詹詩(shī)飛,賴國(guó)權(quán)

(1.華東冶金地質(zhì)勘查局屯溪地質(zhì)調(diào)查所, 安徽黃山市 245000;2.廣東省四會(huì)市四會(huì)石膏礦,廣東四會(huì)市 526200)

四會(huì)石膏礦一號(hào)井排水設(shè)施的安全可靠性分析

詹詩(shī)飛1,賴國(guó)權(quán)2

(1.華東冶金地質(zhì)勘查局屯溪地質(zhì)調(diào)查所, 安徽黃山市 245000;2.廣東省四會(huì)市四會(huì)石膏礦,廣東四會(huì)市 526200)

四會(huì)石膏礦一號(hào)井因受相鄰的青岐石膏礦水患影響而停采,同時(shí)又影響二號(hào)井正常開(kāi)采,通過(guò)對(duì)一號(hào)井的排水設(shè)施安全可靠性分析,調(diào)整部分排水設(shè)施,確保了一號(hào)井及二號(hào)井的開(kāi)采安全。

排水設(shè)施;安全可靠性;排水能力

0 前 言

四會(huì)石膏礦一號(hào)礦井是單一水平開(kāi)采的礦井,豎井與斜井聯(lián)合開(kāi)拓,主豎井是提升井,副斜井是回風(fēng)井。主副井筒分別在-100.40,-100.8 m水平落平開(kāi)拓主運(yùn)輸、總回風(fēng)大巷。井下采空區(qū)涌水由大巷水溝匯集到井底水倉(cāng),采用集中一級(jí)排水方式排水。

在礦井西北向采區(qū)有巷道及采空區(qū)與鄰近的青岐石膏礦相通,青岐石膏礦從1999年起將采空區(qū)涌水通過(guò)兩礦相通的巷道和采空區(qū)向四會(huì)礦一號(hào)井排放。2005年12月青岐石膏礦閉礦停止抽水,其采空區(qū)160 m3/h的涌水流向四會(huì)礦一號(hào)井由四會(huì)礦抽排,因此四會(huì)石膏礦一號(hào)井排水設(shè)施的安全性受到各方的關(guān)注。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件及涌水量

1.1 地下水類型

礦區(qū)位于三水盆地西北緣,根據(jù)地下水的賦存介質(zhì),將礦區(qū)地下水劃分為松散巖類孔隙水和紅層裂隙水。由于砂礫層含粘粒數(shù)量不同,其滲透性和富水性存在較大差異,礦區(qū)西北部砂礫層厚度大,粘粒數(shù)量較少,滲透性好,富水性相對(duì)豐富。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

1.2 井下水的來(lái)源

四會(huì)石膏礦主采20號(hào)和17號(hào)兩個(gè)膏組,采用留規(guī)則礦柱全面采礦法和留連續(xù)礦柱房柱采礦法開(kāi)采。采空區(qū)冒落造成地表整體下沉,在下沉過(guò)程中產(chǎn)生地裂縫,地下水往下滲透到采空區(qū)進(jìn)入井下。地下水的補(bǔ)給與地面農(nóng)田建設(shè)有著較大的關(guān)系,其次與大氣降雨時(shí)間和降雨量有關(guān)。據(jù)多年監(jiān)測(cè)記錄,井下最大涌水量是正常涌水量的1.23倍。

1.3 井下涌水情況及涌水量

一號(hào)礦井井下有3股水流向井底水倉(cāng)匯集,第1股是北大巷及西北大巷各處上山采空區(qū)的滲涌水在北大巷水溝流出,分別由東四回風(fēng)下山和探六回風(fēng)下山進(jìn)入3號(hào)水倉(cāng),涌水量為132 m3/h;第2股水流是一平至西(北)大巷末段幾個(gè)上山采空區(qū)的滲涌水,從南巷口流入2號(hào)水倉(cāng),在1,2號(hào)水泵房抽水,涌水量為147 m3/h;第3股水流是青岐礦2005年12月29日停止排水后,其井下水通過(guò)兩礦相連通的巷道和采空區(qū),流入四會(huì)礦的七平到二平的采空區(qū),從南巷口進(jìn)入2號(hào)水倉(cāng),在1,2號(hào)水泵房抽水,涌水量為160 m3/h。

