矿井排水系统优化方式研究.pdf

第 卷第 期 年 月 中 国 锰 业 .收稿日期:作者简介:姚炯()男湖南娄底人工程师主要从事采矿设计等工作矿井排水系统优化方式研究姚 炯李典雨(长沙矿山研究院有限责任公司湖南 长沙)摘 要:为解决某矿现有六级接力排水系统复杂、级数过多、排水效率低等问题研究根据井下涌水量情况结合现有排水系统布置提出了多个优化方案 通过方案对比研究选用四级接力排水方案利用现有 和 水泵房及排水设备对 和 水泵房及排水设备进行改造 采用 软件对 和 中段排水系统进行模拟分析确定了 水泵房和 水泵房内排水设备型号得出了水泵正常运行时的工况点参数 研究结果表明:优化后排水系统相对简单截流效果好系统效率较优化前提高了 使矿山更加高效节能进一步促进了矿山的绿色发展 采用 软件模拟代替传统计算能更快速有效地得出排水设备相关参数为矿山排水系统优化设计提供一种全新的计算模式关键词:排水系统泵房改造软件模拟高效节能中图分类号:文献标识码:./.前 言随着我国采矿技术的持续优化与提升安全、环保、高效的发展理念已成为我国矿山行业的主流导向 在此过程中矿山井下排水系统的建设不可避免地扮演了关键的角色 某矿现采用竖井开拓水文地质条件中等建矿至今已有 余年先后经历了多次竖井延伸和改扩建工程导致矿山现有井下排水系统处于六级接力排水 该排水系统存在级数较多、水泵耗电量大、难以管理维护等问题加之排水管路使用年限过长管道内壁结垢严重管阻增大严重影响了排水系统效率为确保矿山安全生产降低排水系统能耗提高效率本文在综合考虑先进性、经济性、维护便利性等因素下结合矿山实际情况对现有排水系统进行优化并提出了多种优化方案 通过建设工期经济性及优缺点等方面的对比分析最终确定四级接力排水作为矿山主排水系统 该主排水系统科学合理简单可靠高效节能对矿山发展具有一定的借鉴意义 矿井概况.矿井基本情况矿山于 年建矿至今先后经历 次改扩建工程现采用竖井开拓先后建有老主井、主井、主井等多个竖井工程 目前矿山采选生产能力为/采矿标高为 水平但根据矿山实际情况仅延伸至 .井下涌水量该矿山水文地质条件中等 矿区位于当地侵蚀基准面以下主要充水含水层属于以裂隙为主的裂隙 岩溶含水岩组富水性弱 中等地表水体长江水、九乡河水与矿坑水之间无水力联系且本矿段未见富水和导水断裂局部见构造控制型小溶洞有少量渗水 矿区含水体呈狭长廊道式地下水补给源不足 本文根据矿山实测涌水量情况并通过比拟法计算预测全矿井下正常涌水量为 /最大涌水量为 /采矿生产废水量为/充填泌水量为 /同时在 和 中段存在涌水量突变情况第 期姚炯等:矿井排水系统优化方式研究.排水系统现状目前矿山井下排水系统采用机械排水矿区最低排水标高为 最高为 现已在 中段设有水泵房及水仓形成六级接力排水 中段水泵房及水仓处于在建状态各水泵房内均配置 台耐磨多级离心泵如表 所示 同时矿山现采用 趟 型无缝钢管作为排水管路具体排水系统如图 所示表 各中段水泵房内配置及水仓容积水泵房水泵型号台数排水量/()扬程/功率/水仓容积/水泵房 水泵房 水泵房 水泵房 水泵房 水泵房 -725 m水泵房和水仓井底水窝潜水泵-725 m-763 m井底水窝潜水泵-763 m水泵房和水仓（在建）井底水窝潜水泵-475 m水泵房和水仓井底水窝潜水泵-475 m井底水窝潜水泵-625 m水泵房和水仓井底水窝潜水泵井底水窝潜水泵-575 m-625 m-525 m-425 m-375 m-325 m-275 m-225 m-175 m-675 m-125 m水泵房和水仓至选厂-325 m水泵房和水仓-125 m-75 m14 m水池+14 m平硐口充填站+14 m新平硐栖霞寺硐口老主井+14 m主井-475 m主井+14 m图 矿山现有排水系统 主排水系统优化方案.