煤矿固定机械设备--排水设备.ppt

,在矿井建设和生产中，从各种渠道来的水源源源不断地涌入矿井，如不及时排除，必将影响煤矿的安全生产，因此必须设置水泵，把涌入矿井的水及时排至地面。参考图11-1,第三篇矿山排水设备,第十一章概述,第十一章概述,矿山排水系统,1、排水设备的任务和分类,（1）矿水,一、矿山排水系统,煤矿常见的水源,（2）矿井排水设备的任务,将矿水及时地排到地面，为井下生产创造良好的工作环境，保证人员的安全工作和机械、电气设备的良好运转。,（3）涌水量,其它时间涌水量大致均匀，称这时的涌水量为正常涌水量，用qz表示，所对应的涌水时间为正常涌水时间，用tz表示。,矿井涌水量,在单位时间内涌入矿井的总水量称为矿井涌量用q表示，其单位是m3/h。,最大涌水量,雨季和溶雪期涌水多，称这时的涌水量为最大涌水量，用qmax表示，所对应的涌水时间为最大涌水时间，用tmax表示。,正常涌水量,一、矿山排水系统,,含水系数ks24q/Ar,,矿井涌水量等级,一、煤矿排水系统,涌入矿井中的水根据巷道标高不同有两种排水方式。,巷道高于地面的矿井,矿井涌水可沿巷道平硐一侧水沟自行流出矿外,巷道低于地面的矿井,可用排水设备将水排到地面。,目前，根据矿井深度、开拓方式、涌水时间以及各水平涌水量的大小，可采用不同的排水系统。,,一单水平开采的排水系统（二）多水平同时开采的排水系统,1、排水系统,一单水平开采的排水系统,单水平开采的排水系统,,直接排水系统,分段排水系统,一单水平开采的排水系统,直接排水系统,,（a）竖井单水平开采,（d）斜井单水平开采,,全部矿水聚集于水仓中，并用排水设备直接排至地面。,排水管可沿井筒敷设或敷设在专用钻孔中，,一单水平开采的排水系统,分段排水系统,,（b）井筒中部开拓泵房和水仓,（c）只开中间泵房，不开水仓,,优点是上、下设备互不影响，可靠性高，但开拓工程量大；,不开拓中间水仓，但因要求上、下任意两台水泵都能串联工作，而使管路布置十分复杂，并且下部的排水设备可能受到全井深的水头压力。,优先采用,二多水平同时开采的排水系统,1、独立排水系统,当各水平涌水量都较大时，在各水平分别设置水仓、泵房和排水设备，以便将各自水平的水直接排至地面。,优点是上、下水平互不干扰；缺点是设备多，管路多。,二多水平同时开采的排水系统,2.集中排水系统,当上水平的涌水量较小，没有必要单独设置排水设备时，可将上水平的水下放到下水平，而后由下水平的水泵排至地面。,优点是只需一套排水设备；缺点是上水平的水下放后再上排，损失了水的位能，增加了电耗。,二多水平同时开采的排水系统,3.分段排水系统,将下水平的水用辅助排水设备排至上水平的水仓中，然后集中排至地面。,缺点一旦上水平的排水设备发生故障，两水平都有被淹没的危险。,常用于具有下山的缓倾斜煤层矿井、且涌水量较小的情况,水仓,作用一是储存集中矿水，二是沉淀矿水水仓至少有一个主一个副水仓，以便清理时轮换使用。,水泵房,水泵房是专门为安装水泵、电机等排水设备而设置的硐室。泵房一般都设置在副井井底车场的附近。原因如下1.运输巷道的坡度都向井底车场倾斜，便于流向水仓2.运输方便3.节约材料，参加了排水工作可靠性4.改善工作环境5.减少电耗。,水泵房,水泵房位置图,离心式水泵的结构,D型泵,1、Ｄ型水泵,D型泵的构造,Ｄ型泵是单吸、多级、分段式离心泵。,它可输送水温低于８0℃的清水或物理性能类似于水的液体。,其流量范围和扬程范围大。,目前矿井主排水泵多采用D型泵。D型水泵经多年的发展已形成系列，其结构形式基本相同，只是尺寸大小不同。,一、D型泵的构造,转动部分,泵轴,联轴器,轴套,叶轮,平衡盘,固定部分,泵体,导叶,轴承部分,密封部分,,,1、D型泵的构造,1、D型泵的构造,转动部分,（1）叶轮,作用,将电动机输入的机械能传递给水，使水的压力能和动能得到提高。,形状,取决于比转速,比转数小反映机器的流量小，全压或扬程、水头高；反之,比转数大则机器的流量大,全压（或扬程、水头）低。