3股水流的合計(jì)正常涌水量是439 m3/h,最大涌水量是540.0 m3/h(含青岐礦停止排水流入的最大涌水量196.8 m3/h)。

2 一號(hào)井的井下排水設(shè)施

一號(hào)井共有3個(gè)水泵房和3個(gè)水倉(cāng),其中1號(hào)水倉(cāng)容積為1000 m3,2號(hào)水倉(cāng)的容積為4300 m3,3號(hào)水倉(cāng)容積為36000m3。大水倉(cāng)儲(chǔ)水可以利用零時(shí)班用電低峰期進(jìn)行抽水,節(jié)約抽水費(fèi)用,同時(shí)可以作為應(yīng)急水倉(cāng)用。

3個(gè)水倉(cāng)設(shè)置3個(gè)水泵房,其中1號(hào)水泵房安裝第1組2臺(tái)150D30×5水泵配1趟6英寸排水管,排水管鋪設(shè)在豎井井筒;2號(hào)水泵房安裝第2,3, 4組6臺(tái)200D43×3水泵,配3趟8英寸排水管,其中1趟鋪設(shè)在豎井井筒,另2趟鋪設(shè)在斜井井筒;3號(hào)水泵房安裝第5組2臺(tái)200D43×3水泵,配1趟8英寸排水管,鋪設(shè)在斜井井筒。

為改善水泵的吸水性能,工程技術(shù)人員通過(guò)技術(shù)改造,在每一組的2臺(tái)水泵的吸水處設(shè)置1個(gè)略高于水泵裝滿水的密閉式吸水箱,并在水箱面上安裝1條設(shè)有底閥的吸水管伸到吸水井。只要水箱有一定的儲(chǔ)水,可隨時(shí)啟動(dòng)水泵,這樣排水泵的操作簡(jiǎn)單,且安全、快捷、可靠。每一組水泵的2臺(tái)水泵都能獨(dú)立排水。各型水泵的性能見(jiàn)表1。

表1 水泵的性能參數(shù)

3 10臺(tái)泵聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的排水設(shè)施

2006年3月,安監(jiān)部門(mén)組織專家組對(duì)四會(huì)礦一號(hào)井排水設(shè)施進(jìn)行了評(píng)審,專家們充分肯定了一號(hào)礦井排水設(shè)施的設(shè)計(jì)規(guī)劃、安裝施工和防范措施基本合理,同時(shí)對(duì)井下排水設(shè)施提出兩點(diǎn)要求。一是把1號(hào)泵房和2號(hào)泵房經(jīng)豎井鋪設(shè)的排水管道在井底聯(lián)通以解決1號(hào)泵房備用管道的問(wèn)題,把2號(hào)泵房和3號(hào)泵房經(jīng)回風(fēng)斜井鋪設(shè)的3趟排水管道在斜井底聯(lián)通,觖決3號(hào)泵房的備用管道的問(wèn)題;二是井下10臺(tái)水泵聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)全面提高排水設(shè)施的應(yīng)急能力。

為了解決10臺(tái)水泵聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題,四會(huì)礦工程技術(shù)人員進(jìn)行了方案研究,并制訂各工程的施工方案。

3.1 重新安裝水泵

井下每一組的2臺(tái)水泵型號(hào)相同,轉(zhuǎn)速相同,流量相同。要實(shí)現(xiàn)水泵聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn),需重新調(diào)整每組水泵安裝位置及出水管的夾角,以滿足聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)抽水的要求。

(1)排水管聯(lián)通。在2趟水管之間以30°夾角用2條等徑的水管聯(lián)接,中間加裝1個(gè)控制閘閥,便可實(shí)現(xiàn)管路并聯(lián)聯(lián)通。

