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摘要
本設(shè)計是對寸草塔礦的初步設(shè)計所給定基本條件進行的礦井排水系統(tǒng)及排水設(shè)備選型設(shè)計。通過技術(shù)和經(jīng)濟性比較確定了礦井排水系統(tǒng)形式，進行了礦井排水設(shè)備選型設(shè)計計算，確定選用所選的離心式水泵。然后根據(jù)寸草塔礦井下涌水情況、井底車場布置情況，選擇水泵、管路及管路附件等設(shè)備的類型和具體型號。進行管路布置、計算管路阻力損失、確定管路特性方程、確定水泵工況點。在進行排水設(shè)備選型計算的時候，通過分析原始資料，選取了可能適合礦井的不同水泵。通過對不同型號水泵工況點的計算比較，通過對經(jīng)濟流速、排水時間和吸水高度等的校驗，排除不合適的水泵，選取一個相對來說符合要求的水泵以及管路。再根據(jù)水泵工況點參數(shù)，計算所需功率，選擇配用電動機，計算經(jīng)濟指標(biāo)費用。然后對對所選水泵進行介紹。最后設(shè)計水泵房、水倉，確定其各項基本參數(shù)，繪制水泵房布置圖。
關(guān)鍵詞：水泵；排水系統(tǒng)；管路；工況點
。
I
Abstract
This design is the basic conditions for the preliminary design of the basic conditions for the design of the coal mine drainage system and the drainage equipment selection design. Through the comparison of technology and economy, the mine drainage system is determined, and the selection of mine drainage equipment is calculated.. Then according to the inch grass tower mine gushing water, bottom yard layout situation, select pumps, piping and pipe accessories equipment types and specific models. The pipeline layout, calculation of the pipeline resistance loss, determine the pipeline characteristics, determine the pump point. In the drainage equipment selection calculation, through the analysis of the original data, select the mine may be suitable for different pumps. Through the calculation of different types of pump operating point compared through the economic flow velocity and duration of drainage and imbibition height check, exclude the inappropriate pump, select a relatively conform to the requirements of pumps and piping. According to the pump operating point parameters, calculate the required power, select the motor, the calculation of the economic index cost. And then introduce the selected pump.. Finally, the design of the pump room, water warehouse, determine its basic parameters, drawing the layout of the pump room.
Keywords: water pump; drainage system; pipeline; operating point
I
目錄
1緒論 1
1.1 礦井概述 1
1.2設(shè)計的目的和意義 1
1.3 排水系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r與所需解決的問題 2
1.3.1排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀 2
1.3.2排水系統(tǒng)需解決的問題 2
1.4 設(shè)計任務(wù) 3
2 寸草塔礦的排水設(shè)備選型設(shè)計 4
2.1 礦井設(shè)計原始資料 4
2.2 確定排水系統(tǒng) 4
2.2.1排水系統(tǒng)要求 4
2.2.2確定排水系統(tǒng) 5
2.3 水泵的選型 7
2.3.1 水泵必須排水能力計算 7
2.3.2 估算水泵揚程 8
2.3.4 排水設(shè)備初選 8
2.3.5 水泵臺數(shù) 8
2.4 管路選擇 11
2.4.1選擇管材 11
2.4.2 確定管徑 11
2.4.3 計算管壁厚度 12
2.4.4 吸水管的內(nèi)徑計算 13
2.4.5 估算管子的長度 14
2.5 計算工況點 15
2.5.1水泵工況點的概念及調(diào)節(jié)方法 15
2.5.2 計算管路特性 15
2.5.3 管路的阻力系數(shù) 18