前者适合离心式,后者适合轴流式,混流式（斜流式）介于两者之间，所以可用比转数大小划分机器类型。在设计机器时先按给定的参数计算比转数，再根据比转数大小决定机器类型。,1、D型泵的构造,（1）叶轮,铸成一个整体,转动部分,1、D型泵的构造,转动部分,（1）叶轮,叶片,后弯叶片出口安装角1540常选用2030叶片数目一般512低比转数68片中比转数6片高比转数56片,1、D型泵的构造,转动部分,（2）泵轴,材料,传递扭矩和支承套装在它上面的其它转动部件。,45号钢锻造加工,作用,轴套,防止泵轴锈蚀,一、D型泵的构造,转动部分,（3）平衡盘,平衡水泵的轴向推力。,产生轴向推力的原因1由于作用在叶轮前，后轮盘上的压力不平衡；2由于叶轮内水流动量发生变化；3由于大小口环磨损严重，泄漏量增加，使叶轮前后轮盘上的压力分布规律发生变化,一、D型泵的构造,转动部分,（3）平衡盘,危害,由于轴向推力的存在会使高速旋转的叶轮与泵壳接触，造成破坏性的磨损；过量的轴向窜动，会使轴承发热，增大电动机的负荷；会使互相对正的叶轮出水口与导水圈的导叶进口发生偏移，产生冲击和涡流，降低水泵的效率，严重时会使水泵无法工作,一、D型泵的构造,转动部分,（3）平衡盘,轴向力的平衡方法,1、利用叶轮对称平衡轴向力2、改变叶轮形状平衡轴向力3、利用止推轴承平衡轴向力4、采用平衡装置平衡轴向力,一、D型泵的构造,转动部分,（3）平衡盘,轴向力的平衡方法,开平衡孔,一、D型泵的构造,转动部分,（3）平衡盘,轴向力的平衡方法,采用平衡叶轮,一、D型泵的构造,转动部分,（3）平衡盘,轴向力的平衡方法,采用双叶轮,一、D型泵的构造,转动部分,（3）平衡盘,轴向力的平衡方法,布置对称叶轮,一、D型泵的构造,转动部分,（3）平衡盘,轴向力的平衡方法,平衡鼓平衡盘,固定部分,进水段出水段中间段,,,,,吸水口，水平,出水口，垂直向上,1、D型泵的构造,,固定部分,1、D型泵的构造,中间段,固定部分,1、D型泵的构造,出水段,轴承部分,1、D型泵的构造,单列向心滚柱轴承,为了防止水进入轴承，泵轴两侧采用“Ｏ”型耐油橡胶密封圈和挡水圈。,水泵的密封,1、D型泵的构造,水泵各段之间的静止结合面采用纸垫密封。转动部分与固定部分之间的间隙是靠密封环及填料来密封的。,1）密封环,水泵的密封,1、D型泵的构造,2）填料装置,泵轴穿进水段,泵轴穿出水段,,防止空气进入,,防止高压水流出,水泵的密封,一、D型泵的构造,2）填料装置,填料,油浸石棉绳,（石棉盘根）,水泵的密封,1、D型泵的构造,2）填料装置,水封环,进水侧填料箱中部,水泵中段引来压力水,水泵的密封,1、D型泵的构造,2）填料装置,填料压盖,压紧填料,2、水泵的型号意义,表6-1部分离心泵型号中某些汉语拼音字母通常所代表的意义,3、D型水泵的特点及性能1D型水泵的流量和扬程范围较大，适合于矿山排水，并有清水泵、耐磨泵和耐酸泵；2效率高，是我国设计制造的多级离心式水泵中，效率最高的一种水泵；3采用单列向心滚柱轴承，减少了水泵的静阻力矩，提高了机械效率；同时，此轴承还可以满足运转时泵轴的轴向窜动；4通向吸水侧填料箱的水封管在进水段内部，不裸露在外边；5扬程特性曲线较平缓，没有上凸部分，且初始扬程较高，有利于水泵的稳定运行；零流量时功率低，有利于电动机起动；效率曲线平坦，因而扩大了它的工业利用区。,,离心式水泵的结构,单级水泵,2、单级水泵,只有一个叶轮的泵为单级泵。,单级泵,悬臂式,两端支承式,,悬臂式水泵,a、悬架式悬臂水泵,结构,a、悬架式悬臂水泵,用途,广泛用于工矿企业、城市给水、农田排灌，输送清水或物理、化学性质类似于清水的其他液体介质。,性能范围,Q6.3m3/h400m3/hH5m125m工作介质温度不大于80℃。