李楼煤矿矿井抗灾排水系统设计优化

王中亮，刘海泉，王振虹

(通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250031)

随着我国煤炭资源的持续开采，开采活动逐步向深部发展，矿井水文地质条件越发复杂，水害隐患问题越发突出[1-4]。煤矿井下排水系统是矿井安全生产的重要环节，尤其对水文地质条件复杂、极复杂或者有突水危险的矿井，其受水害威胁程度大，按相关规程规范要求应在正常排水系统的基础上布置防水闸门或矿井抗灾排水系统，两者在我国煤矿均已得到广泛应用[5-14]。根据李楼煤矿资源赋存及开拓开采情况，矿井大部分区域为下山开采，因此在井底车场周围布置防水闸门对矿井防治水工作的意义不大。目前，高扬程、大排量的潜水泵已在我国煤矿得到广泛使用，突水发生时能尽快将井下涌水排至地面，且其配电及控制设备设在地面，不受井下突水的影响[15-20]。因此，为提高矿井排水安全程度，增加抵御水患灾害能力，需对李楼煤矿矿井抗灾排水系统进行设计优化。

1 矿井概况

李楼煤矿位于山东省郓城县，隶属山东能源龙口矿业集团，井田面积198km2，于2017年1月建成投产，设计生产能力240万t/a。矿井采用立井单水平开拓方式，水平标高-845m，布置主井、副井、风井3个井筒。矿井正常涌水量大于600m3/h，最大涌水量2000m3/h，水文地质类型为复杂型。矿井已建成井下正常排水系统，包括主排水泵房、扩建排水泵房、水仓和管子道等。主排水泵房内安装7台MD420型离心泵，3用3备1检修，单台排水量420m3/h。扩建排水泵房内安装5台MD420型离心泵，单台水泵排水量420m3/h，作为应急排水使用。水仓为三环布置，分为1号、2号、3号水仓，总容量8840m3。主排水管路为5趟∅325mm×23mm无缝钢管(副井3趟、主井2趟)，正常涌水时2用2备，最大涌水时4趟工作。李楼煤矿现有正常排水系统布置如图1所示。

图1 李楼煤矿现有正常排水系统布置

2 矿井抗灾排水系统设计方案

2.1 矿井抗灾排水系统布置选择

根据李楼煤矿开拓开采布局、现有正常排水系统布置、实际涌水量等情况，设计在井底车场内布置矿井抗灾排水系统。按照系统简单、工程量少、投资节省、对现有井巷影响小等设计原则，提出3个抗灾排水系统设计方案。各方案布置情况分别如图2—图4所示。

图2 矿井抗灾排水系统方案一布置(m)

图3 矿井抗灾排水系统方案二布置(m)

图4 矿井抗灾排水系统方案三布置(m)

方案一：“斜巷连接+卧式安装+底板布置”。矿井抗灾排水泵房布置在主排水泵房的南侧，通过20°斜巷与主排水泵房连通。抗灾排水泵房长50m，采用直墙半圆拱形断面，净宽×净高=4.6m×3.8m，净断面15.2m2，硐室底板标高低于主排水泵房6m。潜水泵为卧式安装，布置在抗灾排水泵房的底板上。

方案二：“底板挖槽+卧式安装+槽内布置”。矿井抗灾排水泵房布置在主排水泵房的南侧，通过平巷与主排水泵房连通。抗灾排水泵房长40m，采用直墙半圆拱形断面，净宽×净高=5.4m×4.2m，净断面19.6m2，硐室底板标高与主排水泵房相同；并在硐室底板上挖槽，槽宽×深=3.0m×5.7m，净断面17.1m2。潜水泵为卧式安装，布置在抗灾排水泵房底板挖槽中。

方案三：“暗立井+立式安装+悬吊布置”。矿井抗灾排水泵房布置在主变电所硐室的西部，为暗立井布置方式。抗灾排水泵房长度43m，采用圆形断面，净直径5.5m，净断面23.8m2，硐室标高低于主排水泵房。潜水泵为立式安装，悬吊布置在暗立井内。