2.5.4 確定工況 18
2.6 水泵裝置效率的計算 22
2.7 排水時間校驗 23
2.8 經(jīng)濟性校核 24
2.9 穩(wěn)定性校核 24
2.11 吸水高度的校核 25
2.12 電動機功率 25
2.13 經(jīng)濟指標(biāo)計算 26
2.13.1 電費 26
2.13.2 年折舊費 27
2.13.3 年工資費 28
2.13.4 維修費 28
2.13.5 其他費用 28
2.13.6 年排水費 29
2.13.7 年排水費用指標(biāo) 29
3 水泵房、水倉的確定 30
3.1水泵房簡介 30
3.2 計算泵房 30
3.3 水倉、吸水井的計算 32
3.3.1 吸水井尺寸 32
3.3.2 分水溝和水倉接口高度計算 32
3.4 計算水倉 33
3.5 起重梁 34
3.6 管子道和管子間 34
3.6.1管子道的布置 34
3.6.2井筒內(nèi)管路的布置 34
4 MD280-439型水泵概述 35
4.1型號意義 35
4.2運行條件及壽命 35
4.3結(jié)構(gòu)特點 35
4.4 水泵的空蝕現(xiàn)象 36
4.4.1空蝕的概念 36
4.4.2空蝕的危害 36
4.5故障分析和排除 37
4.6安裝要求 38
結(jié)論 39
致謝 40
參考文獻 41
附錄A 42
附錄B 48
1緒論
1.1 礦井概述
（1）井田位置：寸草塔井田位于伊克昭盟洛旗境內(nèi)，屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)。礦井屬于神華集團金峰有限公司，東西傾向?qū)?km。
（2）交通：距離寸草塔礦井30km的位置有一個最大城鎮(zhèn)阿騰席熱鎮(zhèn)，交通方便。
（3）地理環(huán)境：海拔高度為1200~1300m。最高點高度為1378m，最低點高度為1174m，其最大高度差為204m，整個井田呈現(xiàn)坡狀地形。井田內(nèi)的溝谷較多，沒有常年的地表徑流，在雨季的時候水增多，持續(xù)時間較短。烏蘭木倫河是一條地表徑流，距離井田不遠。大氣降水不同，水量不同。
（4）電源條件：鄂爾多斯的電網(wǎng)正在改造，伊金霍洛旗電網(wǎng)已改造完成，在烏蘭木倫有220kV的變電所，在馬家塔有110kV的變電所，烏蘭木倫的變電所提供電源。
（5）水源條件：井田附近河水受隨著大氣降雨的改變而改變，是常年地表水。井田在河流交匯處的下游，流量較大，能夠當(dāng)成礦井的取水水源。
1.2設(shè)計的目的和意義
（1）設(shè)計目的：一直以來，我國最主要的能源就是煤炭，它是不可再生的。需要進行大量的開采，但是在開采的過程中礦難事故時有發(fā)生，其中透水事故就是其中之一。在進行煤礦建設(shè)的時候，從各種渠道來的水源源不斷地涌入礦井，而煤炭開采往往會伴隨著礦井涌水，如果礦井涌水不能及時排除，就會影響到煤炭的正常開采。另外，一般的礦山地質(zhì)條件都比較復(fù)雜，有可能因為遭到突然大量礦井涌水而淹沒礦井，甚至?xí)＜肮ぷ魅藛T的生命安全。在這個時候，需要排水設(shè)備搶險排水，以盡快恢復(fù)礦井生產(chǎn)。為了確保安全生產(chǎn)，必須及時使用排水設(shè)備將不斷匯集于井下的礦井水排出。除此之外，礦井涌水在井下流動的過程中，溶解了許多礦物質(zhì)，同時也含有煤屑，流砂等雜質(zhì)，容易磨損水泵零件。而且礦井涌水中還含有游離酸，對水泵及管路有腐蝕作用，所以必須對排水系統(tǒng)和設(shè)備進行選擇，不僅減少礦井涌水的危害，也可以使排水設(shè)備使用更長的時間。
（2）設(shè)計意義：排水設(shè)備是在煤礦建設(shè)中和重要的一環(huán)。是煤礦生產(chǎn)中不能夠缺少的重要設(shè)備，它對于正常生產(chǎn)、安全生產(chǎn)有著十分重要的作用。排水設(shè)備工作的目的是礦井的建設(shè)和生產(chǎn)，直到礦井設(shè)備完全消耗，不能使用時才會停止。排水設(shè)備對于煤礦建設(shè)是不可缺少的重要設(shè)備，它的正常使用能夠使礦井正常、安全生產(chǎn)。
1.3 排水系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r與所需解決的問題
相關(guān)資料表明，水泵是一種高能耗的設(shè)備。合理選擇水泵，直接關(guān)系到水泵站工程的投資，運行費用以及泵站的安全狀況，水泵選型是整個過程中有重要意義的一個環(huán)節(jié)。
1.3.1排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀
我國已經(jīng)有一部分煤礦有了自動化排水系統(tǒng)，但是仍有一部分礦井采用傳統(tǒng)的人工操作進行排水。兩種方式都是以離心式水泵為中心來進行對礦井水的抽排，但是人工方式的排水方法落后，水泵啟動與停止完全由人工觀察水倉水位和經(jīng)驗決定，并且反應(yīng)時間長。當(dāng)工人觀察到水倉水位到達設(shè)定的開啟水泵的高度的時候，首先要把閘閥關(guān)閉，人工開啟射流泵為水泵進行抽真空環(huán)節(jié)的工作，等到檢測其真空度的真空表的壓力值達到要求值時，開啟水泵。水泵開始運轉(zhuǎn)之后觀察離心泵的出水口壓力表讀書，當(dāng)其達到預(yù)設(shè)值時，把排水管路上的閘閥打開，排水工作開始正式運行起來。井下排水泵房一般都配有多個水泵，工人往往不知道開啟幾臺水泵排水合適，只能根據(jù)經(jīng)驗開啟相應(yīng)的臺數(shù)的水泵，在排水期間工人要觀察水倉的水位變化，當(dāng)水位高度到達設(shè)定的最低位置時要停止排水。這時就要先把閘閥關(guān)住防止水錘事故發(fā)生，然后再停止水泵的運轉(zhuǎn)。自動化排水方式下有3種控制方式，分別為全自動模式、半自動模式、手動模式。在全自動模式下系統(tǒng)會綜合參考所檢測的數(shù)據(jù)來決定水泵的開啟和停止；手動模式可以人工通過按動按鈕開啟和停止水泵，在特殊情況下有可能需要人工控制水泵的開啟臺數(shù)。