,悬臂式水泵,a、悬架式悬臂水泵,型号,IS8065160,,,,,,,符合ISO标准的单级单吸悬臂式清水离心泵,,,泵吸入口直径，mm,,,泵压出口直径，mm,,,叶轮名义直径，mm,悬臂式水泵,b、托架式悬臂水泵,结构,悬臂式水泵,b、托架式悬臂水泵,型号,4BJ35A,,,,,,,吸水口直径被20除后的值,,,,,,,配机械密封的单吸悬臂式离心泵,扬程，m,,叶轮经过第一次切割,悬臂式水泵,2、托架式悬臂水泵,型号,B10015,,,,,,配填料密封的单吸悬臂式离心泵,,,,,流量，m3/h,扬程，m,悬臂式水泵,c、连体泵,悬臂式水泵,c、连体泵,潜水泵,屏蔽泵,悬臂式水泵,c、连体泵,支承泵,双支承结构支承转子的轴承位于叶轮两侧。,S型泵,离心式水泵工作原理,水泵启动前，先用水注满泵腔和吸水管。电机启动后，通过轴带动叶轮旋转，位于叶轮中的水在离心力的作用下被甩向叶轮周围压向泵壳，通过排水管排至地面。,离心式水泵工作原理,离心式水泵的工作参数,离心式水泵的工作参数,1、流量水泵在单位时间内所排出水的体积，称为水泵的流量，用符号Q表示，单位m3/s,m3/h。,2、扬程单位重量的水通过水泵后所获得的能量，称为水泵的扬程，用符号H表示，单位为m。,1）.吸水扬程吸水高度泵轴线到吸水井水面之间的垂直高度，称为吸水扬程，用符号HX表示，单位为m。,2）排水扬程（排水高度）泵轴线到排水管出口处之间的垂直高度，称为排水扬程。3）实际扬程（测地高度）从吸水井水面到排水管出口中心线间的垂直高度，称为实际扬程。4总扬程总扬程H为实际扬程、损失扬程和在水在管路中以速度v流动时所需的（速度水头）扬程之和，称为水泵的总扬程,2、扬程,电动机传给水泵轴的功率，即水泵的轴功率（输入功率）,水泵实际传递给水的功率，即水泵的有效功率（输出功率）用符号,表示。,3、功率,2）水泵的有效功率,1）水泵的轴功率,水泵在单位时间内所做的功的大小叫做水泵的功率。,4、效率水泵的有效功率与轴功率之比，叫做水泵的效率，用符号,表示。,5、转速水泵轴每分钟的转速，叫做水泵的转速。,六、离心式水泵的工作参数,6、允许吸上真空度或汽蚀余量在保证水泵不发生汽蚀的情况下，水泵吸水口处所允许的真空度，叫做水泵的允许吸上真空度。用符号Hs表示。水泵吸水口处单位重量的水超出水的汽化压力的富余能量，叫做水泵的汽蚀余量。,六、离心式水泵的工作参数,泵在运转中，若其过流部分的局部区域（通常是叶轮叶片进口稍后的某处）因为某种原因，抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生大量蒸汽，形成气泡，当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破裂。在气泡凝结破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击金属表面，冲击应力可达几百至几千个大气压，冲击频率可达每秒几万次，严重时会将壁厚击穿。在水泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是水泵中的汽蚀过程。水泵产生汽蚀后除了对过流部件会产生破坏作用以外，还会产生噪声和振动，并导致泵的性能下降，严重时会使泵中液体中断，不能正常工作。,水泵气蚀现象和汽蚀余量,水泵气蚀现象,第十四章离心式水泵在管路中的工作一、水泵的性能曲线,二、水泵的性能曲线的作用,a．根据水泵的性能曲线，可以知道水泵各性能的变化规律，根据实际用途，可以选用最合适的水泵。b．根据水泵的性能曲线，可以确定水泵运转工况点即水泵的流量一扬程曲线与后述的管路性能曲线的交点，根据运转工况点，可以检查水泵的流量、扬程、功率和效率的大小，判断水泵的经济性和稳定性的好坏，配用功率的大小是否合适。c．根据流量一功率曲线的变化规律，正确地选择水泵的起动方式。,三、管路性能曲线,管路性能曲线是表示在一定的管路阻力下，流过该管路的流量与所需扬程之间的关系曲线，当管路阻力改变时，流量和扬程之间的关系将随之改变，所以说管路性能曲线直接影响水泵的工作性能。