优化方案根据矿山实际生产情况结合现有排水系统布置 从排水扬程、管道承压等级、水锤效应以及国内水泵厂家技术含量等多个方面考虑并遵循尽可能地利用现有设备降低投入成本为原则 本文选用多级接力排水并提出 种优化方案)方案一:采用两级接力排水改造 和 水泵房及排水设备 井下涌水由 水泵房 水泵房明镜湖/水池 新打 排水钻孔并新增 趟排水管中 国 锰 业第 卷路管路沿排水钻孔敷设一趟最终排至明镜湖一趟排至 水池)方案二:采用三级接力排水改造 、和 水泵房及排水设备 井下涌水由 水泵房 水泵房 水泵房明镜湖/水池 以下中段排水管利用旧管 以上中段新打排水钻孔新增 趟排水管路管路沿 盲斜井、主井、主井及排水钻孔敷设一趟最终排至明镜湖一趟排至 水池)方案三:采用四级接力排水 和 水泵房利用旧排水设备改造 和 水泵房及排水设备 井下涌水由 水泵房 水泵房 水泵房 水泵房明镜湖/水池 排水管路布置与方案二基本一致.对比分析在建设工期、经济性及优缺点等多个方面对 种优化方案进行对比具体见表 和表 由表可知方案一排水级数最少仅采用两级接力排水但成本高、工期长且未考虑在 中段涌水量突变的情况井下截流效果相对较差 方案二为三级接力排水井下截流效果相对较好但 个水泵房均需改造投资相对较大工期相对较长 方案三为四级接力排水较现有六级接力排水有明显改观且根据矿山实际情况四级接力排水更符合矿山现有生产条件 同时方案三对井下涌水量截流效果相对较好整体投资低排水系统安全可靠经济性好排水系统优化施工时对现有生产系统干扰程度最小 综上所述本文推荐选用方案三表 主排水系统优化方案内容对比方案改造工程主要排水设备投资/万元 工期/方案一(两级)改造 水泵房及至明镜湖/水池排水管路采用管径 管路均通过钻孔敷设排水管钻孔深 孔径 改造 水泵房及 水泵房采用管径 水泵房排水设备新增 台 型水泵单台流量 /扬程 电机功率 /水泵房排水设备新增 台 型水泵单台流量 /扬程 电机功率 /.方案二(三级)改造 、和 水泵房改造 水泵房至明镜湖/水池排水管路采用管径 通过钻孔敷设排 水管钻 孔 深 孔 径 水泵房排水设备新增 台 型水泵单台流量 /扬程 电机功率 /水泵房排水设备:新增 台 型水泵单台流量 /扬程 电机功率 /和 水泵房利用旧排水设备.方案三(四级)改造 和 水泵房改造 水泵房至明镜湖/水池排水管路采用管径 通过钻孔敷设排水管钻孔深 孔径 水泵房排水设备新增 台 型水泵单台流量 /扬程 电机功率 /和 水泵房均利用旧排水设备 水泵房排水设备新增 台 型水泵单台流量/扬程 电机功率 /.表 主排水系统优化方案优缺点对比排水级数涌水量改造工程经济性方案一两级接力排水效率最高、能耗最小最有利于排水设备管理与维护本方案未考虑 中段涌水突变情况实际运行时经济性差 和 水泵房及排水设备需进行改造整套排水管路均需更换工期长总投资大方案二三级接力相对高效、节能有利于排水设备管理与维护能够较好地进行截排水所有水泵房及排水设备以及 以上管网进行均需改造工期相对较长总投资相对较大方案三四级接力排水效率相对较低但较现有排水系统改观明显能够很好地进行截排水实际运行时有利于排水系统节能仅需对 和 水泵房以及 以上管网进行改造工期短总投资低.方案三水泵选型验证根据矿山实际抽排水记录现有各中段排水设备可满足生产要求 为进一步验证排水设备型号并计算其工况点参数本文采用 软件代替传统理论计算对 和 中段排水系统进行模拟分析结果如图 和图 所示 由图 可知 中段水泵房内单台水泵正常工作时其工况点流量为./扬程为 功率为 水泵效率第 期姚炯等:矿井排水系统优化方式研究为 由图 可知 中段水泵房内单台水泵正常工作时其工况点流量为./扬程为.