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矿井排水系统设计技术统一口径 


	 


	一、设计原则和依据 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;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； 


	&nbsp;&nbsp;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； 


	&nbsp;&nbsp;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 


	&nbsp;&nbsp;1、最小排水能力计算 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;（1）、正常涌水量时工作水泵最小排水能力：Q1&nbsp;=24Qz/20=1。2Qz 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;（2）、最大涌水量时工作水泵最小排水能力：Q2&nbsp;=24Qm/20=1。2Qm 


	2、水泵扬程估算 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;H&nbsp;=K(Hp+Hx) 


	式中， Hp&nbsp;为排水高度,&nbsp;且Hp=&nbsp;H1-&nbsp;H2, 


	Hx&nbsp;为吸水高度, 估算一般取Hx=5m, 


	K&nbsp;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&lt;20。.时, &nbsp;K=1.3~1.35, 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;α=20.~30。时, &nbsp;K=1.3~1.25, 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;α&gt;30。时, &nbsp;K=1.25~1.2. 


	&nbsp;&nbsp;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=&nbsp;n1+&nbsp;n2+&nbsp;n3 


	式中，工作水泵台数n1= Q1/Qb,&nbsp;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。7&nbsp;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n3=0。25&nbsp;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=&nbsp;Q2/Qb， 


	当n4≤&nbsp;n1+&nbsp;n2时，则N=&nbsp;n1+&nbsp;n2+&nbsp;n3， 


	当n4≥&nbsp;n1+&nbsp;n2时，则N=&nbsp;n4+&nbsp;n3。 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;（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 


	&nbsp;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&nbsp;（m）, 


	式中: &nbsp;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。2&nbsp;m/s&nbsp;,当dp&gt;200&nbsp;mm时，可适当增大，但不宜超过2。5&nbsp;m/s&nbsp;。 


	&nbsp;3、管壁厚度计算，介绍两种方法： 


	&nbsp;&nbsp;（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：&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 


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


	式中: dp—dp排水管外径 （mm） 


	&nbsp;p—计算管段内部最大工作压力 （kg/cm2） 


	&nbsp;kz—管材许用应力 (kg/mm2)，且kz=0。25σB 


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


	C—附加厚度，一般取C=1&nbsp;mm。 


	&nbsp;&nbsp;（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： &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;δ=δ’+c&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 


	δ’= pDw/[2.3×(Rφ-&nbsp;6.4)+p]&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(公式二) 


	式中: &nbsp;p—计算管段的最大工作压力 （MPa） &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 


	Dw—排水管外径 (cm&nbsp;) 


	&nbsp;R—管材许用应力（MPa）, 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;10#&nbsp;钢: R=85, &nbsp;15#&nbsp;钢: R=95, &nbsp;20#&nbsp;钢: R=100 


	&nbsp;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. 


	; &nbsp;&nbsp;&nbsp;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)&nbsp;&nbsp;(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,=&nbsp;dp+0。025（m），根据dx,&nbsp;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。 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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&nbsp;+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 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;①、 吸水管部分 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 


	Δhx=(λxLx/dx+∑ζx)Vx2/2g 


	∵ V=Q/900πd2&nbsp;&nbsp; 


	∴Δhx&nbsp;=(λxLx/dx+∑ζx)Q2/2g（900πdx2）2=Rx&nbsp;Q2 


	式中&nbsp;&nbsp;Rx=(λxLx/dx+∑ζx) /2g（900πdx2）2 


	②、排水管部分 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 


	a、水泵出口至排水干管段 


	Δhp1=(λp1L&nbsp;p1/d&nbsp;p1+∑ζp1)V&nbsp;p12/2g &nbsp; 


	&nbsp;&nbsp;　　=(λp1L&nbsp;p1/d&nbsp;p1+∑ζp1)Q2/2g（900πd&nbsp;p12）2=R&nbsp;p1&nbsp;Q2 


	式中　&nbsp;R&nbsp;p1=(λp1L&nbsp;p1/d&nbsp;p1+∑ζp1)/2g (900πd&nbsp;p12)2&nbsp; 


	b、排水干管段 


	Δhp2=(λp2L&nbsp;p2/d&nbsp;p2+∑ζp2)V&nbsp;p22/2g &nbsp;&nbsp; 


