排水设备选型设计

在矿井建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井。只有极少数例外的矿井是干燥。将涌入矿井的水排出，只是和矿水斗争的一方面，另一方面是采取有效措施，减少涌入矿井的水量。特别是防止突然涌水的袭击，对保证矿井生产有重要意义。

矿井排水设备不仅要排除各时期涌入矿井的矿水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水。在恢复被淹没的矿井时，首要的工作就是排水。排水设备始终伴随着矿井建设和生产而工作，直至矿井寿命截止才完成它的使命。因此，排水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，它对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。

为了使排水设备能在安全、可靠和经济的状况下工作，必须做好确定排水方案，选择排水设备，进行布置设计，施工试运转，直到正常运行各环节的工作。

1.1.1矿水来源

矿井水的来源分为地面水和地下水，地面水是江、河、湖、溪、池塘的存水及雨水、融雪和山洪等，如果有巨大裂缝与井下沟通时，就会造成水灾。地下水包括含水层水、断层水和老空水。地下水在开采过程中不断涌出。

矿水可以用单位时间涌入矿井内的体积来度量，称为绝对涌水量。一般用“q”表示，其单位为m/h。涌水量的大小与该矿区的地理位置、地形、水文地质及气候等条件有关；同一矿井在一年四季中涌水量也是不同的，如春季融雪或雨季里涌水量大些，其他季节则变化不大，因此前者称最大涌水量，而后者称为正常涌水量。

为了对比不同矿井涌水量的大小，通常还采用同一时期内，相对于单位煤炭产量（以吨计）的涌水量作为比较参数，称它为相对涌水量，或称为含水系数。若以K表示相对涌水量，则

K=24q/T （m/t） 式中 q——绝对涌水量，m/h；

T——同期内煤炭日产量，t。

3

3

3

1.1.2 矿水性质

矿井水中会有各种矿物质，并且会有泥沙、煤屑等杂质，故矿井水的密度比清水大，15C矿水的密度约为1015-1025kg/m。按PH值矿水可分为碱性PH>7、中性PH=7、弱酸性PH=4~6和强酸性PH=0~3。酸性水对排水设备的非耐酸金属零件产生腐蚀作用，减少排水设备正常使用年限。矿水中含有的悬浮状固体颗粒进入水泵后加速金属表面的磨损。当PH<5时，要求排水设备（包括泵、管路等）应选用耐酸材料，或者对水质进行中性处理。对于矿水中的悬浮颗粒应在水泵前加以沉淀，而后再经泵排出矿井。

3

。

1.2对排水设备的要求

排水设备是煤矿大型固定设备之一，为确保矿井设备安全生产，要求排水设备在矿井服务年限内，必须安全、经济、可靠、合理的工作。选择的排水设备及其布置方式必须符合《矿井安全规程》和《煤矿工业设计规范》以及国家有关的技术规定；同时，在技术合理的前提下，应尽可能提高设备的装备效率和设备本身的完好率，充分发挥设备的潜力。