功率为.水泵效率为 水泵曲线系统曲线效率曲线流量/(m3h-1)03060901201501802105004504003503002502001501005001009080706050403020100扬程/m效率/%图 水泵房内单台水泵运行工况21018015012090603001009080706050403020100020406080 100 120 140 160 180 200扬程/m效率/%流量/(m3h-1)水泵曲线系统曲线效率曲线图 水泵房内单台水泵运行工况 对 和 中段水泵房内工作水泵台数进行计算计算公式如下:()()式()中 为每天所需工作水泵台数 为单台水泵工况点流量/为涌水量正常涌水时取 /最大涌水时取 /为采矿生产废水量取 /为充填泌水量取/中段单台水泵工况点流量 为./中段单台水泵工况点流量 为./且根据金属非金属矿山安全规程()要求按一台水泵每天工作 计算 计算可知正常涌水时 中段所需工作水泵台数 为.取 即一用三备 中段所需工作水泵台数 为.取 即一用三备 最大涌水时 中段所需工作水泵台数为.取 即三用一备 中段所需工作水泵台数 为.取 即三用一备综上 和 中段水泵房分别选用 台 和 台 型耐磨多级离心泵可满足要求.方案三管网选型验证根据所选水泵的流量及工作台数对排水管路所需直径及壁厚进行计算计算公式如下:().()式()中为排水管所需要的内径 为工作水泵台数正常涌水时 取 最大涌水时 取.为单台水泵的流量取 /为排水管中的经济流速一般可取./最大不宜超过/式()中 为壁厚为管子内径取 为许用应力取 为管道最低点的压力为管道腐蚀及管道制造误差的附加厚度取 根据方案三所述排水线路 水泵房 水泵房排水管道最低点压力 取.水泵房 水泵房和 水泵房 水泵房排水管道最低点压力 取.水泵房明镜湖/水池排水管道最低点压力 取.根据上述公式计算可知正常涌水时所需排水管内径 为.最大涌水时所需排水管内径 为.现有 型无缝钢管可满足要求 此外 水泵房 水泵房排水管路壁厚 为.水泵房 水泵房和 水泵房 水泵房排水管路壁厚 为.水泵房明镜湖/水池排水管路壁厚为.综上 中段以下排水管路 型无缝钢管可利用旧管 中段及以上排水管路需更换为 型无缝钢管 应用效果.安全性分析矿山优化后主排水系统如图 所示该主排水中 国 锰 业第 卷系统完全符合金属非金属矿山安全规程()等相关规程规范 优化后主排水系统简单可靠对井下涌水量截流效果相对较好 排水管路布置整洁美观、规范合理可避免管线缠绕等问题 同时对原有排水管路进行检修清理或更换大大提高了排水管路效率解决了由排水管路损坏或内部结垢等带来的安全问题 此外各水泵房内设备均采用 系列水泵操作和检修难度均大幅度降低泵房内还配置有较先进的自动化控制系统在最大程度上减少了矿山人员配置避免了人员操作带来的失误提高了排水系统的准确性及安全可靠性为矿山生产提供了安全保障井底水窝潜水泵至选厂14 m水池+14 m平硐口充填站+14 m新平硐栖霞寺硐口+14 m-475 m-425 m-375 m-325 m-275 m-225 m-175 m-125 m-75 m+14 m主井井底水窝潜水泵-325 m水泵房和水仓-475 m水泵房和水仓4台MD155-306井底水窝潜水泵-725 m-575 m-625 m-525 m-675 m-763 m井底水窝潜水泵-763 m水泵房和水仓4台MD155-306井底水窝潜水泵-475 m主井-625 m水泵房和水仓4台MD155-306井底水窝潜水泵4台MD155-306排水钻孔图 栖霞山铅锌矿优化后主排水系统.