第五章矿井排水设备

第五章矿井排水设备,第一节概述,2006年5月18日19时36分，山西省大同市左云县张家场乡新井煤矿发生特别重大透水事故，造成56人死亡，直接经济损失5312万元。,新井煤矿透水现场图,新井煤矿透水案例分析,事故的直接原因是：新井煤矿在多条巷道透水征兆十分明显的情况下，未采取有效措施，仍违法在采空区附近组织生产，冒险作业，由于受放炮震裂松动、水压浸泡以及采掘活动带来的矿山压力变化影响，破坏了采空积水区有限的安全煤柱，导致了事故发生。,壮大煤矿煤矿透水案例分析,2001年1月5日7时40分左右，来宾市泡水煤田壮大煤矿2号井主井发生重大透水事故，21人全部遇难，直接经济损失约80万元。,壮大煤矿透水事故现场,事故的直接原因是：由于2号副井积水上涨并通过岩层裂隙与溶洞相通，使溶洞内水压不断增大，最终击穿溶洞与2号井主井井底水仓之间的隔离岩层而导致透水发生的重大责任事故。,黄山煤矿煤矿透水案例分析,2000年1月11日9时53分，徐州矿务集团有限公司大黄山煤矿一号井-320水平西一采区3201工作面材料道掘进迎头发生一起透水事故，。22人遇难，事故直接经济损失278.33万元。,事故的原因是：(1)制定的探放水措施不当，探眼深度和角度均不符合有关规定的要求，是造成这起事故的重要原因。(2)区域性生产系统不完善，顶板压力大，巷道断面小、不畅通，矿井处于收缩报废阶段，生产作业人员相对集中，是造成事故伤亡人员增加的重要原因。(3)现场安全管理松懈，监督检查不力，不能及时掌握现场的实际情况；在现场出现问题时，又未能及时发现和处理，是造成这起事故的原因之。,黄山煤矿透水现场图,王家岭煤矿煤矿透水案例分析,王家岭矿“328”透水事故最终造成38人死亡、直接经济损失近5000万元。,王家岭煤矿现场图,事故的原因是：(1)掘进工作面探放水措施不落实；(2)劳动组织管理混乱，为了赶工期、赶进度，当班安排14个掘进队同时作业，作业人员过度集中，且领导干部带班制度不落实；(3)隐患排查治理不力，特别是今年3月份以来20101工作面回风巷多次发现巷道积水，但一直未能采取有效措施消除隐患。,矿井排水过程：水水沟水仓吸水井水泵管子道管路副井管路地面水沟,第一节矿山排水设备概述,矿井排水过程：水水沟水仓吸水井水泵管子道管路副井管路地面水沟,一、矿井排水设备的任务和分类,一、矿井涌水量及矿水性质（1）矿水来源涌入矿井的水统称为矿水。矿水主要来源于地面水和地下水。（2）涌水量绝对涌水量：单位时间内涌入矿井的水的体积量（q），单位是m3/h；相对涌水量：同时期内相对于单位煤炭产量的涌水量，也称含水系数。以“Ks”表示。,T同时期内煤炭日产量（t）,（3）矿水性质1）温度随井深增高。2）密度比清水大。=10151025kg/m33）化学性质矿水略带酸性，当PH100m3、水仓组成分主、副水仓,4、水仓设计煤矿安全规程规定：水仓的总容量V不小于8h正常涌水量，采区水仓容量不小于4h的正常涌水量水仓长度Lmin=3600vt式中v=0.0030.005m/s,t=6h水仓断面积S=V/L或水仓高度H和宽度B各取23m验算流速v=(QM-QH)/3600S=0.0030.005m/s,（三）水泵房,1、位置：副井井底车场附近2、水泵房设计要求（1）水泵房地面标高比井底车场高0.5m，且向吸水侧有1%的坡度（2）水泵沿长度方向排列,3、水泵房设计长度L=nL0+l1(n+1)宽度B=b0+b1+b2高度H=3-4.5m4、水泵基础要求基础长宽应大于泵底座200-300mm，基础高应高出泵房地板200mm。