1.3.2排水系統(tǒng)需解決的問題
傳統(tǒng)的人工控制操作的排水系統(tǒng)存在如下的許多問題：
1）可靠程度不夠，效率低。傳統(tǒng)的人工操作排水方法認為因素占絕對的主導(dǎo)地位，一旦進行排水工作時，工人按照安排好的順序?qū)Ω鱾€執(zhí)行部分的操作；
2）工人勞動強度大。負責(zé)排水的工人由于要時刻觀察水倉水位變化所以要一直在水泵房工作，在開啟水泵前要關(guān)閉閘閥，水泵啟動后并且出水口壓力達到要求的大小時再把閘閥打開進行正常排水。閥門轉(zhuǎn)動時需要的力矩比較大，一般需要兩個工人一同轉(zhuǎn)動閥門手柄才能正常開啟和關(guān)閉閘閥；
3）檢修維護困難。當(dāng)整個排水系統(tǒng)出現(xiàn)問題不能正常排水時，需要工人逐個檢查排水設(shè)備，確定故障設(shè)備，進而進行維修。
1.4 設(shè)計任務(wù)
（1）確定寸草塔礦井的排水系統(tǒng)
根據(jù)寸草塔礦井田的開拓方式，確定排水系統(tǒng)的方案。
（2）進行排水設(shè)備的選擇
根據(jù)寸草塔礦井下涌水情況、井底車場布置情況，選擇水泵等設(shè)備的具體型號和類型。
（3）校驗排水設(shè)備能力
進行管路布置、計算管路阻力損失、確定管路特性方程、確定水泵工況點，校驗水泵選擇的是否合理。
（4）選擇水泵所需的電動機。
根據(jù)水泵的工況點各個參數(shù)，計算所需功率，選擇配套的電動機。
（5）設(shè)計水泵房、水倉。
2 寸草塔礦的排水設(shè)備選型設(shè)計
2.1 礦井設(shè)計原始資料
（1）礦井開拓方式：
礦井是斜井開拓，井筒長度1032m，傾角為16°。
（2）正常涌水量和最大涌水量：
正常：200 m3/h；
最大：300 m3/h。
（3）正常和最大涌水期：
正常涌水期：300天；
最大涌水期：65天。
（4）礦水的密度及化學(xué)性能（值）
礦水密度：1020 kg/m3；
化學(xué)性能：中性，=7。
（5）礦井年產(chǎn)量和服務(wù)年限：
礦井的年產(chǎn)量：270萬噸；
服務(wù)的年限：43年。
2.2 確定排水系統(tǒng)
2.2.1排水系統(tǒng)要求
由于煤礦自然環(huán)境特殊，所以煤礦對排水設(shè)備的要求要比其他生產(chǎn)條件要嚴(yán)格的多。不僅要考慮防火、防爆、通風(fēng)；還要考慮水文地理條件、水的酸堿性等問題，設(shè)計選用合理的設(shè)備，充分發(fā)揮設(shè)備的生產(chǎn)能力，是選型設(shè)計的關(guān)鍵。
1）必須要有工作水泵、備用水泵和檢修水泵。
2）工作水泵的排水能力，是應(yīng)該能在20小時內(nèi)排除礦井24小時的正常涌水量；備用水泵的排水能力，應(yīng)不小于工作水泵的排水能力的70%，并且工作和備用水泵的總能力，應(yīng)能在20小時內(nèi)排出礦井24小時的最大涌水量；檢修水泵的能力，應(yīng)不小于工作水泵的排水能力的25%。
3）水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，可以根據(jù)具體情況，在主要泵房內(nèi)預(yù)留一些位置去安裝一定數(shù)量水泵，可以方便增設(shè)水泵。
4）對于正常涌水量≤50m3/h,且最大涌水量≤100m3/h的礦井，可選用2臺水泵，其中一臺工作，一臺備用。
5）主要排水設(shè)備必須有工作和備用的水管，其中工作水管的能力配合工作水泵在20小時內(nèi)排除礦井24小時的正常涌水量；工作和備用水管的總能力，應(yīng)能配合工作和備用水泵在20小時內(nèi)排出礦井24小時的最大涌水量。
2.2.2確定排水系統(tǒng)
對于巷道低于地面的礦井，要求涌入礦井中的水，需要用排水設(shè)備將水排到地面。目前我國的大部分礦井都是采用這種排水方式。
根據(jù)不同開采水平以及各水平大小不同的涌水量，可以采用不同的排水系統(tǒng)。豎井時，采用單水平開采的時候，可以采用直接排水系統(tǒng)將井下全部涌水集中到井底車場的水倉內(nèi)，然后用礦井排水設(shè)備將礦水排到地面。當(dāng)有兩個或更多水平的開采時，可有多種方案供選用。就兩個水平而言，有3種方案。
1）直接排水系統(tǒng)
直接排水系統(tǒng)，是指礦井中的涌水通過礦井排水的設(shè)備直接排到地面上?；蛘哒f當(dāng)各水平的涌水量都很大的時候，可以在礦井中設(shè)置如水倉、泵房等設(shè)施，將不同水平的礦水排到地面。
優(yōu)點：其系統(tǒng)比較簡單，開拓量比較小，基建投資較低，同時上、下兩個水平的排水設(shè)備不會產(chǎn)生干擾；
缺點：井筒內(nèi)敷設(shè)管路多。
圖2-1直接排水系統(tǒng)
Figure 2-1 direct drainage system
2）集中排水系統(tǒng)
上水平有較小的涌水量時，可以把上水平的礦井涌水下放到下水平，然后用下水平的礦井排水裝置將礦水直接排到地面上。比如說采用單水平開采的礦井，就會使用直接將礦水排到地面的系統(tǒng)。
優(yōu)點：系統(tǒng)只需要一套排水設(shè)備；
缺點：如果將上水平的礦井涌水排到下水平后再往上提，損失能量，增加電耗。
3）分段排水系統(tǒng)
此系統(tǒng)指的是礦井中的涌水經(jīng)過幾段排水設(shè)備排出地面。通常應(yīng)用在一些礦井比較深，又受到排水能力大小限制的礦井排水。即下水平的水量小或者井過深，可以將下水平的水排到上水平的水倉，然后一起排出地面。