能耗分析根据上述主排水系统优化方案对优化后的主排水系统进行能耗分析 排水系统效率可表示为:()式()中为排水系统效率 为水泵效率为水泵与电机之间的传动效率取.为电动机效率取.为管网效率 根据相关资料统计计算水泵及管网效率具体参数见表 表 各中段水泵房水泵及管网效率参数排水系统水泵位置水泵效率管网效率优化前排水系统 水泵房.水泵房.水泵房.水泵房.水泵房.水泵房.优化后排水系统 水泵房.水泵房.水泵房.水泵房.第 期姚炯等:矿井排水系统优化方式研究 将各中段水泵房看作一个小的排水系统根据式()对各中段水泵房排水系统效率进行计算结果如图 所示 由图 可知优化后主排水系统效率远高于优化前排水系统 此外将各中段水泵房排水系统效率按所需实际排水高度进行加权可知优化前整体排水系统效率为.优化后整体排水系统效率为.优化后整体排水系统效率提高优化后整体排水系统优化前整体排水系统整体排水系统泵房位置-125-325-475-625-725-763 m优化前各水泵房效率优化后各水泵房效率6560555045403530256560555045403530效率/%排水系统效率/%（a）（b）图 各级水泵房效率对比()及整体排水系统效率对比()为进一步分析优化后排水系统的能耗对吨水百米耗电进行分析:.()式()中为吨水百米电耗为电网效率取.计算后可知优化前、后排水系统吨水百米耗电分别为./()和./()优化后排水系统吨水百米耗电减少./()本文以全矿井下正常总涌水量为 /采矿生产废水量为 /充填泌水量为 /所需实际排水高度 为例 经计算可知优化前排水系统年耗电为.().()优化后排水系统年耗电为.().()因此按.元/()的电费进行计算 优化后排水系统每年可节省电费(.).(万元)结 论通过南京某铅锌矿井下涌水量和现有排水系统布置情况提出了多个排水优化方案并从建设工期、经济性及优缺点等方面进行对比分析得出方案三科学合理高效节能对矿山绿色发展具有一定的借鉴意义其具体结论如下:)采用四级接力排水方案 和 水泵房利用旧排水设备对 和 水泵房及排水设备进行改造)采用 软件代替传统手算进行模拟分析确定了 水泵房和 水泵房内排水设备型号并分析得出了水泵正常运行时的工况点参数大大节约了计算时间提高了参数的准确性)优化后排水系统简单可靠便于管理维护截流效果好且较优化前排水系统效率提高 吨水百米耗电减少./()每年可为矿山节省电费.万元参考文献:朱贵运.铅锌地下矿山新型排水系统研究与探索.世界有色金属():.李国安.矿山井下排水系统自动化控制分析.低碳世界():.张世楠.煤矿井下排水系统的优化设计.机械管理开发():.刘京涛高金龙祝国防.某矿三水平排水系统改造方案研究.煤炭技术():.朱元.矿井主排水系统扩容设计.陕西煤炭():.王祥军孙磊.新查庄公司矿井排水系统节能措施的研究和应用.山东煤炭科技():.耿景磊.和善煤矿井下排水系统优化方案比选.矿业装备():.曹亮.贾郭矿排水系统改造方案比选.当代化工研究():.孙露.大型煤矿盘区排水系统设计合理性探讨.煤炭与化工():.赵枝业.母杜柴登煤矿排水系统改造方案研究.山东煤炭科技():.种庆福.提高主排水系统效率的技术研究.中国设备工程():.王中亮刘海泉王振虹.李楼煤矿矿井抗灾排水系统设计优化.煤炭工程():.魏洋张迎春盛朝辉.煤矿井下大型抗灾排水泵房优化设计.陕西煤炭():.康晓龙.金龙矿主排水系统升级改造实践.科技资讯():.时珏.矿井排水系统智能化改造研究.能源与节能():.王永刚.岳城煤矿井下排水系统优化改造研究.能源与节能():.张猛李维熙.提高矿井主排水系统管网运行效率的探讨.给水排水():.张宁宁.矿山井下排水系统节能优化设计.矿业工程():.中 国 锰 业第 卷 (.):.:(上接第 页)(.):.: