矿井排水系统设计技术统一口径.doc

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/201。2Qz （2）、最大涌水量时工作水泵最小排水能力Q2 24Qm/201。2Qm 2、水泵扬程估算 H KHpHx 式中， Hp 为排水高度, 且Hp H1- H2, Hx 为吸水高度, 估算一般取Hx5m, K 为管路损失系数,与井筒坡度有关 立井 K1.11.15, 斜井当α30。时, K1.251.2. 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n20。7 n1，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n30。25 n1，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QQb，一管二泵时Q2Qb，余类推 V管內水流速度，一般排水管內V1。52。2 m/s ,当dp200 mm时，可适当增大，但不宜超过2。5 m/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 δ1/12p/[230kz-0.65–p] {[pdp/230kz-0.65-P]c} （mm） 公式一 式中 dpdp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kz0。25σB σB管材抗拉强度 kg/mm2，当不知钢号时，无缝钢管取kz810 kg/mm2，焊接钢管取kz6 kg/mm2。 C附加厚度，一般取C1 mm。 （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 δδ’c δ’ pDw/[2.3Rφ- 6.4p] 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 R85, 15 钢 R95, 20 钢 R100 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 C0.15δ’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, dp0。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HfQ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 ΔhxλxLx/dx∑ζxVx2/2g ∵ VQ/900πd2 ∴Δhx λxLx/dx∑ζxQ2/2g（900πdx2）2Rx Q2 式中 RxλxLx/dx∑ζx /2g（900πdx2）2 ②、排水管部分 a、水泵出口至排水干管段 Δhp1λp1L p1/d p1∑ζp1V p12/2g λp1L p1/d p1∑ζp1Q2/2g（900πd p12）2R p1 Q2 式中 R p1λp1L p1/d p1∑ζp1/2g 900πd p122 b、排水干管段 Δhp2λp2L p2/d p2∑ζp2V p22/2g λp2L p2/d p2∑ζp2（nQ）2/2g（900πd p22）2R p2 Q2 式中 R p2 n2 λp2L p2/d p2∑ζp2/2g（900πd p22）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 ΔhpΔhp1Δhp2 R p1n2 R p2 Q2 （2）、绘制管网特性曲线H Hc RQ2 式中 Hc测量高度，Hc HpHx R 管道阻力，R Rx R p1 n2 R p2， 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 HpHx1。7（Rx R p1 n2 R p2）Q2（新管则不乘1。7系数）。在不同的n值下（n1、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T124Qz/n Qb＇≤ 20h，T224Qm /n Qb＇≤ 20h 。同时检验排水管中水的流速，V n Qb＇/900πd p22，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（n1）运行时水泵工况点对应的Q、H、η计算出水泵的轴功率NQHr/1023600η 电动机的容量Nd’KQHr/1023600ηηm， 式中 K电动机容量的富余系数，K1。11。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r1020 kg/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 ΔhΔhxΔhp1Δhp2，按一管一泵（n1）运行，计算公式与第一种方法相同。 （2）、水泵总扬程 HZ Hc 1。7Δh1（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＝ 2 Q’1，一般Q（1。81。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CE外，还要绘制两条管路的合成特性曲线CE’。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 Ln L1 n-1 L235 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， 35 m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 BB11/2B2B3B4B50。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。3 m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Hh1h2h3h4h5h6h7 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，h30） h4闸阀高度（当止回阀采用多功能控制阀时， h40） 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。8 m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； （a0a1）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。81。0）Dx；距侧壁可取1。5 Dx，且不小于Dx100mm; 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（11。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。60。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100150m。 （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QA*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5 m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。 12