缺點：當(dāng)上水平的礦井排水設(shè)備因故停止運行，而又急需要排水時，兩個水平均存在被水淹沒的可能性。
圖2-2分段排水系統(tǒng)
Figure 2-2 segmented drainage system
考慮到本設(shè)計煤礦的原始資料，礦井是斜井開拓，礦井涌水量較小，可以由下水平的礦井排水裝置將礦水直接排出地面。因此確定采用集中排水系統(tǒng)，可以在礦井井底車場的附近設(shè)立中央水泵房，將井底所有礦水集中直接排至地面。
2.3 水泵的選型
2.3.1 水泵必須排水能力計算
根據(jù)參考文獻《煤礦安全規(guī)程》的要求，可以計算水泵的排水能力為：
1）正常涌水時水泵應(yīng)具備的排水能力為
=1.2200=240m3/h (2-1)
2）最大涌水時水泵應(yīng)具備的排水能力為
=1.2300=360m3/h (2-2)
式中：
——工作水泵具備的總排水能力，m3/h；
——工作和備用水泵具備的總排水能力，m3/h；
——礦井的正常涌水量，m3/h；
——-礦井的最大涌水量，m3/h。
2.3.2 估算水泵揚程
377m (2-3)
式中：
——測地高度， m；
——礦井的深度，285m；
——礦井的吸水高度，取m ；
——管子高于井筒的深度，取 m ；
——管路效率，礦井為斜井時，當(dāng) 時，取，取0.77。
2.3.4 排水設(shè)備初選
根據(jù)以上參數(shù)，參照參考文獻《泵產(chǎn)品樣本》可以初步確定礦井需要的水泵型號，見表2-1。
表2-1 水泵型號、參數(shù)表
Table 2-1 pump type, parameter list
型號
流量
揚程
轉(zhuǎn)速
軸功率
配用功率
效率
必需汽蝕余量
Q
H
n
Pa
η
m3/H
m
r/min
kW
kW
%
m
MD155-676
155
402
2950
229.2
280
74
5.0
PJ1506
300
384.9
1480
408.4
500
77
3.0
MD280-439
280
387
1480
383.1
450
77
4.7
2.3.5 水泵臺數(shù)
方案一：MD155-676型水泵
額定流量155m3/h，額定楊程402m。則
工作泵臺數(shù)：，n1=2。
備用水泵臺數(shù)：
，故n2=2。
檢修泵臺數(shù)：，n3=1。
總臺數(shù)：n=5。
方案二：PJ1506型水泵
額定流量300m3/h，額定楊程384.9m。則
工作泵臺數(shù)：，n1=1。
備用水泵臺數(shù)：
，故n2=1。
檢修泵臺數(shù)：，取n3=1。
總臺數(shù)：n=3。
方案三：MD280-439型水泵
額定流量280m3/h，額定楊程387m。則
工作泵臺數(shù)：，n1=1。
備用水泵臺數(shù)：
，故n2=1。
檢修泵臺數(shù)：，n3=1。
總臺數(shù)：n=3。
三種型號所需水泵臺數(shù)，見表2-2。
表2-2 不同型號所需水泵數(shù)量
Table 2-2 number of pumps required for different types of models
型號
工作泵臺數(shù)
備用泵臺數(shù)
檢修泵臺數(shù)
MD155-676
2
2
1
PJ1506
1
1
1
MD280-439
1
1
1
根據(jù)計算，對于MD155-676 ，5臺水泵，鋪設(shè)3趟管路，其管路系統(tǒng)布置見圖2-2；對于PJ1506，3臺水泵，鋪設(shè)2趟管路，管路系統(tǒng)布置圖見圖2-1；對于MD280-439，3臺水泵，鋪設(shè)2趟管路，管路系統(tǒng)布置圖見圖2-1。
圖2-3 三臺水泵管路布置方式
Figure 2-3 three pump piping arrangement
1) 三臺水泵和兩條管路的布置方式，見圖2-3。其中當(dāng)一臺水泵開始工作的時候，可以使用其中任一趟管路排水，另外一趟管路作備用；當(dāng)兩臺水泵同時開始工作的時候，可以分別使用一趟管路排水。
圖2-4 五臺水泵管路的布置
Figure 2-4 five pump line layout
2）五臺水泵及三條管路的布置，見圖2-4。在正常涌水時期時，當(dāng)兩臺泵開始工作的時候，可以使用其中任意兩趟管路分別進行排水，另外一趟管作備用；在最大涌水期時，當(dāng)四臺泵開始工作的時候，使用三趟管路進行排水，水泵在并聯(lián)的管路上開始工作。
2.4 管路選擇
排水管管徑需要考慮在一定的流量下，使運轉(zhuǎn)費用和初期投資費用兩者之和最低。由于管路的初期投資費用與管徑成正比，但是運轉(zhuǎn)所需的電耗與管徑成反比。因此如果管徑選擇偏小，則水頭損失大，電耗高，但初期投資少；若管徑選擇偏大，則水頭損失小，電耗低。管徑是確定運轉(zhuǎn)費用在總費用中所占比重的決定因素，選擇時應(yīng)該綜合兩方面考慮找出最佳的管徑。
2.4.1選擇管材
選擇管材主要取決于管道所需承受的壓力大小。由于礦井排出的水一般會進入水池或水溝，因此壓力與井深成正比。通常情況，在井深不超過200m的情況下，多采用的是焊接鋼管；當(dāng)井深超過200m時，采用的是無縫鋼管。吸水管采用的是無縫鋼管。
分析礦井的原始資料可知，礦井井深超過200m，所以采用的是無縫鋼管。
2.4.2 確定管徑
排水管的管徑選擇是需要考慮的是，在一定的管路流量下，使運轉(zhuǎn)的費用和初期的投資費用之和最低。因為管路的初期的投資費用和管徑是正比的關(guān)系，但是運轉(zhuǎn)的電耗和管徑是反比的關(guān)系。因此管徑一旦選擇偏小，會使水頭損失變大，電耗變高，但是初期的投資較少；若管徑的選擇偏大，會使水頭損失變小，電耗變低，但是初期的投資費用變高。因此，管徑選擇是決定運轉(zhuǎn)費用在總費用中所占比重的重要因素，選擇的時候需要綜合考慮找出最合適的管徑。
排水管的內(nèi)徑計算
(2-4)
式中：
——排水管的內(nèi)徑，m；
Q ——排水管具有的流量，m3/h；
——排水管中具備的流速，一般取經(jīng)濟流速=（m/s）。
所選水泵的排水管內(nèi)徑，見表2-3：
表2-3 水泵排水管內(nèi)徑表
Table 2-3 inner diameter of the pump
型 號
MD155-676
PJ1506
MD280-439
額定流量 (m3/h)
155
300
280
(m)
0.158~0.191
0.219~0.265
0.212~0.257
2.4.3 計算管壁厚度
(2-5)
式中：
——標(biāo)準(zhǔn)管的內(nèi)徑，cm；
——管材的許用應(yīng)力，無縫鋼管取=80MPa；
p ——管內(nèi)水壓，；
C ——管壁附加的厚度，無縫鋼管C=0.1~0.2cm，取0.15cm。
方案一：MD155-676型水泵
初選壁厚δ＝8mm進行計算，此時，所需壁厚：
計算可得，8mm的壁厚能夠滿足要求，采用型號為φ203×8的排水管。
方案二：PJ1506型水泵
初選壁厚δ＝8mm進行計算，此時，所需壁厚：
計算可得，8mm的壁厚能夠滿足要求，采用型號為φ245×8的排水管。
方案三：MD280-439型水泵
初選壁厚δ＝8mm進行計算，此時，所需壁厚：
計算可得，8mm的壁厚能夠滿足要求，采用型號為φ245×8的排水管。
所選水泵排水管規(guī)格，見表2-4。
表2-4 水泵排水管規(guī)格表
Table 2-4 specification for pump drain
型號
MD155-676
PJ1506
MD280-439
排水管規(guī)格（mm）
φ203×8
φ245×8
φ245×8
2.4.4 吸水管的內(nèi)徑計算
為了提高水泵吸水的性能，預(yù)防產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，吸水管的直徑一般會比排水管的直徑大，流速大約在0.8～1.5m/s范圍內(nèi)，所以吸水管的內(nèi)徑
(2-6)
所選水泵的吸水管內(nèi)徑，見表2-5
表2-5 水泵吸水管內(nèi)徑表
Table 2-5 inner diameter of pump suction pipe
型 號
MD155-676
PJ1506
MD280-439
額定流量 ()
155
300
280
0.183~0.216
0.244~0.29
0.237~0.282
查閱手冊可得壁厚與排水計算一樣，所選水泵吸水管規(guī)格見表2-6。
表2-6 水泵吸水管規(guī)格表
Table 2-6 specifications of pump suction pipe
型號
MD155-676
PJ1506
MD280-439
吸水管規(guī)格（mm）
φ203×8
φ273×8
φ273×8
2.4.5 估算管子的長度
水泵管路布置圖，見圖2-5。
圖2-5 水泵管路布置圖
Figure 2-5 pump piping layout
估算排水管的管道長度：
(2-7)
式中：
——水泵房中排水管的管道長度，通常取L1=20～30m；
——管子道中管子的長度，通常取L2=20～30m；
——井口出水管的長度，一般取L3=15～20m。
排水管道的長度，Lp=348m。
吸水管管道的長度，Lx=8m。
2.5 計算工況點
2.5.1水泵工況點的概念及調(diào)節(jié)方法
1）概念
水泵的壓頭特性曲線與管路特性曲線有一交點，這個交點就是水泵的工作狀況點，簡稱工況點。
2）調(diào)節(jié)方法
A.閘門節(jié)流法
當(dāng)把排水閥閘門關(guān)小時，相當(dāng)于在管路中附加了一個局部阻力，則管路特性曲線變陡，泵的工況點就沿著揚程曲線向流量減小的方向移動。
B.減少葉輪的數(shù)目
減少葉輪數(shù)目，可降低多級泵的揚程，從而改變泵的揚程特性曲線。
C.削短葉輪直徑
削短葉輪直徑后，水泵的揚程、流量和功率都將減小，從而改變泵的特性曲線，使工況點也發(fā)生變化。
D.變頻調(diào)速法
當(dāng)水泵葉輪轉(zhuǎn)速變化時，水泵性能曲線將相應(yīng)的上下移動，其工況點隨之相應(yīng)改變，從而達到改變工況的目的。
2.5.2 計算管路特性
對于已經(jīng)選定管路的系統(tǒng)，可以用以下公式計算其管路特性：
新管： （2-8）
舊管： （2-9）
沿程阻力系數(shù)
吸水管： （2-10）
排水管： （2-11）
式中：
——吸水管的內(nèi)徑，m；
——排水管的內(nèi)徑，m。
吸、排水管的局部阻力系數(shù)，見表2-7。
表2-7 局部阻力系數(shù)表
Table 2-7 local drag coefficient table
名 稱
簡 圖
局 部 阻 力 系 數(shù) ξ
閘板閥
x/d
1/8，3/8，5/8，7/8，1
ξ
97.8，5.52，0.81，0.07，0.01
止回閥
70，55，45，40
ξ
1.7，3.2，4.6，6.6，9.5，14
底閥（帶
濾網(wǎng)）
mm
75，150，250，350，400
ξ
8.5，6，4.4，3.4，3.1
漸縮管
0.1
擴大管
α
ξ
彎頭
ξ
彎頭
三通
方案一：MD155-676型水泵
排水管型號：φ203×8；吸水管型號：φ203×8。
0.0347
0.0347
方案二：PJ1506型水泵
排水管型號：φ245×8；吸水管型號：φ273×8。
0.0327
0.0316
方案三：MD280-439型水泵
排水管型號：φ245×8；吸水管型號：φ273×8。
0.0327
0.0316
2.5.3 管路的阻力系數(shù)
管路的阻力系數(shù)可以通過下式來計算：
（2-12）
方案一：MD155-676型水泵
排水管型號：φ203×8；吸水管型號：φ203×8。
R=
方案二：PJ1506型水泵
排水管型號：φ245×8；吸水管型號：φ273×8。
R=1.44
方案三：MD280-439型水泵
排水管型號：φ245×8；吸水管型號：φ273×8。
R=1.44
管路特性方程：
方案一：MD155-676型水泵
新管：
舊管：
方案二：PJ1506型水泵
新管：
舊管：
方案三：MD280-439型水泵
新管：
舊管：
2.5.4 確定工況
方案一：MD155-676型水泵
管路流量與楊程數(shù)據(jù)表，見表2-8。
表2-8 水泵流量與楊程數(shù)據(jù)表
Table 2-8 pump flow and Yang Cheng data sheet
0
100
200
250
300
350
290
294.14
306.56
315.88
327.26
340.72
290
297
318.2
334
353.36
376.24
方案二：PJ1506型水泵
管路流量與楊程數(shù)據(jù)表，見表2-9。
表2-9 水泵與流量楊程數(shù)據(jù)表
Table 2-9 pump flow and Yang Cheng data sheet
0
100
200
250
300
350
290
291.44
295.76
299
302.96
307.64
290
292.45
299.8
305.31
312.05
320
方案三：MD280-439型水泵
管路流量與楊程數(shù)據(jù)表，見表2-10。
表2-10 水泵與流量楊程數(shù)據(jù)表
Table 2-10 pump flow and Yang Cheng data sheet
0
100
200
250
300
350
290
291.44
295.76
299
302.96
307.64
290
292.45
299.8
305.31
312.05
320
所選水泵工況點用圖來表示：
方案一：MD155-676型水泵，見圖2-6。
圖2-6 MD155-676型水泵工況點
Figure MD155-676 2-6 pump operating point
從圖中可以得到：
新管工況點：m3/h，m，，，
260kW。
舊管工況點：m3/h，m，，m
245kW。
方案二：PJ1506型水泵，見圖2-7。
圖2-7 PJ1506型水泵工況點
Figure PJ1506 2-7 pump operating point
從圖中可以得到：
新管工況點：m3/h，m，，m，
90kW。
舊管工況點：m3/h，m，，m
560kW。
方案三：MD280-439型水泵，見圖2-8。
圖2-8 MD280-439型水泵工況點
Figure MD280-439 2-8 pump operating point
從圖中可以得到：
新管工況點：m3/h，m，，，
400kW。
舊管工況點：m3/h，m，，m
390kW。
根據(jù)參考文獻《煤礦井下排水設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，水泵工況點的效率，一般不低于70%，HsM不應(yīng)該小于5m。
MD155-676型水泵，，，均不足70%。所以舍棄方案一。
2.6 水泵裝置效率的計算
礦井排水的裝置是由水泵、電機。管路等組成。礦井排水時的裝置的效率可以定義為：排水裝置輸出的有效能量與排水裝置的輸入的能量的比值。管路的效率有表示，，則裝置的效率為：
（2-13）
式中：
——水泵的工況點的效率；
——電機的效率，取0.92；
——管道的效率；
——傳動的效率，取0.98。
方案二：PJ1506型水泵
方案三：MD280-439型水泵
為了保證排水設(shè)備的經(jīng)濟運行，對斜井的排水裝置效率要求。方案二和方案三均符合要求。
2.7 排水時間校驗
管路產(chǎn)生污垢后，水泵的流量會減小，因此排水時間應(yīng)該按照管路產(chǎn)生污垢后工況點流量校核。
方案二：PJ1506型水泵
（1）正常涌水時每天的排水小時數(shù)：
（2-14）
=24×240/1×442
=13h
（2）最大涌水時每天的排水小時數(shù)：
（2-15）
=24×360/2×442
=9.8h
方案三：MD280-439型水泵
（1）正常涌水時每天的排水小時數(shù)：
=24×240/1×300
=19.2hh
（2）最大涌水時每天的排水小時數(shù)：
=24×360/2×300
=14.4hh
以上計算，排水的時間都小于20h，符合參考文獻《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。
2.8 經(jīng)濟性校核
方案二：PJ1506型水泵
=0.740.850.850.8=0.68，=0.750.68。
方案三：MD280-439型水泵
=0.780.850.850.8=0.68，=0.790.68。
2.9 穩(wěn)定性校核
方案二：PJ1506型水泵
=0.9412=371（m）
方案三：MD280-439型水泵
=0.9460=414（m）
2.10 經(jīng)濟流速校核
方案二：PJ1506型水泵
吸水管的流速（m/s）
排水管的流速（m/s）
方案三：MD280-439型水泵
吸水管的流速(m/s)
排水管的流速(m/s)
通過計算可知，方案二不符合經(jīng)濟流速的規(guī)定，舍棄方案二。
2.11 吸水高度的校核
水泵吸水高度的確定，應(yīng)該用管路沒有產(chǎn)生污垢時的工況為計算依據(jù)。
取=9.81Pa，=0.235Pa，=9.81N/，允許的吸水高度是：
（2-16）
帶入數(shù)據(jù)：
=4.35m
實際的吸水高度，符合要求。
2.12 電動機功率
為了保證電動機運行可靠，電動機功率應(yīng)該由新管工況點來決定。
（2-17）
式中：
——電動機容量富余系數(shù)，當(dāng)水泵軸功率大于kW時，取=。
帶入數(shù)據(jù)，可得：
=kW