(2)斜井底排水管聯(lián)通。在斜井底變坡點(diǎn)前面的每條排水管分別裝上1個(gè)閘閥,在每2條排水管之間加裝2條帶閘閥的8英寸水管。當(dāng)管Ⅴ前方發(fā)生穿孔需改用管Ⅳ或管Ⅲ進(jìn)行抽水時(shí),將管Ⅴ前方的閘閥關(guān)閉,打開(kāi)管Ⅴ與管Ⅳ之間的閘閥,水由管V經(jīng)閘閥進(jìn)入管Ⅳ,由管Ⅳ進(jìn)行抽水;或打開(kāi)管V、管Ⅳ和管Ⅲ之間的閘閥,水由管Ⅴ經(jīng)閘閥進(jìn)入管Ⅲ進(jìn)行抽水,解決3號(hào)水泵的備用水管問(wèn)題。同理,當(dāng)管Ⅲ或管Ⅳ前方發(fā)生穿孔需改用管Ⅴ抽水時(shí),關(guān)閉管Ⅲ或管Ⅳ前方閘閥,打開(kāi)兩管之間連通閘閥,改用相鄰排水管抽水,解決2號(hào)水倉(cāng)決備用水管的問(wèn)題。

(3)豎井排水管并聯(lián)。在1號(hào)水倉(cāng)水泵出水管出口加接2條8英寸水管至井底車場(chǎng)與另一排水管聯(lián)通,并加裝閘閥。平常關(guān)態(tài)下閘閥是關(guān)閉的,當(dāng)水管Ⅰ前方發(fā)生滲漏而又需抽水時(shí),關(guān)閉管Ⅰ前方閘閥,打開(kāi)連通管的閘閥,水由管Ⅰ進(jìn)入管Ⅱ,可解決1號(hào)水倉(cāng)的備用水管問(wèn)題。同理,管Ⅱ前方發(fā)生水管漏水需用管Ⅰ抽水時(shí),關(guān)閉管Ⅱ前方閘閥,打開(kāi)連通閘閥,水由管Ⅱ進(jìn)入管Ⅰ,用管Ⅰ進(jìn)行抽水。

3.2 聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)流量驗(yàn)算

水泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)抽水時(shí)的流量驗(yàn)算,與單臺(tái)基本相同,只不過(guò)并聯(lián)時(shí),流量增大,流速相應(yīng)增大,水與管壁的摩擦阻力增加,總的揚(yáng)程損失增大。

2臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)抽水的同時(shí),為了解決水泵的備用水管問(wèn)題,在每1趟水管各多裝1個(gè)閘閥,計(jì)算揚(yáng)程損失時(shí),需加上閘閥的阻力折算長(zhǎng)度。各組排水管的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各組排水管的計(jì)算參數(shù)

另外,每1趟水管均安裝有1個(gè)逆止閥和2個(gè)閘閥。下面以第1組水泵為例進(jìn)行流量驗(yàn)算。

多級(jí)水泵150D30×5配電機(jī)115 k W,安裝在1號(hào)水泵房,水管架設(shè)在豎井內(nèi),泵房地面標(biāo)高-100.225 m,水倉(cāng)吸井底標(biāo)高-104.2 m,井口標(biāo)高+15.5 m,出水口標(biāo)高+17.0 m,實(shí)際排水高度H實(shí)＝121.2 m,并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)每臺(tái)水泵的流量估計(jì)為單臺(tái)水泵單獨(dú)抽水時(shí)的82%,初估排水流量為148 m3/h。吸水、排水和出水管直徑d吸＝0.15 m。水在管道中的流速V排＝4.66 m/s,水與管道摩擦的阻力系數(shù)為:

(1)單臺(tái)水泵吸水管揚(yáng)程損失。管長(zhǎng)7.80 m,吸水高度4.00 m,加上1個(gè)底閥和2個(gè)90°彎頭,折合直線長(zhǎng)度L計(jì)＝53.00 m。

(2)單臺(tái)水泵排水管揚(yáng)程損失。管長(zhǎng)140 m,加上2個(gè)閘閥,3個(gè)彎頭,折合直線長(zhǎng)度L計(jì)＝146 m。

(3)單臺(tái)水泵出水管揚(yáng)程損失。管長(zhǎng)15.00 m,1個(gè)彎頭,折合直線長(zhǎng)度L計(jì)＝16.1 m。

單臺(tái)水泵總揚(yáng)程:

