况点，也就是先定出单台水泵Q，再计算泵站输水量。

而第二种方法则是先定泵站输水量，再定出每台水泵Q。

但两种方法的共同点都是基于水泵并联运行时管中的流量Q成倍增加，并以此绘制并联后的水泵特性曲线和管路特性曲线。

实际上流量Q并不是成倍增加（约为１。

８～１。

６倍），因而都存在一定的误差。

但第一种方法中并联管路特性曲线是通过计算后一次绘制的，而第二种方法中并联管路特性曲线是通过人工二次合成的，因而相对误差较第一种方法为大。

五、泵站布置

1、泵站主要尺寸

（1）、泵站长度L=nL1+（n-1）L2+（3~5）（m）

式中:

L1—机组长度，

L2—机组间净间距，应满足电动机抽芯和水泵检修的需要，

3~5m是考虑值班室和堆放检修工具及零配件的需要，可视具体情况而定。

（2）、泵站宽度B=B1+1/2B2+B3+B4+B5+0。

3（m）

式中:

B1—机组基础边（靠吸水井侧）至硐室壁的距离，

B2—机组基础宽度

B3—水泵或电动机外型（靠轨道侧）至基础中心距离，

B4—水泵或电动机或平板车中最大件宽度

，B5—水泵启动控制箱的厚度，

0。

3m为考虑最大件通过轨道运输时两侧预留的间隙。

（3）、起重高度H=h1+h2+h3+h4+h5+h6+h7

式中:

h1——-机组基础高度

h2——水泵轴中心至机组基础高度

h3——附加短管高度（不加时，h3=0）

h4——闸阀高度（当止回阀采用多功能控制阀时，h4=0）

h5——止回阀或多功能控制阀高度

h6——三通高度

h7——起重吊钩至起重梁底面高度

但当排水干管敷设在起重梁下时，其H应满足法兰底部距泵站地面1。

8m的要求。

2、其他相关尺寸

（1）、水泵、吸水管、配水井、吸水井及水仓相互之间主要尺寸关系如图所示。

（贴插图）

a0——短管长度，可根据实际情况确定；

a1——偏心异径管长度，不宜小于大小管径差的5倍；

（a0+a1）——水泵入口前直管段总长度，不宜小于3倍的水泵吸水口直径；

bl——吸水管滤网中心线距最近井壁的距离，距后壁可取（0。

8~1。

0）Dx；距侧壁可取1。

5Dx，且不小于Dx+100mm;

Dx————吸水管滤网直径；

DN——配水闸阀公称直径；

c1——配水闸阀之间最小净距，不应小于150mm；

c2——配水闸阀操作手轮之间净距，不应小于500mm；

c3——配水闸阀操作手轮距配水井井壁间距，不应小于700mm；当双配水井集中布置共享一个壁龛时，可不受限制；

c4——配水闸阀法兰距配水井井壁间距，不应小于200mm；

hl——配（吸）水井最低水位到吸水管滤网上缘距离，不得小于（1~1。

25）Dx，且不得小于500mm；

hx——吸水管滤网下缘距吸水井底距离，不得小于（0。

6~0。

8）Dx，且不得小于500mm；

lx——吸水管滤网中心线至吸水井入口距离，不得小于4Dx。

（2）、吸水井

每台水泵宜单独使用一个吸水井，确定吸水井直径时应考虑水泵工作时吸水井內水面波动不太大，同时应考虑安装、检修、清理吸水井的需要。

一般D≥1500mm

（3）、配水井

一般配水井兼作吸水井，其尺寸大小应根据安装设备多少，考虑安装、检修、清理工作需要。

六、管路布置与安装

1、管路敷设

（1）、立井井筒中排水管敷设位置应与采矿专业协商，尽可能靠近梯子间，并留有足够的安装、检修和更换空间。

（2）、立井井筒中排水管底部应设置弯头管座及其支承梁。

当排水管路垂高较大（大于400m）时，应在中间加设直管座及支承梁，其间距取100~150m。

（3）、排水管在井筒中间用管卡固定在防弯梁上。

防弯梁一般利用罐道梁或梯子间梁，不能利用时，应设单独的防弯梁。

管卡只起导向作用。

（4）、排水管在斜井中沿底板敷设时，可用水泥墩支承，沿井壁敷设时，用梁支承。

在管路最下部和中间设置防滑支墩或支承梁，防止管路下滑。

2、主排水管路连接

（1）、当条件允许时应采用焊接连接。

为了安装和检修方便，可部分焊接，部分法兰连接。

（2）、采用法兰连接时，与水泵和阀门等管路附件连接的法兰，应采用JB法兰，而管路连接的法兰宜采用GB法兰。

3、管路支承梁计算

（1）、管路支承梁一般可直接选用槽钢、工字钢、H型钢等热扎普通型钢，必要时也可根据荷载需要，制作等截面焊接工字形的支承梁。

钢材宜采用Q345钢。

（2）、支承梁荷载

a、支承梁自重：

即所选钢梁单位重量，可视为均布荷载。

b、管重：

应取支承梁以上相应管段排水管和连接件以及防腐材料的重量之和；

c、水柱重量：

底部支承梁所支承管路中的水重，并考虑水锤影响。

建议采用多功能水泵控制阀取代止回阀，以减轻水锤冲击力。

d、其它荷载：

如果压风管、洒水管等也敷设于该支承梁上，亦应计入；

e、温度变化引起的作用力：

Q=A*E*α*（T2-T1）

式中，A——水管横断面的金属面积（mm2）；

E——钢材弹性模量（N/mm2）；

α——钢材线膨胀系数；

T2————所论管段的环境最高温度（。

C）；

T1——管路安装时的环境温度（。

C）。

（3）、支承梁可视为在一个主平面內受弯构件，并按国家标准《钢结构支设计规范》（GB50017-2003）的有关规定计算其强度和稳定性。

（4）、由于支承梁安装在井筒中，一般均在5m左右，比较短，且所选作支承梁用的型钢的高厚比均较大，其刚度（挠度）一般可不予计算。