MD280-439型水泵使用配套的電動機為YB24501-4-6kV，功率kW，大于計算值，滿足要求。
2.13 經(jīng)濟指標(biāo)計算
2.13.1 電費
1）年電耗
（） （2-18）
式中：
1.05——輔助用電的系數(shù)；
——礦水的重度，N/m3 ；
——水泵工況點流量，；
——水泵工況點揚程，m；
——水泵工況點效率；
——傳動的效率，0.98；
——電機的效率，0.92；
——電網(wǎng)的效率，通常選取=0.95-0.97，取0.96；
, ——正常和最大涌水時水泵的工作臺數(shù)；
, ——正常和最大涌水時水泵的工作天數(shù)；
,——正常和最大涌水時水泵的工作時間。
（）
2）噸水百米電耗
噸水的百米電耗與水泵的效率、傳動的效率、電動機的效率、管路額效率的乘積是反比的關(guān)系，它反映的是礦井額排水系統(tǒng)的總效率，是一種能夠比較科學(xué)、全面的評價排水設(shè)備運行情況的經(jīng)濟指標(biāo)。參考文獻《煤礦井下排水設(shè)計技術(shù)規(guī)定》規(guī)定：排水設(shè)備的噸水的百米電耗規(guī)定上應(yīng)小于0.5，否則就會認為是低效的設(shè)備，不建議采用。
（2-19）
式中：
——噸水的百米電耗，。
=
=0.43
計算可得噸水的百米電耗小于0.5，符合規(guī)定 。
3）年電費
年電費等于當(dāng)?shù)毓I(yè)電價Cd（元/度）與年電耗量之積，即
（2-20）
則年電費為：
=0.13.1106=31 萬元
2.13.2 年折舊費
折舊費應(yīng)包括設(shè)備及建筑折舊費
1）設(shè)備折舊費為
（2-21）
2）建筑折舊費
（2-22）
折舊率一般可選取5%。
3）年折舊費
（2-23）
查閱參考文獻《煤礦生產(chǎn)經(jīng)營費指標(biāo)》可以知道：
S2=2.94 萬元
2.13.3 年工資費
工資應(yīng)包括基本工資。輔助工資和附加工資。通常可以按下式概算
（2-24）
式中：
——每日應(yīng)出勤的人數(shù)；
——在冊系數(shù)，k=1.3；
——工資單價，元/工、年。
查閱參考文獻《煤礦生產(chǎn)經(jīng)營費指標(biāo)》可以知道：
S3=0.69 萬元
2.13.4 維修費
維修費是指設(shè)備大、中、小修以及日常維修所需的工人工資及材料費。
（2-25）
式中：
——設(shè)備費；
——維修費占設(shè)備費的比例。
查閱參考文獻《煤礦生產(chǎn)經(jīng)營費指標(biāo)》可以知道：
S4=0.65 萬元
2.13.5 其他費用
其他費用是工程不可預(yù)見費，即：
（2-26）
式中：
——其他費用占工人工資的比例，一般可取15%。
查閱參考文獻《煤礦生產(chǎn)經(jīng)營費指標(biāo)》可以知道：
S5=0.17 萬元
2.13.6 年排水費
（2-27）
=31+2.94++0.69+0.65+0.17=34.45 萬元
2.13.7 年排水費用指標(biāo)
（2-28）
式中：
——年排水費用，此處以元計；
——年排水量，m3。
= 元/m3
3 水泵房、水倉的確定
3.1水泵房簡介
1.一般規(guī)定：
（1）水泵房一般都會設(shè)置在靠近井底車場，要求其有良好的通風(fēng)條件，可以方便去搬運設(shè)備。
（2）通常來說，主水泵房和中央變電所之間，需要建有防火門來分隔兩個部分。當(dāng)?shù)V井因為擴大開采和延伸，使有可能增加涌水量的時候，應(yīng)該考慮留有增加多余水泵的地方。
（3）對于排水量在100m3/h及其以上的水泵應(yīng)該設(shè)有吸水井獨立工作。
（4）當(dāng)有功率大于100kW的電動機時，主水泵房應(yīng)該設(shè)置起重梁。
（5）為了保證安全，水泵房必須有防水閘門。在閘門關(guān)閉的時候，泵房應(yīng)該留有能夠獨立的通風(fēng)巷道來通風(fēng)。
（6）水泵至少要設(shè)置兩個出口：其中一個出口通到井筒是通過斜巷，而且應(yīng)該高出7m以上較于泵房底板；另外一個出口在井底車場，在這個出口通道內(nèi)，應(yīng)該設(shè)置方便關(guān)閉的密閉門。泵房和水倉的連接通道應(yīng)該設(shè)置控制閘門，要求安全可靠。
2.水泵房是為了安裝水泵、電動機等設(shè)備的硐室，主水泵房都靠近井底車場。這樣布置的作用是：
（1）運輸巷道朝著井底車場傾斜，有利于礦水沿排水溝流向水倉。
（2）礦井排水設(shè)備方便運輸。
（3）水泵房靠近井筒，縮短了管路的長度，節(jié)約管材，減少了管路水頭損失，增加了排水工作的可靠運行。
（4）水泵房靠近井底車場，通風(fēng)好，改善了水泵與電機的工作條件。
（5）水泵房靠近中央變電所，供電線路較短，減少了供電損耗，這對那些耗電量很多，運轉(zhuǎn)時間又比較長的排水設(shè)備而言，具有重要的經(jīng)濟意義。
3.2 計算泵房
泵房的大小主要是根據(jù)泵機組的數(shù)量和外形尺寸來確定。各機組之間的距離，取m。泵與近壁距離不小于0.7m。泵與軌道的距離，不妨礙搬運設(shè)備。泵房高度按照泵房內(nèi)管路的實際高度、起吊設(shè)備和起吊時的伸縮高度來確定，取m。水泵房地面標(biāo)高比水泵房出口與井底車場的底板標(biāo)高高出0.5m。
水泵順著泵房的長度軸向排列。水泵房輪廓尺寸根據(jù)安裝設(shè)備的最大外形尺寸、通道寬度和安裝檢修條件等來確定。
水泵房主要尺寸遵守《礦井安全規(guī)程》規(guī)定。
一般情況下泵房都是采用一條軸線布置法。
圖3-1 三臺水泵兩趟管路泵房布置圖
Figure 3-1 three pumps pumping station pipeline layout 2
泵房的尺寸計算
（1）泵房長度
指泵房兩端之間的距離.