3.3 水泵排水流量、軸功率與效率驗(yàn)算

參照水泵工作特性曲線,揚(yáng)程在156.47 m處的流量Q＝41 L/S＝147.6 m3/h,是最大流量的82%,與初估148 m3/h接近,考慮不明流量損失,并聯(lián)抽水時(shí)每臺(tái)泵的流量定為145 m3/h,2臺(tái)泵的總流量為290 m3/h。

單臺(tái)水泵流量Q＝41 L/s,其軸功率P＝81.5 k W,效率η＝77%。

10臺(tái)水泵并聯(lián)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)抽水時(shí),各組水泵的排水能力及總的排水能力見(jiàn)表3。

表3 10臺(tái)水泵聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的水泵性能

3.4 排水能力實(shí)測(cè)

為進(jìn)一步確定每組水泵的排水能力,對(duì)每組水泵分別進(jìn)行單臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)抽水和2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)抽水的流量測(cè)量,其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水泵流量實(shí)測(cè)結(jié)果

從表4實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,無(wú)論單臺(tái)抽水還是并聯(lián)抽水,實(shí)測(cè)流量都大于理論計(jì)算值,說(shuō)明以上計(jì)算值是可靠的。

3.5 一號(hào)井的排水能力

(1)特殊情況下10臺(tái)水泵同時(shí)抽水的排水能力是1570 m3/h,每天所需抽水時(shí)間是:

正常涌水時(shí),439×24÷1570＝6.7(h/d);最大涌水時(shí),540.0×24÷1570＝8.3(h/d)。

(2)5臺(tái)泵同時(shí)工作(另5臺(tái)備用)的排水量是1130 m3/h,每天抽水所需時(shí)間:

正常涌水時(shí),439×24÷1130＝9.3(h/d);最大涌水時(shí),540.0×24÷1130＝11.5(h/d)。

(3)正常情況下,啟動(dòng)3臺(tái)水泵的排水能力。

啟動(dòng)第2～4組的其中2臺(tái)和第5組的1臺(tái)泵排水能力是710 m3/h,每天排水時(shí)間:

正常涌水時(shí),439×24÷710＝14.8(h/d);最大涌水時(shí),540.0×24÷710＝18.3(h/d)。

啟動(dòng)第1組的1臺(tái)、第2～4組的1臺(tái)、第5組的1臺(tái)泵,此時(shí)排水能力是650 m3/h,每天排水時(shí)間:

正常涌水時(shí),439×24÷650＝16.2(h/d);最大涌水時(shí),540.0×24÷650＝19.9(h/d)。

最大涌水情況下,啟動(dòng)任何3趟排水管中的3臺(tái)抽水泵抽水,都能在20 h內(nèi)排完井下涌水,完全符合《金屬非金屬地下礦山安全規(guī)程》井下排水設(shè)施的規(guī)定。四會(huì)石膏礦一號(hào)井的排水設(shè)施是安全的。目前四會(huì)礦一號(hào)井均利用用電低峰時(shí)段進(jìn)行抽水,有效地降低抽水成本。

4 供 電

4.1 掘進(jìn)井底2號(hào)中央變電所

井下10臺(tái)水泵聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的用電負(fù)荷為1470 k W,超出原有的負(fù)荷能力,需對(duì)全礦供配電系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造,增加供配電設(shè)施,一是保證10臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)抽水及二號(hào)井生產(chǎn)的供電能力;二是保證5臺(tái)水泵同時(shí)抽水及一、二號(hào)井同時(shí)生產(chǎn)的供電能力。

為此,在井底車場(chǎng)附近新掘進(jìn)一個(gè)2號(hào)中央變電所,其變電房長(zhǎng)18.6 m,配電房長(zhǎng)43.6 m,采用錨噴支護(hù)。

4.2 變配電調(diào)整

為適應(yīng)用電負(fù)荷的需要,新購(gòu)買(mǎi)了一批變壓器及高低壓開(kāi)關(guān)柜等變配電設(shè)施,以便對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