同一台水泵所连接的管路阻力不同，则水泵所产生的流量和扬程也不同。,管路损失扬程,,局部阻力造成,管路阻力造成,,滤水器、底阀、闸阀,弯头管路,HzHpKRQ2,四、离心式工况分析及调节,,把水泵的性能曲线和管路的性能曲线，用同样的比例绘制在一个曲线网上，则水泵的流量一扬程曲线和管路的性能曲线的交点M即为离心式水泵的工况点，简称工况，由工况点便可给出该水泵在该管路中工作时的工作性能流量,、扬程,、功率,和效率,,（1）节流调节（2）转速调节（3）减少叶轮数目调节扬程和叶轮数成正比；不可拆除吸水一侧的叶轮（4）削短叶片调节,总体上分为改变管路特性曲线和改变泵H-Q特性曲线,工厂操作中经常要遇到对离心泵及其管路系统进行调节以满足工艺上对流体的流量和压头的要求，实际上这对应着改变泵的工作点位置。主要调节方法有,五、工况调节,改变管路特性曲线,改变管路流动阻力（如阀门开度），管路特性曲线将发生相应的变化。关小阀门，管路阻力增加，管路特性曲线由1移至1’，工作点由a上移至a’，流量由Q减少为Q’。该调节方法的主要优点是操作简单，但管路上阻力损失大且可能使泵的工作点位于低效率区，因此多在调节幅度不大但需经常调节的场合下使用。,改变泵的H-Q特性曲线,如叶轮转速由n调节到n’或n’’，泵的H-Q曲线会有相应的改变。转速增加或减少，H-Q特性曲线上移或下移，工作点相应移动到a’或a’’，流量与压头发生相应改变而并不额外增加管路阻力损失，离心泵仍在高效区工作。该调节方法能量利用率更高，随着电机变频调速技术的推广，在大功率流体输送系统中应用越来越多。,第五章离心式水泵的联合工作一、并联工作,并联效益,适合管路阻力较小，曲线较缓的情况,临界工况点,联合工况点,二、串联工作,适合管路阻力较大，曲线较陡的情况,直接串联、间接串联,三、泵在并联管路上工作,第六章矿山排水设施一、露天矿山排水设施,1、露天矿山主要排水设施（1）排水管路不少于两条，一条工作、一条备用（2）排水泵站①分段截流固定泵站；②井巷排水固定泵站；③半固定泵站适用于排水量不大、服务年限短、移动频繁的矿山；④潜水泵移动泵站不需泵房、安装移动方便、价格贵。大暴雨时用潜水泵，旱季用离心泵。,一般在暴雨量较小的地区，设在同一水平上的水泵，应选择同一型号规格的水泵正常工作水泵的能力，应能在20h内排除露天采矿场内24h的正常降雨径流量与地下涌水量之和。备用和检修水泵的能力应不小于正常工作水泵能力的50％随开采水平不断下降的移动泵站，选泵时应考虑排水高度不断增加的要求，预留适当的富裕扬程露天排水泵站的阶段平盘储水池水仓或采矿场底部的储水池容积至少应能容纳半小时的水泵排水量,2、露天矿山排水设备的一般要求,二、地下矿山排水设施,1、地下矿山主要排水设施（1）水仓主仓和副仓；水仓容量和仓中水流速。水仓清理①铲斗式装岩机清理；②射流泵和泥浆泵联合清理；③压气罐清仓；④水力清仓。（2）水泵房（3）管子道和管子间,2、地下矿山排水设备的一般要求,在雨季长、涌水量大的矿井中，井下主排水设备应由同类型三台泵组成，其中任意一台泵的排水能力，必须在20h内排出一昼夜的正常涌水量包括充填水及其他用水；两台泵同时工作时，能在20h内排出一昼夜的最大涌水量当井下正常涌水量需要两台或多于两台同类型水泵才能排出时，备用水泵的能力应不少于正常工作水泵能力的50％；检修水泵可视具体情况设置1～2台当井下最大涌水量超过正常涌水量一倍以上时，水泵台数除至少应有一台备用外，其余水泵应能在20h内排除一昼夜最大涌水量在雨季短的地区，正常涌水量不大于50，并且最大涌水量不大于100的矿井，主排水设备可以装设两台同类型水泵，而其中任意一台都能在20h内排出矿井24h的正常涌水量,第七章矿山排水设备选型设计,一、设计的原始资料和任务,1、设计的原始资料（1）井型、矿山年产量、服务年限、井口地面标高；（2）开拓方式、可采水平数、各水平服务年限及标高；（3）同时开采水平数，各水平的正常和最大涌水量及发生的期限；（4）矿井水的性质重度、水温、化学性质（PH值）、结垢性；（5）水文地质情况及井下排出水的去向；（6）井筒及井底车场布置图。