杜秀明

(鄂爾多斯市神東工程設(shè)計(jì)有限公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

哈拉溝煤礦下水平開采接續(xù)中，由于2-2煤采空區(qū)積水面積廣、水量大，對3-1煤開采會產(chǎn)生較大的安全隱患，可能會導(dǎo)致井下發(fā)生突水事故，因此，井下排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。對此，以安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了礦井3-1煤開采綜合排水系統(tǒng)，充分利用采空區(qū)儲水，將部分涌水注入采空區(qū)，進(jìn)行沉淀過慮后重復(fù)利用。這樣可以有效地降低地面污水處理廠的處理能力，提高井下水利用率，節(jié)約能源。

1 現(xiàn)狀及3-1煤排水方案

1.1 礦井水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)：哈拉溝煤礦主要充水水源為地表水(大氣降水)、孔隙水(薩拉烏蘇組含水層潛水)、鉆孔水、燒變巖水和老空水，其中地表水、孔隙水和老空水是該礦3種最主要的水害隱患。雨季時(shí)的瞬時(shí)暴雨，可能沿小窯井口、塌陷裂隙等進(jìn)水通道潰入井下，使礦井涌水量迅速變大，造成潰水或其他事故，對礦井安全開采影響較大。

涌水量預(yù)測：礦井下水平3-1煤投產(chǎn)后，礦井總共布置2個綜采工作面，分別位于3-1煤一盤區(qū)和四盤區(qū)。3-1煤開采時(shí)預(yù)計(jì)全礦正常涌水量為525.62 m3/h，最大涌水量為587.36 m3/h，其中3-1煤正常涌水量為360.62 m3/h，最大涌水量為402.36 m3/h，2-2煤正常涌水量約為165 m3/h，最大涌水量為185 m3/h；3-1煤一盤區(qū)開采時(shí)，正常涌水量為151.16 m3/h，最大涌水量為187.4 m3/h；3-1煤四盤區(qū)開采時(shí)，正常涌水量為209.46 m3/h，最大涌水量為214.96 m3/h。

1.2 礦井排水現(xiàn)狀

礦井現(xiàn)在采用直接排水方式，由2個中央排水泵房直接外排至地面污水處理廠。其中，在2-1煤主斜井井底設(shè)有1號中央排水泵房，泵房內(nèi)安裝3臺MD280-43×3主排水泵(電機(jī)功率160 kW，流量280 m3/h，揚(yáng)程129 m)，安裝有兩趟D219主排水管路，通過主斜井，直接排至地面污水片理廠；在回風(fēng)立井井底設(shè)有2號排水泵房，泵房內(nèi)安裝5臺MD280-43×4的水泵(電機(jī)功率220 kW，流量280 m3/h，揚(yáng)程172 m)，安裝有兩趟D325主排水管路，通中中央膠運(yùn)大巷，可直接通過鉆孔排至地面污水處理廠，也可在中央膠運(yùn)大巷2-1聯(lián)巷處注入11-14采空區(qū)。2座中央排水泵房負(fù)責(zé)全礦井的排水任務(wù)。

1.3 3-1煤排水方案

結(jié)合涌水量數(shù)據(jù)及3-1煤水平延深開拓布置方案，考慮到3-1煤投產(chǎn)后，2-1煤將陸續(xù)封閉。因此，設(shè)計(jì)在3-1煤井底設(shè)置3-1煤中央排水泵房，負(fù)責(zé)后期全礦井的排水任務(wù)；在3-1煤大巷與3-1煤三盤區(qū)大巷交接處設(shè)置3-1煤盤區(qū)排水泵房，負(fù)責(zé)3-1煤三盤區(qū)或四盤區(qū)開采時(shí)的排水任務(wù)，同時(shí)考慮到礦井地面污水處理廠處理能力(約200 m3/h)有限且3-1煤開采初期水量較大，從節(jié)約投資、降低成本等方面考慮，3-1煤開采初期需將部分涌水(約170 m3/h)通過臨時(shí)排水系統(tǒng)將水注入2-2煤二盤區(qū)采空區(qū)，剩余涌水(約190 m3/h)排至地面污水處理廠。待2-2煤全封閉后，3-1煤涌水可利用3-1煤下水平己形成的采空區(qū)進(jìn)行沉淀過濾，過濾后的部分清水除井下生產(chǎn)、消防自用外，其余涌水外排至地面污水處理廠溢流池。

1.4 排水能力校核

根據(jù)3-1煤排水方案，3-1煤開采初期將有約170 m3/h涌水注入2-2煤采空區(qū)，此時(shí)2-2煤正常涌水量有170+165=335 m3/h，最大涌水量共有170+185=355 m3/h，同時(shí)考慮到3-1煤生產(chǎn)期間將消耗一部分2-2煤采空區(qū)復(fù)用水約150 m3/h，最終2-2煤正常涌水量約為335-150=185 m3/h，最大涌水量約為355-150=205 m3/h。而2-2煤1號中央水泵房正常排水能力約為280 m3/h>185×1.2=222 m3/h，最大排水能力560 m3/h>205×1.2=246 m3/h。因此，3-1煤開采初期部分涌水注入2-2煤采空區(qū)，現(xiàn)有2-2煤排水系統(tǒng)能力經(jīng)以上校核滿足排水需求。

2 排水設(shè)備

2.1 排水泵房設(shè)備選型

設(shè)計(jì)依據(jù)：①《涌水量資料報(bào)告》；②《煤礦安全規(guī)程》(2016年版)；③《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBT 50451-2017)；④新建3-1煤中央排水泵房底板標(biāo)高+1 065.20 m；地面污水處理廠標(biāo)高+1 184 m；⑤排水路線從3-1煤中央排水泵房-鉆孔-地面污水處理廠，單趟排水管路長度700 m。

排水設(shè)備方案：①方案一。啟泵方式采用真空泵抽真空啟泵，選MD450-60×3耐磨性離心泵3臺，配套2臺SZ-3J真空泵；水泵主要參數(shù)Q=450 m3/h、H=180 m、YB2-4502-4/400 kW/10kV(防爆)；泵房安裝兩趟D325×9主排管路。工作制度：正涌涌水時(shí)，1臺工作、1臺備用、1臺檢修，一趟D325×9管路工作；最大涌水時(shí)，2臺工作、1臺備用/檢修，兩趟D325×9管路工作；②方案二。選用潛水電泵，直接啟泵、配電系統(tǒng)設(shè)在地面，電源取自地面風(fēng)井場區(qū)35 kV變電站，電纜通過鉆孔接入泵房；泵房選BQ550-170/2-450/W-S10 kV，潛水電泵3臺，水泵主要參數(shù)Q=550 m3/h、H=170 m、YB2-450 kW(防爆)；泵房安裝兩趟D325×9主排管路；正涌涌水量時(shí)，1臺工作、1臺備用、1臺檢修，一趟D325×9管路工作；最大涌水量時(shí)，2臺工作、1臺備用/檢修，兩趟D325×9管路工作；③方案三。選用IS150-100-380(LXH)型離心泵5臺，配套2臺SZ-3J真空泵，水泵主要參數(shù)Q=218 m3/h、H=170 m、配套電機(jī)功率200 kW；泵房安裝三趟D273×7主排管路。工作制度：正涌涌水量時(shí)，2臺工作、2臺備用、1臺檢修，兩趟D273×7管路工作；最大涌水量時(shí)，3臺工作、2臺備用/檢修，三趟D273×7管路工作。

方案比選：3個方案經(jīng)過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知，方案一和方案三的水泵均具有汽蝕性能好，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，均可滿足礦井排水需要。但方案一所選水泵綜合費(fèi)用相對較低且從水泵的軸功率、揚(yáng)程及設(shè)備總投資方面考慮方案一的綜合排水效率明顯優(yōu)于方案二及方案三。方案二所選水泵為潛水電泵，泵房硐室施工較為簡單，但設(shè)備投資費(fèi)用較高，水泵尺寸較大，檢修不方便。方案三所選水泵為恒壓單級離心泵，水泵揚(yáng)程不會因?yàn)樗贸隹诹髁孔兇蠖鴫毫ψ冃。孟鄬?bào)價(jià)過高，數(shù)量較多且水泵市場使用率較小；因此從節(jié)能降耗及設(shè)備穩(wěn)定性等因素綜合考慮，故設(shè)計(jì)推薦采用方案一。