1.2.1固定式排水设备

固定式排水设备安装在副井井底车场附近的泵房内，做主排水用，它将全矿或大部分矿水排至地面

1.2.2移动式排水设备

移动式排水设备主要用于掘进工作面（含建井期凿井排水）或淹没坑道的排水并要求排水设备能随工作面的推进或水位下降而移动。

1.3离心式水泵的分类

1、按叶轮数目分

（1）单级水泵 泵轴上有仅装有一个叶轮

(2) 多级水泵 泵国上装有几个叶轮

2、按水泵吸水方式

（1）单吸水泵

（2）双吸水泵

3、按泵壳的结构分

（1）螺壳式水泵

（2）分段式水泵

（3）中开式水泵

4、按泵轴的位置分

（1）卧式水泵

（2）立式水泵

5、按比转数分

（1）低比转数水泵 比转数=40-80

（2）中比转数水泵比转数=80—150

（3）高比转数水泵比转数=150-300

第二章 矿井排水系统的选型设计

2.1设计原始资料：

某矿年产量110万吨，竖井开拓，井口标高+42.50m，水平标高-155.00m，正常涌水量4.80m/min，最大涌水量

3

7.50m/min，矿水中性，矿水密度1020kg/m，最大涌水期按65

3

3

天计算，服务年限40年。 2．2 设计方案

由资料，可供选择的排水系统有以下两种： 2.2.1直接排水系统

直接排水系统是指井下的涌水通过排水设备直接排到地面。如果单水平开采的矿井，在开采第一水平时，就采用直接排水系统。

图（a）是竖井单水平开采时的直接排水系统。图（b）是竖井多水平开采时，各水平的涌水分别由本水平的排水设备直接排到地面。图（c）是竖井两个水平同时开采时，若上水平涌水量较小，经技术经济比较后，可将上水平的涌水通过管路自流到下一水平的水仓中，然后两个水平的涌水由下水平的排水设

备直接排到地面。图（d）是斜井单水平开采时，若地质条件比较稳定，又无大的断层，经技术经济比较后，可采用钻孔下排水管的方法将水直接排到地面。若地质条件较复杂或井较深，可采用沿斜井井筒敷设排水管路的方法，将水直接排到地面。

这种排水系统的水平和泵房数量少，系统简单可靠，基建投资和运行费用少，维护工作量要减少一半以上，需用的人员也少，便于管理，而且上、下水平的排水设备互不影响。

2.2.2 分段排水系统

分段排水系统，是指井下的涌水通过几段排水设备转排到地面。一般适用于矿井较深，又受排水设备能力所的矿井排

水。另外，多水平同时开采时，为减少井筒内管路敷设的趟数，也常采用分段排水系统。

图（a）是竖井单水平开采时，由于井深已经超过水泵可能产生的扬程时，可在井筒中部开拓泵房和水仓（相当于两个水平分段排水系统）将水经两段排水设备排至地面。此图也可表示为竖井多水平开采时的分段排水系统。图（b）是斜井两个水平同时开采时的分段排水系统。

采用中继排水，在井筒中部设置一套排水系统，可有效降低主排水设备的扬程，从而降低主排水设备的规模。缺点是当一套排水设备发生故障时会影响整个矿井的排水，而且设备数量较多，井筒中的管路复杂，不利于安装和维护。

根据上述的有关规定，本着尽量减少水的泵数量的原则，并且考虑基建、维护、运行成本的简易程度，选用直接排水系统作为本设计的排水方法。

2.3设备选型

2.3.1初选水泵的型号和台数

选择水泵的型号和台数应符合《规程》和《规范》的规定。若有两种或两种以上符合要求时，应选择其中尺寸小、效率高的水泵，而且水泵的台数应尽可能少。只有在不得已的情况下，才采用两台水泵并联排水。

2.3.1.1排水系统对水泵的要求： （1）水泵必须具备的总排水能力：

正常涌水时，工作水泵必须具备的总排水能力

=

=1.2 =1.2×288=345.6

最大涌水时，工作水泵和备用水泵必须具备的总排水能力

=

=1.2 =1.2×450=540

式中 、 ——矿井正常涌水量和最大涌水量，m³/h

备用水泵的工作能力

= ×0.7=345.6×0.7=241.92 － =540－345.6=194.4

取二者较大值 =241.93

′′检修水泵的工作能力

″ = QB×0.25=345.6×0.25=86.5

式中 ——矿井正常涌水量，m³/h

——矿井最大涌水量，m³/h ——工作水泵排水能力，m³/h ——备用水泵排水能力，m³/h ——检修水泵排水能力，m³/h

（2）估算水泵必须的扬程：

=（ + ）/ = / = (42.5+115+5)/0.9=180.56 式中 ——水泵所必须的扬程，m

——排水高度，m ——吸水高度，m

——测地高度（实际扬程），一般取 =井

底与地面标高差+5（井底车场与水仓最低水位距离），m

″′ ——管路效率，对竖井， =0.9～0.87

2．3.2初选水泵型号

因为矿水呈中性，所以选择D型泵。查泵产品样本，依据计算的工作水泵的排水能力 和所需扬程 ，可选泵的型号为： 泵D500-57,级数为

i=

=

=3.17

取i=4。 泵D450-60，级数为

i=

=

=3.01

取i=4。

两水泵详细资料如下：

D450-60型离心泵参数

型号 级流量

扬

转速

功率效必须汽

泵重P(KW)