2、设计任务（1）确定合理的排水系统；（2）选择排水设备水泵、电动机、管路、水仓、泵房布置等；（3）经济指标概算；（4）绘制水泵房、管子道和管子间的布置图。,二、选型设计的步骤和方法,1、确定合理的排水系统（1）地下矿山直接和间接排水系统；（2）露天矿山自流排水系统、底部集中排水系统、分段接力排水系统；,（1）水泵选择的注意事项①主泵房的排水设备，必须有工作、备用和检修水泵。②其中任一台工作水泵的排水能力，应能在20h内排出24h的正常涌水量③两台水泵同时工作的总能力，应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量④检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25％,2、初选水泵,（2）水泵必需排水能力计算正常涌水期QB≥1.2qx最大涌水期QB≥1.2qmaxqx矿井正常涌水量；qmax矿井最大涌水量。系数1.2是根据煤矿安全规程规定的排水能力。,（3）估算水泵所需的扬程Hq排水高度，取水仓底板至排水管出口中心的高度；K扬程损失系数。对于竖井K1.081.1；对于斜井K1.11.25，倾角大时取小值，倾角小时取大值。,（4）初选水泵型号①根据计算的排水能力QB、扬程HB和水质情况选择。②在满足扬程的前提下，应尽可能选择高效率、大流量的水泵，节约能源，减少水泵台数，增加排水可靠性。③应注意所选水泵的“允许吸上真空高度”或“汽蚀余量”，使之能满足水仓和泵房在配置上的需要。,（5）确定水泵台数工作水泵n1；备用水泵n2≥0.7n1；n1n21.2qmax/Q（Q为一台水泵的流量）；检修水泵n3≥0.25n1；nn1n2n3,3、管路系统,（1）管路趟数选择一般排水量较大大于300的矿井，主要排水设备必须有工作和备用的水管，其中工作水管的能力，应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h内，排出矿井24h的最大涌水量。涌水量小于300且服务年限较短的小矿井，排水管路立井应设两条，斜井可设一条。露天矿排水管路的总条数，一般不得少于两条。其中一条检修时，其余管路应能满足正常排水的需要。（2）管路布置方式三泵两管；四泵三管；五泵三管。,（3）排水管内径,,Q流量Vp经济流速，取1.5-2.2之间（管径小，流速大，阻力损失大，电耗大，投资少；管径大，流速小，阻力损失小，电耗小，投资多。管材贵时取大值，反之取小值；电价高时取小值，反之取大值。）,（4）排水管厚度,标准管内径cm,许用应力，取管材抗拉强度的40％，即,,管内液体压强，作为估算取,附加厚度，铸铁管取,4、总扬程计算,（1）扬程损失计算,式中，h总扬程损失；hy沿程阻力损失；hfu局部阻力损失；V水流速度；g重力加速度；L管长；d管内径；沿程阻力系数；局部阻力系数。,（2）总扬程计算,式中，Hz水泵所需总扬程；Hp水仓底至排出口中心的高度；K排水管内壁淤积而使阻力增加的系数，较浑浊的水取K1.7；清水取K1。,HzHpKRQ2,5、确定工况,根据第一个公式，带入不同的流量Q，得到一组总扬程Hz的值，将此管路特性曲线绘制在初选水泵的特性曲线上，确定工况点,6、水泵吸上高度的验算,Hx水泵在具体安装地点的吸上高度；Hs最大允许吸上高度NPSH必需的气蚀余量Hd是泵安装地点的大气压头Hq饱和蒸汽压头10.3标准大气压头0.24水温在20℃时饱和蒸汽压头。,或,7、经济指标概算,（1）电费①年电耗②1m3水电耗③年电费（2）年折旧费①设备折旧费②建筑折旧费（3）年工资（4）维修费（5）其他费用（6）年排水费（7）年排水费用指标及每吨矿石排水费用,8、相关成图,（1）排水系统图（2）水泵房布置图（3）排水管网布置图,