煤矿井下排水系统优化方案

摘要：和善矿与周边矿井资源整合，井筒多而分散、充水水源多、资源开采复杂而无序。为有效防止和善矿井水害的隐患，提出三个主排水改造方案，经技术、经济比较分析各方案的优缺点，最终决定选用以更换3台MD450-60Y×7排水泵，并利用现有2趟D273×8排水管路的方案。

关键词：资源整合；矿井水隐患；排水方案；优缺点

1矿井基本情况

山西汾西正新煤焦有限责任公司和善煤矿由原山西沁源和达煤业有限公司、原沁源善朴煤炭有限公司、原沁源花坡煤炭有限公司及空白资源实施兼并重组资源整合而成，面积12.6482km2，批采1-11#煤层，批采标高由+1570~+1060m。生产规模为180万t/年。该矿井采用斜井开拓方式，井筒有主斜井、副斜井、回风立井、进风行人斜井和回风斜井。开采水平为一个主水平、两个辅助水平开采全井田。1#煤层划分为1-1、1-2两个采区，6#煤层划分为6-1、6-2、6-3三个采区，主水平包括9-1采区、9-2采区、9-3采区。矿井采用倾斜长壁采煤方法，后退式回采，一次采全高，垮落法管理顶板。

2矿井储水情况

2.1充水水源

2.1.1地表水井田地表河流属黄河流域汾河水系和沁河水系，主井、副井、风井井口标高都位于山包上[1]。2.1.2顶板充水含水层对1#煤层顶板山西组及下石盒子组砂岩含水层富水性一般较弱，易于疏干。9+10、10下、11#煤层顶板直接充水含水层主要为太原组K4、K3、K2灰岩岩溶裂隙含水岩组，整个含水层岩溶裂隙发育不均匀。不排除局部K2-K4等灰岩岩溶裂隙发育，局部富水性大，可对下组各煤层开采造成充水影响。2.1.3底板充水含水层除1#煤层外，其他煤层底板标高部分地段低于奥灰水位标高，均属局部奥灰水带压开采。井田内6、9+10、10下、11#煤层奥灰水带压开采最大突水系数均小于底板受构造破坏块段临界突水系数（0.06MPa/m）。正常情况下，发生奥灰水突水的可能性小，但在断裂构造附近存在发生突水的可能。2.1.4煤矿及周边老窑、老采空区分布情况据2020年12月《山西汾西矿业集团正新煤焦有限责任公司和善煤矿建矿地质报告》资料：井田内及邻近区域存在有废弃老窑18座，井筒共计46个（见图1）。目前井田内1#煤层分布有11处采空积水区及1处老空积水区，积水面积约468600m2，积水量95600m3；9+10、11#煤层只在井田西部地段开采，分别有1处和3处采空积水区，其中9+10#煤层积水面积98200m2，积水量20000m3，11#煤层积水面积69400m2，积水量约14200m3。采空区积水范围较清楚，对采空区的积水位置、积水范围和积水量均能够预测。

2.2矿井排水现状

在主斜井井底车场附近设井下主排水泵房，担负矿井全部排水任务，由井下主排水泵房排水设备将井下涌水排至地面矿井水处理站。井下中央水泵房采用主排三台MD280-65×6型离心水泵，水泵配560kW、10kV、1480r/min隔爆电机。主斜井井筒、管子道及水泵房敷设两趟D273×8mm无缝钢管，总长2000m，单泵工况流量283.7m3/min，正常涌水时1台泵运行，排水时间13.54h，最大涌水时2台运行，排水时间22.76h。因此，主排水系统在矿井最大涌水时能力不足，不能满足20h排出24h涌水的规定，主排水系统急需扩能改造。

3井下排水系统优化方案

3.1优化井下排水系统的必要性

根据矿井涌水量实际观测数据，矿井的正常涌水量及最大涌水量一直变化不大，直至2021年10月的强降水对矿井涌水量影响非常明显，矿井最大涌水量较往年增大了好几倍。在矿井最大涌水量激增且持续时间较长的情况下，现有的排水系统满负荷工作能勉强维持。局部地段积水漫至轨道，影响矿井辅助运输及行人通行的效率。鉴于目前矿井排水系统现状及应对矿井灾变的能力，有必要尽快对排水系统方案进行优化，并加以实施。