4.2.1 變壓器調(diào)整

將新購(gòu)買(mǎi)的S9-2000 0.4V/6 k V變壓器替代現(xiàn)運(yùn)行的S9-1000 0.4/6 k V變壓器向一號(hào)井井底供電。將現(xiàn)山頂電站供一號(hào)井井底的S9-1000 0.4/6 k V變壓器改為向二號(hào)井供電。

將現(xiàn)一號(hào)井1號(hào)中央變電所的S7-630 6/0.4 k V變壓器調(diào)整到2號(hào)中央變電所向2號(hào)水泵房供電。

將山頂電站現(xiàn)向二號(hào)井供電的S7-630 0.4/6 k V變壓器放到一號(hào)井2號(hào)中央變電所向2號(hào)水泵房供電。

現(xiàn)1號(hào)中央變電所的KSJ-315 6/0.4 k V變壓器保留,新購(gòu)KSJ-315 6/0.4 k V變壓器放于1號(hào)中央變電所,向井底車場(chǎng)動(dòng)力及主風(fēng)機(jī)供電。

3號(hào)水泵房的S9-400 6/0.4 k V變壓器不變動(dòng),向3號(hào)水泵房供電。

調(diào)整后的變壓器數(shù)量和安放地點(diǎn)見(jiàn)表5。

從表5看出,通過(guò)增加2臺(tái)變壓器,滿足了井下10臺(tái)水泵聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的用電負(fù)荷和井底動(dòng)力的需要。

表5 一號(hào)井調(diào)整后的變壓器

4.2.2 開(kāi)關(guān)柜調(diào)整

1號(hào)中央變電所內(nèi)保留3臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)柜,其中1臺(tái)受電、1臺(tái)饋電,1臺(tái)作為與2號(hào)中央變電所之間的聯(lián)絡(luò)柜。

新購(gòu)買(mǎi)的6臺(tái)XGN型高壓開(kāi)關(guān)柜安裝在2號(hào)中央變電所。其中1臺(tái)受電、3臺(tái)饋電、1臺(tái)備用、1臺(tái)作為與2號(hào)中變電所與1號(hào)中央變電所之間的聯(lián)絡(luò)柜。

購(gòu)買(mǎi)的5臺(tái)低壓開(kāi)關(guān)柜與現(xiàn)使用的8臺(tái)低壓開(kāi)關(guān)柜分別擔(dān)負(fù)1,2,3號(hào)水泵房、井底車場(chǎng)動(dòng)力和照明的受、饋電。

4.2.3 下井高壓電纜調(diào)遣

從山頂電站架設(shè)1條YJV42-6000-3×50高壓電纜到井底2號(hào)中央變電所。將原來(lái)從山頂電站到井底的2條YJV2-6000-3×50高壓電纜并聯(lián)到1號(hào)中央變電所作為備用電纜。

5 結(jié) 論

據(jù)監(jiān)測(cè),四會(huì)石膏礦一號(hào)井正常涌水量為439 m3/h,最大涌水量為540 m3/h,井下已安裝的5組10臺(tái)水泵,能同時(shí)抽水,5臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行的排水能力是1130 m3/h,9.3 h排完正常涌水量,11.5 h排完最大涌水量;10臺(tái)水泵同時(shí)啟動(dòng)聯(lián)合抽水的排水能力是1570 m3/h;啟動(dòng)任何3趟排水管中的3臺(tái)抽水泵抽水,都能在20 h內(nèi)排完最大涌水量。青岐石膏礦和四會(huì)石膏礦一號(hào)井均已停止開(kāi)采,井下采空區(qū)不再受到開(kāi)采擾動(dòng)的影響,井下涌水將保持穩(wěn)定甚至逐步減少,不會(huì)出現(xiàn)突然增大的情況。因此,一號(hào)井的排水設(shè)施是安全的。

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[3]廖汶景.石膏礦采空區(qū)積水對(duì)礦柱穩(wěn)定的影響分析[J].采礦技術(shù),2009,9(3):52-53.

2012-04-17)

詹詩(shī)飛(1969-),男,安徽太湖人,地質(zhì)工程師,從事地質(zhì)勘探開(kāi)采工作,Email:zsfbhw@163.com。