2.2 推薦方案的選型計(jì)算

排水設(shè)備能力：

排水量

QB≥24×QZ÷20=1.2×360.62=432.74 m3/h

QBmax≥24×Qmax÷20=1.2×402.36=482.832 m3/h

水泵必須的楊程：

根據(jù)計(jì)算所得，當(dāng)流量為432.74 m3/h，管路公稱管徑為325 mm(壁厚為9 mm)時(shí)，流速為1.71 m/s，水力坡度為i=0.014 7。

HB=L×i+HC=700×0.014 7×1.1+118.8+5=135.12 m

管路阻力系數(shù)(考慮新管和結(jié)垢后的管路)：

新管時(shí)，揚(yáng)程，H=Hc+kRtQ2=118.8+1×204.8×0.125=144.4 m

舊管時(shí)，揚(yáng)程，H=Hc+kRtQ2=118.8+1.7×204.8×0.125=162.3 m

允許吸水高度：

電動機(jī)容量：

校驗(yàn)水泵的穩(wěn)定性：滿足0.9H0>HC條件。

式中：H0—DIU零流量時(shí)的揚(yáng)程。

代入得：0.9×180=162>HC=118.8m，滿足穩(wěn)定要求。

排水管路壁厚的計(jì)算：

δ=δ′+c=δ′+0.15×(δ′+1)=0.52

同時(shí)考慮管路受腐蝕及管路制造有誤差等因素，附加厚度可取，α=1～2 mm。經(jīng)計(jì)算，排水管選用D325×9 mm型無縫鋼管，吸水管選用D325×9.0 mm型無縫鋼管。

排水時(shí)間校驗(yàn)：

正常涌水時(shí)，水泵工作1臺：

新管T=24×360.62/560.3=15.45 h<20 h

舊管T=24×360.62/492.5=17.57 h<20 h

最大涌水時(shí)，水泵工作2臺：

新管T=24×402.36/560.3/2=8.62 h<20 h

舊管T=24×402.36/492.5/2=9.81 h<20 h

年排水電耗：

排水初期

排水后期

噸煤排水電耗：

排水初期

排水后期

配套設(shè)備：主水泵房配套2臺SZ-3J型真空泵，實(shí)現(xiàn)水泵無底閥排水，降低能耗。水泵啟動前先關(guān)閉電動閘閥，再開啟真空泵，使水泵吸水管及泵腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓后再啟動電機(jī)，開電動閘閥；停泵時(shí)，先關(guān)閉電動閘閥，然后再斷電停水泵電機(jī)。為防止或減輕“水錘”現(xiàn)象對泵體內(nèi)部的沖擊采用多功能水泵控制閥。

2.3 盤區(qū)排水泵房

盤區(qū)泵房位置：根據(jù)3-1煤開拓布置、煤層賦存條件、開采技術(shù)條件及首采工作面布置情況、底板等高線并結(jié)合3-1煤中央排水泵房位置，設(shè)計(jì)在3-1煤大巷末端附近設(shè)置3-1煤盤區(qū)水泵房。3-1煤中央排水泵房底板標(biāo)高 +1 065.20 m；3-1煤盤區(qū)排水泵房底板標(biāo)高：+1 094.83 m。

確定水泵臺數(shù)：選擇排水泵為MD280-43×2多級耐磨離心泵3臺；正常涌水時(shí)，1臺工作；1臺備用；1臺檢修；最大涌水時(shí)，2臺工作；1臺備用/檢修。為了實(shí)現(xiàn)泵房內(nèi)的自動化控制，在泵房內(nèi)安裝真空泵2臺與排水泵配合使用，其型號為：SZ-3J。

2.4 排水管路敷設(shè)

鉆孔管路：鉆孔管路設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)鉆孔柱狀圖及采掘工程平面圖進(jìn)行。地表松散層要設(shè)置大于排水管路一級的套管，且要深入正?；鶐r2 m，正?；鶐r不設(shè)置套管。管與孔壁之間、管與管之間要用水泥砂漿充填密實(shí)。鉆孔中的各管路均采用等強(qiáng)對接焊接且焊縫質(zhì)量等級不小于Ⅲ級，焊縫高度不小于鋼管壁厚。

大巷排水管路：在3-1煤輔運(yùn)大巷和回風(fēng)大巷各敷設(shè)一趟D108×4的臨時(shí)排水管路；在3-1煤主運(yùn)大巷敷設(shè)兩趟D273×7主排水管路及一趟D108×4的臨時(shí)排水管路；3條大巷淋水通過大巷臨時(shí)設(shè)置的小潛水泵(功率45 kW，流量100 m3/h，揚(yáng)程80 m)直接將水排至3-1煤中央水泵房水倉。

3 采空區(qū)儲水工程

3.1 采空區(qū)儲水

針對礦區(qū)水資源短缺及礦井水排放受限的實(shí)際情況，哈拉溝煤礦3-1煤開采時(shí)，初期要將一部分涌水注入2-2煤二盤區(qū)采空區(qū)，后期將利用3-1煤己形成的采空區(qū)進(jìn)行礦井水儲存，并經(jīng)沉淀過濾，進(jìn)行綜合利用。采空區(qū)儲水時(shí)要利用已完成的綜采采空區(qū)，根據(jù)煤層底板的傾斜形態(tài)由低處向高處布置，在低處要設(shè)置防水密閉，預(yù)留泄水口，進(jìn)行復(fù)用或外排。還必須考慮儲水范圍、儲水高度、蓄水量、煤柱留設(shè)、防水密閉的建設(shè)、監(jiān)控裝置等。在進(jìn)行儲水位置的選擇時(shí)，要全局規(guī)劃，綜合考慮，采空區(qū)要形成適當(dāng)?shù)囊?guī)模，確保儲水的連續(xù)性。且儲水區(qū)必須遠(yuǎn)離目前開采區(qū)及房采區(qū)。

3.2 防水密閉墻

礦井水通過采空區(qū)儲水復(fù)用前，要在采空區(qū)與生產(chǎn)區(qū)之間選擇適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置隔離采空區(qū)儲水區(qū)域的防水密閉墻。防水墻的位置應(yīng)結(jié)合哈拉溝煤礦的地質(zhì)條件、采空區(qū)儲水區(qū)空間、采空區(qū)和生產(chǎn)區(qū)位置等因素進(jìn)行綜合考慮，應(yīng)選擇在堅(jiān)硬、致密、穩(wěn)定的煤層或巖層中，有沖擊地壓的區(qū)域不應(yīng)設(shè)置防水密閉墻硐室。防水密閉墻的巷道前后方有巷道或采空區(qū)圍巖破碎或有破壞擾動時(shí)，應(yīng)對墻體周圍的圍巖進(jìn)行注漿加固，使密閉墻墻體與圍巖形成整體，同時(shí)封堵圍巖裂隙，提高圍巖的完整性和強(qiáng)度。

3.3 采空區(qū)水利用

為了有效提高礦井水資源化水平，對井下污水進(jìn)行再利用。由于采煤設(shè)備對水質(zhì)要求較高，采空區(qū)水沉淀過濾后直接使用，對設(shè)備損壞較大，故障率也會提升。而直接在地面處理后再排至井下使用，會使流程復(fù)雜化，成本也會增加。所以需要對采空區(qū)水進(jìn)行井下處理就地復(fù)用。目前哈拉溝煤礦2-2煤已建成一座除鐵、除錳的水凈化處理裝置。該裝置主要工作原理為：采空區(qū)水沉淀過濾后經(jīng)原水泵將清水注入處理裝置中，在此過程中，要通過加藥裝置將氧化劑經(jīng)風(fēng)壓和清水?dāng)嚢杈鶆蚝笠黄鹋c清水注入處理裝置，再結(jié)合處理裝置中的天然錳砂、石英砂、無煙煤、濾料將水中鐵、錳離子去除。去除后的水通過靜壓流入清水池，然后經(jīng)加壓泵房加壓后給工作面生產(chǎn)用水及巷道消防用水。

4 結(jié)語

通過哈拉溝煤礦3-1煤主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了3-1煤開采時(shí)整個系統(tǒng)的可靠性和安全性，在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，充分利用采空區(qū)儲水，經(jīng)沉淀過濾后井下復(fù)用。減輕了地面污水處理的能力，降低對淡水資源的使用，推動了煤炭排水領(lǐng)域的發(fā)展，解決了礦區(qū)水資源緊缺的難題。