叶

轮

数 (m/h) (L/s) 程 n

轴功电率 蚀余量 (kg) 直H (r/min) 率 机η% (NPSH)r

(m)

功(m)

率

D450-6 450 125 360 1480 551.5 680 80 4.4

2820 60

注：曲线图系单级性能，叶轮名义直径D2=430㎜，转速n=1480r/min。级数增加时，扬程按比例增加，流量不变。例如：3级扬程系图中曲线查得的扬程乘3，4级乘4，其余类推。

径

Φ

430

型号 级流量

数

(m/h) (L/s)

扬转速 功率P(KW)

电机

效必须汽泵重

程 n H

率 蚀余量 (kg) η% (NPSH)r

(m)

(r/min) 轴

功

(m)

率 功

率

D280-5 500 43

139

399 1480

671 850 81 5

3060

检验水泵稳定性:

（1）因 = + =42.5+115+5=162.5m 而 =i =5×57=228m

故 =162.5≤0.9 =0.9×228=182.4m D500-57型水泵满足稳定性要求。

（2)因 = + =42.5+115+5=162.5m 而 =i =4×65=240m 故 =162.5≤0.9 =0.9×240=216m D450-60型水泵满足稳定性要求。 2.3.3所需水泵的台数

D500-57:

（1）正常涌水时工作水泵的台数：

==

=0.69

取1台。

（2）备用水泵的台数

≥0.7 =0.483

取1台。

（3）检修水泵的台数

≥0.25 =0.173

取1台。

故选用3台水泵。正常涌水时，1台工作，1台备用，1台检修；最大涌水时，2台工作，1台检修。

D450-60:

（1）正常涌水时工作水泵的台数：

= =

=0.768 取1台。

（2）备用水泵的台数

≥0.7 =0.5376

取1台。

（3）检修水泵的台数

≥0.25 =0.1344

取1台。

故选用3台水泵。正常涌水时，1台工作，1台备用，1台检修；最大涌水时，2台工作，1台检修。

1. 管路的选择计算

2.1管路的条数、布置和管材的选择

a) 管路趟数的选择 根据《规程》有关规定，水管必须有工作和备用的，其中工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。涌水量小于300m3/h的矿井，排水管也不得少于两趟。对于所选的三台水泵，敷设两趟管路，即三泵两管工作方式，一台水泵工作时，可通过其中任一趟管路排水，另一趟管路备用；两台水泵同时工作时，可分别通过一趟管路排水。 b) 其管路系统布置如图

图3-4（a）

1）图3-4（a）是三台泵两趟管路的布置方式。一台水泵工作时，可通过其中任一趟管路排水，另一趟管路备用；两台水泵同时工作时，可分别通过一趟管路排水。

图3-4 四台水泵管路布置方式（b）

2）图3-4(b)是四台泵三趟管路的布置方式，正常涌水时期两台泵工作，可通过其中任意两趟管路分别排水，另一趟管路备用，最大涌水时期三台泵工作可各用一趟管路排水。

（1） 管材的选择

根据竖井排水要求，井深超过200m，确定选用热轧无缝钢管。

2.2排水管、吸水管内径及壁厚的确定

排水管的经济流速 =1.5～2.2m/s，吸水管的经济流速 =0.8～1.5 m/s。 (1)