	&nbsp;=(λp2L&nbsp;p2/d&nbsp;p2+∑ζp2)（nQ）2/2g（900πd&nbsp;p22）2=R&nbsp;p2&nbsp;Q2 


	式中: &nbsp;R&nbsp;p2= n2&nbsp;(λp2L&nbsp;p2/d&nbsp;p2+∑ζp2)/2g（900πd&nbsp;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： 


	Δhp=Δhp1+Δhp2= (R&nbsp;p1+n2&nbsp;R&nbsp;p2) Q2 


	（2）、绘制管网特性曲线H= Hc&nbsp;+RQ2&nbsp; 


	&nbsp;式中 Hc—测量高度，Hc=&nbsp;Hp+Hx&nbsp; 


	R— 管道阻力，R=&nbsp;Rx&nbsp;+&nbsp;R&nbsp;p1+&nbsp;n2&nbsp;R&nbsp;p2， 


	将Hc、&nbsp;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&nbsp;=&nbsp;Hp+Hx+1。7（Rx&nbsp;+&nbsp;R&nbsp;p1+&nbsp;n2&nbsp;R&nbsp;p2）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&nbsp;+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。 


	 


	 


	 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;（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/n Qb＇≤ 20h，T2=24Qm&nbsp;/n Qb＇≤ 20h&nbsp;。同时检验排水管中水的流速，V= n Qb＇/900πd&nbsp;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。 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 


	(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&nbsp;—矿井水的容重，一般r=1020&nbsp;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 


	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&nbsp;+1。7Δh+1（新管则不乘1。7系数） 


	（3）、建立管网特性曲线HZ= Hc&nbsp;+RQ2 


	R=（HZ-&nbsp;Hc）/&nbsp;Q2， 


	（4）、确定水泵运行工况点 


	&nbsp;　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&nbsp;+RQ2两条特性曲线的交点3即为水泵运行工况点，见图2） 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;　②、一管二台泵并联运行时水泵的工况点确定 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;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=&nbsp;Q’1＋Q’1＝ 2&nbsp;Q’1，一般Q=（1。8~1。6）Q1。 


	 


	 


	（贴插图2） 


	 


	 


	&nbsp; 


	 


	 


	 


	 


	 


	③、一管三台泵并联运行时水泵的工况点确定 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;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） 


	 


	 


	&nbsp;　 


	 


	 


	 


	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 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;1、泵站主要尺寸 


	（1）、泵站长度 L=n&nbsp;L1&nbsp;+(n-1)&nbsp;L2+(3~5) &nbsp;(m) 


	式中:&nbsp;L1—机组长度， 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;L2—机组间净间距，应满足电动机抽芯和水泵检修的需要， &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 


	3~5&nbsp;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 B=B1+1/2B2+B3+B4+B5+0。3 &nbsp;(m) 


	式中:&nbsp;&nbsp;B1—机组基础边（靠吸水井侧）至硐室壁的距离， 


	&nbsp;&nbsp;B2—机组基础宽度 


	&nbsp;&nbsp;B3—水泵或电动机外型（靠轨道侧）至基础中心距离， 


	&nbsp;&nbsp;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， 


	&nbsp;&nbsp;0。3&nbsp;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H=h1+h2+h3+h4+h5+h6+h7 


	式中:&nbsp;&nbsp;h1——-机组基础高度 


	h2——水泵轴中心至机组基础高度 


	&nbsp;&nbsp;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。8&nbsp;m的要求。 


	2、其他相关尺寸 


	&nbsp;&nbsp;（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。 


	&nbsp; 


	 


	 


	&nbsp;&nbsp; 


	（贴插图） 


	 


	 


	 


	&nbsp; 


	 


	a0&nbsp;——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。5 Dx，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 


	&nbsp;&nbsp;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 


	&nbsp;（3）、配水井 


	&nbsp;&nbsp;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 


	&nbsp;&nbsp;1、管路敷设 


	&nbsp;（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。 


	&nbsp;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。 


	&nbsp;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 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;a、支承梁自重：即所选钢梁单位重量，可视为均布荷载。 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;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； 


	&nbsp;&nbsp;&nbsp;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/&nbsp;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&nbsp;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。

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