,（四）管子道,管子道：倾斜25-30长2m平台（连接管子道和井筒）铺管道（管墩、管卡固定）有人行台阶和运输轨道,二、排水设备的组成1、排水设备一般由水泵、电动机、电控设备、管路及管路附件及仪表等组成。如图1所示。,图1排水设备示意图1、水泵2、电机，3、启动设备4、吸水管5、滤水器6、底阀7排水管8、调节阀门9、逆止阀10、旁通管11灌引水漏斗12、放水管13、放水阀14、真空表15放气栓16、压力表,2、各部分功用水泵内叶轮:向水传递能量,提高水的能量(静压和动压)电动机:驱动设备,通过联轴器与泵轴联接,带动泵轴上的叶轮转动.底阀:水泵启动前向水泵内灌引水时或水泵停止运转时使水泵和吸水管内的水不漏掉.调节阀:安装在靠近水泵的出水管上,用来调节水泵的扬程和流量.启动时关闭调节阀,电动机功率最小,停泵时关闭闸阀以避免水击.,放气栓：在充灌引水时排出水泵内的空气。放水管：检修水泵和管路时放掉排水管中的水。滤水器：装在吸水管的末端，过滤水中的杂物，防止杂物进入水泵。,逆止阀:安装在闸阀的上方,防止水泵突然停电时,发生水击.旁通管：接在逆止阀和闸阀两端，水泵启动前向水泵充灌引水。,3、分类矿井排水设备分为固定式和移动式。固定式排水设备根据其服务范围又分为主排水设备、区域排水设备和辅助排水设备。,三、离心式水泵的组成及工作原理,离心泵,1、离心泵,离心泵的实物图,手动闸阀示意图,手动闸阀实物图,2、闸阀,目前自动闸阀主要有两种形式：电动执行的电动闸阀和液压执行的液动闸阀。,液动闸阀,电动闸阀,自动闸阀,液动闸阀的液压原理图,1-油箱；2-梭阀；3-液压泵；4-溢流阀；5-液控单向阀；6-油缸,液动闸阀,3、水介质电液球阀,防爆外壳,液压管路入口,转动球阀,（a）关闭状态,（b）打开状态,1、组成：离心式水泵主要由叶轮、叶片、外壳、泵轴和轴承等组成。2、离心式水泵的工作原理水泵启动前，应先用水注满泵腔和吸水管，以排除空气。启动电动机后，泵轴带动叶轮旋转，叶轮中的水在离心力的作用下被甩向叶轮周围压向泵壳，经过螺旋形扩散室进入排水管排至地面，与此同时，叶轮中心进水口处，由于水被抛至轮缘而形成真空，吸水井中的水在大气压的作用下，通过滤水器、底阀及吸水管进入水泵，填补叶轮中心的真空，叶轮连续旋转，吸水井中的水就不断被吸入和甩出，形成连续不断的排水。,1叶轮；2叶片；3轴；4外壳；5吸水管；6滤水器底阀；7排水管；8注水漏斗；9闸板阀,三、离心式水泵的组成及工作原理,3、水泵的分类按水泵的安装分：1）固定式水泵将水泵固定在水泵房内工作，是矿井的主排水设备。2）移动式水泵将水泵安装后可以移动其工作位置，是矿井的辅助排水设备，常用于掘进或淹没巷道的排水。在煤矿中，主要的排水设备常用D型水泵。D型泵是单吸多级分段式离心泵，输送液体的温度一般不超过80度，并有清水泵和酸碱泵之分，具有流量和扬程范围大、效率高、工作平稳等特点，适合矿山排水。井底水窝和采空局部排水常用JS型单级离心式水泵。