预选排水管规格

对于D450-60型水泵，额定流量450m³/h，排水管内径 =

=0.0188 =0.0188× =0.326～0.269m

预选排水管规格为Φ273×7和Φ299×8的热轧无缝钢管。 对于D500-57型水泵，额定流量500 m³/h，排水管内径 =

=0.0188 =0.0188× =0.343～0.283m

预选排水管规格为Φ325×8和Φ351×8的热轧无缝钢管。

表2.4 热轧无缝钢管 （YB231-70）（mm）

外径 32 38 42 45 50 54 57 60 63.5 68 70 73 壁厚 2.5～8.0 2.5～8.0 2.5～10.0 2.5～10.0 2.5～10.0 3.0～11.0 3.0～13.0 3.0～14.0 3.0～14.0 3.0～16.0 3.0～16.0 3.0～19.0 外径 76 83 95 102 108 114 121 127 133 140 146 壁厚 3.0～19.0 3.5～24.0 3.5～24.0 3.5～24.0 3.5～28.0 3.5～28.0 4.0～28.0 4.0～32.0 4.0～32.0 4.0～32.0 4.5～36.0 4.5～36.0 外径 152 159 168 180 194 203 219 245 273 299 325 351 壁厚 4.5～36.0 4.5～36.0 5.0～45.0 5.0～45.0 5.0～45.0 6.0～50.0 6.0～50.0 7.0～50.0 7.0～50.0 8.0～75.0 8.0～75.0 8.0～75.0 外径 377 402 426 459 壁厚 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 (465) 9.0～75.0 480 500 530 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～25.0 (550) 9.0～25.0 560 600 630 9.0～25.0 9.0～25.0 9.0～25.0 壁厚系列 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6 14 35

15 36 16 38 17 40 18 42 19 45 20 48 7 7.5 8 3.5 9 9.5 10 11 12 13 26 63 28 65 29 30 34 70 75 22 24 25 50 56 60

（2） 排水管壁厚的验算

对于D450-60型水泵，Φ273×7排水管。 δ=

=

=0.00554m =5.54mm＜7mm 式中δ——管壁厚度，m；

d——所选管子标准管径，m；

p——水管内部工作压力，Pa，作为估算p=1.1× ； ——排水扬程，m, =180.56m

R——管材许用应力，无缝钢管R=80× Pa；

c——附加厚度（考虑运输和其他原因形成的表面损伤），无缝钢管c=0.001～0.002m,取c=0.0015m。

对于Φ273×7排水管 δ=

=

=0.004m =4.mm＜7mm

对于D500-57型水泵，Φ325×8排水管 δ=

=

=0.00524=5.24mm＜8mm 对于Φ351×8排水管 δ=

=

=0.00554m =5.54mm＜8mm （3）吸水管规格的确定

对于D450-60型水泵，对应Φ273×7排水管，选取Φ299×8的吸水管。对应Φ299×8排水管，选取Φ325×8的吸水管。

对于D500-57型水泵，对应Φ325×8排水管，选取Φ351×8的吸水管。对应Φ351×8排水管，选取Φ377×9的吸水管。

2.3管路系统图

2.4管路特性计算 （1）管路阻力损失常数

R=

对于D450-60水泵：

选用管Φ273×7作为排水管时，

=0.0315

吸水管Φ299×8选取

=0.0307

选用Φ299×8作为排水管时，

=0.0307

吸水管Φ325×8选取

=0.0299

对于D500-57水泵：

选用管Φ325×8作为排水管时，

=0.0299

吸水管Φ351×8选取

=0.0292

选用Φ351×8作为排水管时，

=0.0292

吸水管Φ377×9选取

=0.0286

式中 ——排水管路沿程阻力系数

——吸水管路沿程阻力系数

排水管 吸水管 Φ273×7 0.0315 Φ299×8 0.0307 Φ299×8 0.0307 Φ325×8 0.0299 Φ325×8 0.0299 Φ351×8 0.0292 Φ351×8 0.0292 Φ377×9 0.0286 排水管局部阻力系数 和吸水管局部阻力系数 经查表并整理后得下表：