三种方案对比情况见表1，通过比较，方案一巷道掘进体积最小，投资最少，但水泵为卧式布置，沉积物清理工作多，故障率较高。方案二巷道长度较短，但需在硐室底板开挖地槽，井巷整体掘进体积较大，且水泵检修时需先悬吊至地槽外，工序复杂。方案三中水泵为立式布置，设备工况好，但方案掘进工程量最大，且暗立井施工速度慢，项目整体工期较长。经综合考虑，设计推荐方案一。

表1 矿井抗灾排水系统方案对比

2.2 矿井抗灾排水系统设备选择

矿井副井井口标高+46.5m，井底水平标高-845.0m，按最大涌水量2000m3/h设防。根据国内外矿用多级潜水泵产品规格及使用情况调研，结合矿井涌水量及排水高度情况，针对矿井抗灾排水系统设备提出两个选型方案。

1)方案一：选用4台BQ550型矿用潜水泵，额定流量550m3/h，扬程1105m，配10kV、2500kW矿用隔爆型潜水电机。排水管路为4趟∅325mm×23mm型无缝钢管。供电电源引自地面副井口新增抗灾变电所，由4条电缆供电，通过副井至井下。方案设备投资约880万元。

2)方案二：选用8台BQ275型矿用潜水泵，额定流量275m3/h，扬程1143m，配10kV、1400kW矿用隔爆型潜水电机。排水管路为4趟∅325mm×23mm型无缝钢管。供电电源引自地面110kV变电站，由8条电缆供电，通过副井至井下。方案设备投资约1360万元。

两个方案的排水能力均为2200m3/h，大于矿井最大涌水量2000m3/h，满足相关要求。方案一设备台数少，所需供电电缆少，设备总投资较低，且设备安装硐室宽度小，便于巷道施工和设备检修；但水泵电机功率大，设备启动时对矿井电网冲击较大。方案二设备台数多，下井电缆条数多，总投资额较高，且设备安装硐室宽度大，不利于硐室的施工和支护。经综合比较，推荐采用方案一。

2.3 排水管路布置

2.3.1 管路用途及数量

矿井共有3个井筒，井筒内现布置5趟排水管(副井3趟、主井2趟)，且同时已安装其他各类设备、管路和电缆等，如再新增排水管的施工难度较大。因此，设计新增地面钻孔实现矿井水直排。为减少井筒内排水管的散热影响，设计将井筒内的正常排水管改为抗灾排水系统的管路使用，新增地面钻孔的排水管改为正常排水使用。

矿井主排水泵房内现布置7台水泵(3用3备1检修)，设计2台水泵合用1趟排水管进行排水，因此需增设2个地面钻孔、敷设2趟排水管。但由于矿井实际涌水量较大，井下正常排水系统已安装12台水泵，水泵排水能力充足，矿井排水能力主要受排水管路的限制。因此，为提升矿井排水系统能力，设计再增加1个地面钻孔。即矿井新增布置3个地面排水钻孔，孔内各布置1趟∅325mm排水管，将井下正常排水系统内的积水通过钻孔排至地面。

2.3.2 钻孔位置及参数

根据选定的井下抗灾排水泵房位置和排水要求，结合矿井工业场地和井下巷道布置，设计在副井调车场附近新布置3个地面排水钻孔，其东南方向约100m处即为矿井水处理站。钻孔至标高-835m与井下管子道相连通。钻孔孔底与井底车场巷道的最小净岩柱为18m，符合最小间距的相关要求。钻孔直径∅450mm，孔深881.5m。钻孔采用反井钻机施工，待管路安装完毕后用砂浆将排水钻孔充填密实。

2.4 抗灾排水设备选型设计

2.4.1 排水设备确定

水泵扬程H0计算见式(1)。

H0=K(Hp+Hx)=1085.4m

(1)

式中，Hp为排水高度，取896.5m；Hx为吸水高度，取8.0m；K为管路损失系数，取1.2。

因此，选定潜水泵的总扬程为1105m，大于1085.4m，符合要求。

2.4.2 需要水泵台数

水泵台数Zr计算见式(2)。

Zr=Qmax/Qp=3.6台

(2)

式中，Qmax为矿井最大涌水量，取2000m3/h；Qp为水泵排水量，取550m3/h。

因此，水泵台数取4台。

2.4.3 排水管管壁厚度

管壁厚度δ计算见式(3)。

(3)