3.2主排水系统改造方案

3.2.1设计依据正常涌水量Q=160m3/h（包括消防洒水、黄泥灌浆析水等工艺用水）；最大涌水量Qmax=538m3/h；主排水泵房水平标高为+1175m；主斜井井口标高为+1492m；矿井水处理站标高为+1492.7m；排水管路总长度取2500m；排水管路路径：经主斜井排至地面矿井水处理站。3.2.2主排水系统改造方案根据矿井现状，设计筛选出适合本矿井3个排水系统改造方案。方案一：在现有主排水系统的基础上，增加一台MD280-65×6排泵和一趟D273×8排水管路，虽然需扩建泵房增加吸水井，需增加一套配电开关，工期较长，但能利用现有设备，并且不影响现排水系统运行，不影响矿井正常生产，排水能力较大，设备总投资低。方案二：将现有3台MD280-65×6排水泵更换为能力更大的3台MD450-60Y×6排水泵，2趟D273×8排水管路更换为2趟D325×9管路。该方案虽然能利用现有泵房，不扩建，矿建费用低，设备少，系统简单，但需拆除现有设备及管路进行更换，影响排水系统正常运行，设备总投资高，原设备基础与更换设备不匹配，需要改造，且换大泵后设备间距小，水泵配电开关容量小，需更换。方案三（推荐）：将现有3台MD280-65×6排水泵更换为能力更大的3台MD450-60Y×7排水泵，继续利用现有2趟D273×8排水管路。该方案虽然能利用现有泵房，不扩建，矿建费用低，设备少，系统简单，前期投资少，工期短。但整个系统的管阻大、能耗高，旧管期，水泵未在高效区运行，整体运行成本最高。并且需拆除现有设备进行更换，原设备基础需要改造，设备间距变小，水泵配电开关容量小，需更换。

3.3三种方案比选

根据上述的方案综合比较分析如表1，最终确定推荐方案三。根据表1的方案综合比较分析确定推荐方案三，即将现有3台MD280-65×6排水泵更换为能力更大的3台MD450-60Y×7排水泵，继续利用现有2趟D273×8排水管路。配套YBX-4800kW、10kV、1480r/min矿用防爆电动机，正常涌水时1台工作，1台备用，1台检修，最大涌水时3台工作。正常涌水量时排水时间为10.15h，最大涌水量时的排水时间为17.06h。

3.4方案三排水设备选型计算

3.4.1排水设备所必须的排水能力正常涌水时Q1=1.2，Q=192m3/h；最大涌水时Q2=1.2，Qmax=645.6m3/h。扬程：Ht=Ha+Hs+Hj=327.7m。式中，Hs为吸水高度，取Hs=5m；Hj矿井水处理站附加扬程，取Hj=5m。3.4.2水泵运行工况点求取特性方程：①新管时H1'=Ht+R1Q2=327.7+4.4118×10-4Q2m。②旧管时H2'=Ht+R2Q2=327.7+7.5001×10-4Q2m。根据管路特性曲线和水泵性能曲线求得工况点参数：①新管：流量为455.16m3/h，扬程H1为419.1m，效率图1小窑分布图η为0.8%，理论最大吸水高度Hs为5.19m。②旧管：流量为378.36m3/h，扬程H1为435.07m，效率η为0.77%，理论最大吸水高度Hs为5.67m。3.4.3电动机容量计算电动机轴功率如公式（1）：选取电动机容量Ne=kNϕ/ηc=758.03kW，式中传动效率ηc取0.98、富裕系数k取1.1、矿井水容重γ0=1040kg/m3。设计选用水泵配套YBX-4800kW、10kV、1480r/min隔爆电机能够满足要求。3.4.4排水能力计算正常涌水时1台泵工作，按结垢后计算每天排水时间T1=24Q/n1Q2=10.15h；最大涌水时3台泵工作，按结垢后计算每天排水时间T2=24Qmax/n2Q2=17.06h。经验算，将现有3台MD280-65×6泵更换为3台MD450-60Y×7泵，继续利用现有2趟D273×8排水管路的方案，能够满足矿井排水要求。

4结语

鉴于本矿井水文地质条件，并参照目前实际涌水量情况，经校核，提出了排水系统优化方案：主排水系统将现有3台MD280-65×6排水泵更换为能力更大的3台MD450-60Y×7排水泵，继续利用现有2趟D273×8排水管路。煤泥水建议从源头上进行治理，在工作面顺槽及中央水仓的沉淀池设置煤泥水分离设备，增强排水系统的排水能力。

参考文献

[1]徐康,韩秀林,盛慧.高家堡矿井井下排水系统设计方案比选[J].山东煤炭科技,2013(1):108-109.

作者：耿景磊 单位：山西汾西矿业集团发展规划部