名称 数量 局部阻力系数 管Φ273×7 管Φ299×8 直角弯头 30°弯头 转弯流三通 直流三通 闸板阀 逆止阀4 2 1 2 2 1 0.294 0.098 1.5 0.7 17 90 0.294 0.098 1.5 0.7 17 90 管Φ325×8 管Φ351×8 0.294 0.098 1.5 0.7 17 90 0.294 0.098 1.5 0.7 17 90 （15°） 名称 直角弯头 渐缩管异径管 底阀(300) 合计 数量 管Φ273×7 管Φ299×8 1 1 1 0.294 0.1 3.7 128.272 4.094 0.294 0.1 3.7 128.272 4.094 管Φ351×8 管Φ377×9 0.294 0.1 3.7 128.272 4.094 0.294 0.1 3.7 128.272 4.094 吸水管排水管长度确定：

排水管长

=( －7.5)

=(157.5－7.5)+30+20+20 =220m 吸水管长取 =8m 式中 ——排水管实际长度；

——水流经泵房内排水管的长度，一般取 =20m～30m； ——管子道内的管子长度，一般取 =20m～30m；

——井口出水管的长度；一般取 =15m～20m；

——吸水管总长度，一般取 =8m～10m。

对于D450-60水泵，选用管Φ273×7作为排水管时有：

R=

=2.26× 选用管Φ299×8作为排水管时有：

R=

=4.13×

对于D500-60水泵，选用管Φ325×8作为排水管时有：

R=

=3.01× 选用管Φ351×8作为排水管时有：

R=

=1.88×

（3） 管路特性方程式：

对于D500-57水泵，选用管Φ325×8作为排水管时, 新管特性和挂垢后管路特性方程式分别为

= +R =162.5+1.304× = +1.7R =162.5+2.22×

选用管Φ351×8作为排水管时，新管特性和挂垢后的管路特性方程式分别为

= +R =162.5+0.98× = +1.7R =162.5+1.67×

对于D450-60水泵，选用管Φ273×7作为排水管时，新管特性和挂垢后的管路特性方程式分别为

= +R =162.5+2.261× = +1.7R =162.5+3.85×

选用管Φ299×8作为排水管时，新管特性和挂垢后的管路特性方程式分别为

= +R =162.5+1.88×

= +1.7R =162.5+3.2× 3水泵工况点的确定

参照水泵的流量围选取若干流量值，分别计算排水所需扬程，列出管路特性参数表。

对于D450-60水泵

选用管Φ273×7作为排水管时有： Q/ m³/h /4m /m /m /4m 162.5 182.84 190.19 198.66 208.27 219.00 230.88 243.86 40.625 45.71 47.55 49.67 52.07 54.75 57.72 61.04 162.5 197.15 209.66 224.10 240.46 258.75 278.96 301.1 40.625 49.29 52.42 56.1 60.12 .69 69.74 75.275 0 300 350 400 450 500 550 600 选用管Φ299×8作为排水管时有： Q/ m³/h /4m /m /m /4m 对于D500-58水泵

选用管Φ325×8作为排水管时有：

162.5 167.40 169.17 171.21 173.52 176.10 178.96 182.08 57 0 300 350 400 450 500 550 600 162.5 170.83 173.83 177.30 181.23 185.63 190.48 195.08 69.43 Q/ m³/h /4m /m /m /4m 0 300 350 400 450 500 550 600 162.5 1.59 199.37 210.66 223.45 237.75 253.55 270.86 40.625 47.40 49.84 52.66 55.86 59.44 63.39 67.715 162.5 208.4 224.87 244.12 265.78 287.75 316.77 342.02 40.625 52.10 56.24 61.03 66.44 71.93 79.20 85.53 选用管Φ351×8作为排水管时有： Q/ m³/h /4m /m /m /4m 162.5 167.40 169.17 171.21 173.52 176.10 178.96 182.08 0 300 350 400 450 500 550 600 162.5 170.83 173.83 177.30 181.23 185.63 190.48 195.08

第七章 水泵工作合理性校验

7.1校验水泵稳定性

1）自特性查得Q=0时6级泵的扬程H0 = 69 该值大于HC =63 ，满足稳定条件0.9H0≥HC的要求。

2）自特性查得Q=0时6级泵的扬程H0 =71 该值大于HC =53，满足稳定条件0.9H0≥HC的要求。

7.2校验排水时间

7.2.1 D450-60水泵

对于D450-60水泵在选取管φ273×7做为排水管时有： 在正常涌水期每天所需排水时间为

Tz1= 24qz/n1Qm1

=24×4.8×60/1×500 =12.96h

第八章 水泵电动机的选型计算

所选水泵工作在工业利用区，可直接选用水泵厂家提供的配套电动机，型号为： JSQ-1512-6型高压三相高速鼠笼异步电动机

其参数如下表：

表2.11

额定功率 KW 额定电压 V 额定电流 A 效率 η 95.7 总电阻 Ω 1.84 转速 r/min 780 6000 90 1480 第九章 主排水经济指标的计算

9.1电费

a）年电耗

由于正常涌水期和最大涌水期各泵的工况参数相同，则年电耗为

E=

1.05QH×（nzrzTz＋nmaxrmaxTmax）

10003600Cw6= 3.55×10kw

式中 1.05—辅助用电系数； γ—矿水重度，N/m3 ； Q—工况流量，m3/h； H—工况扬程，m； η—水泵工况效率； ηC—传动效率； ηd—电机效率；

ηW—电网效率，一般可选取ηW=0.95-0.97； nz ,nmax —正常和最大涌水期水泵工作台数； rz ,rmax —正常和最大涌水期水泵工作天数 ,d；

Tz ,Tmax —正常和最大涌水期水泵工作时间 ,h； b)年电费

年电费等于当地工业电价Cd（元/度）与年电耗量之积，即

S1 = CdE

=35.5万元

9.2设备购置费

设备购置费

设备费 名称 水泵D450606 机电设备 电动机JSQ-1512-6 三阀、真空泵 KRG-6A 型高压综合起配电设备 动器 无缝钢管3258 排水管路 钢管管件 总额(万元) 66.3 （考虑运杂费） 注：表中数据在《水泵样本》等，及附录b中查得 0.2104/组 3 13.1104 1 13.1 单价（元） 5.68104 4.68104 数量 3 3 36 分计总额 （万元） 项目 类别 65.2/m 445×3 10.5

9.3安装工程费

设备安装费 项目 （万元） （万元） （万元） 外加工资调整施工管理费总额（万元） 类别 机电设备 配电设备 排水管路 24.36 1.47 4.8 0.512 0.153 1 3.35 1 7.9 28.22 2.623 13.7 19.8 .343 辅助车间服务费 总额 9.4井巷工程费 经济指单价（万元） 总分（万元） 标（万元） 基 价 系数 单价 泵房 硐室 管子 道 水仓绞车房 m 1 3.5 1.09 3.8 3.8 3.9 2.3 10 10 额费 费 理费 地区地区直接定辅助施工管工程技术单数名称 特征 位 量 合计 m3 6 3.6 1.09 3.9 23.4 24 14.2 61.6 10.3 m3 1 3.5 1.09 3.8 3.8 3.9 2.3 10 10 水仓 m3 25 3.5 1.09 3.8 95 97.4 57.5 249.9 10 基本投资

基本投资=设备购置费+安装工程费+井巷工程费 ①查表3-25、表3-27、表3-29得

基本投资=[66.3+.343+（61.6+10+10+249.9）]= 462.143（万元）

在最大涌水期每天所需排水时间为

Tmax1= 24qmax/(n1+n2)Qm1

=24×7.2×60/2×500 =10.4h

7.2.2 D500-57水泵

对于D450-60水泵在选取管φ299×10做为排水管时有： 在正常涌水期每天所需排水时间为

Tz3= 24qz/n1Qm3

=24×4.5×60/530

=12.23h

在最大涌水期每天所需排水时间为

Tmax3= 24qmax/(n1+n2)Qm3 =24×7.2×60/2×530 =9.78h

经校验排水时间均小于20h，符合《煤矿安全规程》规定