（3-1）
式中：
——泵組臺數(shù)；
——泵基礎(chǔ)長度；
——泵基礎(chǔ)之間的間距，取1.8～2.0m，以能把設(shè)備拆下放在其間檢修為準(zhǔn)，且不得小于抽出電機轉(zhuǎn)子所需的長度；
——人行道的寬度，取1m
——管子道的寬度，通常取A=2.0～3.5m。
由上文計算及泵的尺寸可知，泵房的長度為：
，取23m。
因此，泵房長度為23m 。
（2）泵房寬度
（3-2）
式中：
——水泵的基礎(chǔ)寬度，通?？梢园此玫牡鬃庑蔚某叽缭谒拈L度以及寬度的方向上每邊大約增加0.1～0.2m；
——水泵的基礎(chǔ)邊與有軌的一側(cè)的墻壁間的距離，一般可以選取1.5～2.0m.選取2.0m；
——水泵的基礎(chǔ)邊與吸水井的一側(cè)額墻壁間的距離，通?？梢赃x取0.8～1.0m，選取1.0m。
帶入數(shù)據(jù)，可以得到：
4.45m
3）泵房高度
水泵的高度要符合檢修時的起重的要求，通常為m，也可以根據(jù)水泵葉輪的直徑確定：當(dāng)mm時，可以取4.5m，而且應(yīng)該設(shè)置有能夠承受的起重的質(zhì)量是t的工字梁；當(dāng)mm時，可以取3m，不需要設(shè)置起重梁。
MD280-439水泵葉輪直徑360mm，取水泵房高度為4.5m。
3.3 水倉、吸水井的計算
3.3.1 吸水井尺寸
1）每臺水泵宜單獨使用一個吸水井，確定吸水井直徑時應(yīng)考慮水泵工作時吸水井內(nèi)水面波動不太大，同時應(yīng)考慮安裝、檢修、清理吸水井的需要。一般D≥1500mm
2）吸水井的梯子的尺寸
梯間的距離為0.3m，梯寬的大小為0.6m
3.3.2 分水溝和水倉接口高度計算
高度H2=1.8～2.0m，取1.9m
寬度B2=1.0～1.2m，取1.1m
分水閘門的直徑可按下式以通過的水量計算：
(3-3)
式中：
——分水閘門通過的水量，m3/h。
閘門的直徑，見表3-1。
表3-1 閘門的直徑表
Table 3-1 diameter gauge
30
50
75～100
125
200～250
300～400
150
200
250
300
400
500
閘門的直徑，因為水泵的排量為280m3/h，正常涌水量為200m3/h，取mm。
3.4 計算水倉
水倉是專門用來儲存礦水的巷道。水倉有兩個作用：一個是儲存、集中礦水，排水設(shè)備可以把水從水倉排到地面上。為了防止發(fā)生斷電或排水設(shè)備發(fā)生故障被迫停止運行時，礦水淹沒巷道，主泵房的水倉應(yīng)該有足夠大的容積，必須能容納8h正常的涌水量。二是使礦水沉淀，因為礦水在從采掘工作面到水倉的流動過程中，礦水中會參雜有大量懸浮物和固體顆粒，為了防止排水系統(tǒng)堵塞，并且減輕排水設(shè)備的磨損，礦水在水倉中需要進行沉淀。根據(jù)顆粒沉降理論，為了能夠達到把大部分細微顆粒沉淀于倉底，水在水倉中流動的速度必須小于0.005m/s，流動時間要大于6h，因此水倉巷道不得小于100m。
根據(jù)井底車場的布置方式、開拓方式及采煤方法的不同，水倉可以布置在水泵房的兩翼或者一翼。水倉、沉淀池和水溝中的淤泥，每年至少清掃兩次，在雨季以前必須清掃一次。目前清倉的方法較多，有人工清倉法、機械清倉法，如鏟斗裝巖機清倉、射流泵和泥漿泵聯(lián)合清倉、壓氣罐清倉以及水力清倉等方法。
（1）主要水倉的有效容量：=2（200+300）=1000m3。
（2）水倉的總?cè)莘e：=8200=1600m3。
（3）由泵軸中心至吸水立管中心距離：
（3-4）
式中：
——泵基礎(chǔ)寬度；
——吸水井側(cè)壁澆灌厚度；
——吸水井內(nèi)側(cè)壁至吸水管中心距，可取吸水底閥的最大半徑加操作間隙0.1m，（無底閥者取濾水網(wǎng)半徑）。
2.5m
3.5 起重梁
起重梁通常選用工字梁，它的起重能力應(yīng)按最重件計算，安全系數(shù)取4。
此處，起重梁的起重能力應(yīng)為5000。
3.6 管子道和管子間
3.6.1管子道的布置
水泵房和井筒相連的一條傾斜的巷道是管子道，一般傾角是25～30o，排水管、電纜線等設(shè)施通過通道來敷入井筒。和井筒相接的地方，設(shè)置有平臺，平臺的鋼梁上固定著排水管的彎頭支座，平臺應(yīng)該高出7m以上較于泵房底板。而排水管的架設(shè)是在管子道的側(cè)壁管墩上或者預(yù)先就先埋好的懸臂梁上，并且用管卡來固定。管子道的中間通常敷設(shè)有軌道，兩條軌道之間設(shè)置人行臺階。管子道長度