式中，Dg为排水管径，取325mm；Pk为需用应力，取80MPa；Pg为应力，取10MPa；a为附加厚度，取0.2cm。

因此，主、副井筒内现有的D325mm×23mm型无缝钢管路满足要求。

2.4.4 水泵管网特性计算

管路流速vp计算见式(4)。

vp=4Qp/(3600×π×D2)=2.5m/s

(4)

式中，D为水管内径，取0.279m。

排水管阻力损失Pg计算见式(5)。

(5)

式中，φ1为速度压头系数，取1；φ2为直管阻力系数，φ2=λLd/Dg=97.1；φ3为逆止阀阻力系数，取10；n3为逆止阀数量，取1；φ4为弯管阻力系数，取1；n4为弯管数量，取8；vp为排水管流速，取2.5m/s；g为重力加速度，9.8m/s2；Ld为排水管路总长度，取1200m；λ为水与管壁的阻力系数，取0.0263。

根据排水系统运行理论，管网阻力特性方程计算见式(6)。

H=HS+RQ2

(6)

因此，新管(未淤积)、旧管(淤积)时，管网特性曲线见式(7)。

(7)

根据管路特性曲线和水泵性能曲线求得工况点参数，如图5所示。图中，旧管工况点M1：Qm1=550m3/h，Hm1=1105m，ηm1=79%；新管工况点M2：Qm2=630m3/h，Hm2=964m，ηm2=78%。

图5 水泵及管路特性曲线

2.4.5 电动机容量

水泵电机功率N计算见式(8)。

N=kγ水QmHm/(3600×102ηm)

(8)

式中，k为备用系数，取1.1；γ水为矿井水的比重，取1050kg/m3：Qm为工况点流量，m3/h；Hm为工况点扬程，m；ηm为效率。

经计算，新管N1=2226kW，旧管N2=2199kW。因此采用2500kW、10kV电动机可以满足要求。

3 巷道支护方式

根据矿井井筒检查钻孔资料，井底车场硐室位于3煤层顶板，处在稳定的中细砂岩中，实测抗压强度为65～85MPa，强度指数50～70MPa，属中等坚硬～坚硬岩层，岩性较好，利于巷道支护。根据李楼煤矿抗灾排水系统硐室设备布置需要、井下巷道围岩性质及《煤矿巷道断面和交岔点设计规范》(GB 50419)等相关要求，确定井下抗灾排水泵房硐室采用直墙半圆拱形断面，净宽×净高=4.6m×3.8m，净断面19.6m2。硐室采用“锚网喷+锚索+钢筋混凝土砌碹”支护方式，喷射混凝土厚度100mm，钢筋混凝土砌碹厚度400mm，铺底厚度100mm。锚杆规格∅22mm×2500mm，间排距800mm×800mm；锚索规格∅21.6mm×7300/4300mm，间排距1800/1400mm×1000mm。钢筋网采用∅6.5mm圆钢制作。硐室断面尺寸及支护参数如图6所示。

图6 抗灾排水泵房硐室断面及支护(mm)

4 应用效果

李楼煤矿井下矿井抗灾排水系统硐室内安装4台BQ550-1105/13-2500W-S矿用多级隔爆型潜水泵，工作方式为2泵1管，水泵采用卧式安装方式，布置在硐室底板上。将主、副井筒内∅325mm排水管改为抗灾排水管路使用，用于排出井下突水；新增3趟地面钻孔作为正常排水使用，孔内各布置1趟∅325mm排水管。副井内新增4回路矿用钢丝铠装电力电缆。矿井抗灾排水系统工程施工完成后，由副井井口抗灾配电所实现对潜水泵启停的远程控制，潜水泵运行状态良好，极大提高了矿井应对突水事故发生的排水能力。设备需检修时，通过拆除与潜水泵连接端的可拆卸段，即可将潜水泵提至井下主排水泵房内进行检修维护。抗灾排水泵房内的淤泥通过矿车定期清理。

5 结 语

针对李楼煤矿复杂水文地质条件及矿井排水系统现状，确定在正常排水系统的基础上新增矿井抗灾排水系统。设计提出了“斜巷连接+卧式安装+底板布置”抗灾排水系统布置方案，并确定了水泵、管路设备选型及布置方式，针对性地设计了井下抗灾排水泵房硐室支护参数，现场施工及后期运行表明设计方案合理可行，可以从根本上提高矿井排水能力，提升矿井抵御水害的水平。