,第二节离心式水泵的结构,一、离心式水泵的分类按叶轮数目分1)单级水泵泵轴上仅装有-个叶轮2)多级水泵泵轴上装有多个叶轮按水泵吸水方式分1)单吸水泵叶轮上仅有-个进水口2)双吸水泵叶轮两侧各有-个进水口按泵壳的结构分1)分段式水泵垂直于泵轴心线的平面上有泵壳接缝2)中开式水泵在通过泵轴心线的水平面上有泵壳接缝,按泵轴的位置分1)卧式水泵泵轴呈水平位置2)立式水泵泵轴呈垂直位置按比转数分1)低比转数水泵比转数nS=4O802)中比转数水泵比转数nS=8O1503)高比转数水泵比转数nS=150300,二、离心式水泵的结构D型泵的结构主要由转动部分、固定部分和密封部分组成。（一）转动部分主要由泵轴、叶轮、平衡盘和轴承组成。叶轮和平衡盘装在泵轴上，泵轴支承在轴承上，电动机带动泵轴转动。1、叶轮作用：是水泵的主要部件。将机械能传递给水，使水的压力能和动能得到提高。结构：形状取决于比转数，由前盘面、后盘面、叶片、轮毂组成。,2、泵轴：作用是传递扭矩，与叶轮和平衡盘用键连接，支承套装在它上面的转动部件。3、平衡盘：作用是平衡叶轮产生的轴向推力。用键固定在泵轴上。,D型泵叶片数目一般为57片，因后弯叶片的叶轮可以增大压力能减小动能，效率高，所以离心式水泵大都采用后弯的叶轮。,4、离心式水泵的轴向推力及平衡方法(1)水泵的轴向推力产生的主要原因水泵的轴向推力产生的主要原因是作用在叶轮前后盘上的压力不等造成的。叶轮为单吸式的水泵，从叶轮流出的高压水作用在叶轮的前、后盘上，高压水作用在前、后盘上的压力不等，后盘压力大，前盘压力小，在工作时产生向吸水侧的轴向推力作用，迫使叶轮和转子一起朝入口方向移动。单级泵的轴向推力有几百公斤；多级分段式水泵的可达几吨。轴向推力必须予以平衡才能保证泵的正常工作。,(2)危害使整个转子向吸水侧窜动。使叶轮造成破坏性磨损；轴承发热、电动机负载增加；使叶轮出水口与导水圈的导叶进口发生偏移，引起冲击和涡流，降低泵的效率。(3)轴向推力的平衡方法,平衡盘法（1）结构原理图57。平衡盘与平衡环之间L2为平衡室，L2经窜水间隙L1与末一级叶轮的高压水相通，平衡盘右侧空间经回水管与吸水管相通，因此，平衡盘左侧压力高，右侧压力低，因此产生一个与轴向推力相反的平衡力。平衡盘可以自动平衡轴向推力，（2）特点平衡效果好，但起动过程易与平衡座接触造成磨损。（3）注意平衡盘与平衡座之间间隙在0.51之间；泵轴的窜量不小于1，不大于4。,2、固定部分：进水段、中段、出水段组成，用拉紧螺栓连接。吸水口为水平方向并位于进水段，出水口为垂直方向并位于出水段。（1）进水段：接受吸水管来的水，使水均匀地导入第一级叶轮入口，降低流动损失。（2）中段由导水圈和返水圈组成。导水圈、返水圈和密封环都固定在中间段上。水泵的级数越多，中间段的数目也越多。1）导水圈：作用是引导水流运动方向，降低流速，使一部分动压转换为静压。2）返水圈：作用是以最小的损失把水引入下一级叶轮的入口。注意：导水圈叶片与叶轮叶片数应互为质数，以避免水流的脉动产生冲击和振动。（3）出水段（螺壳型）：出水口位于出水段（最后一级叶轮的后面），为垂直方向。作用是以最小的损失，将导水圈中流出的水汇集起来并均匀地引至出水口；同时，使一部分动压变为静压。水泵的进水段、中间段、叶轮和出水段总称为水泵的过流部件。其形状和材质的好坏是影响水泵性能和寿命的主要因素。,主要零部件叶轮：对流体产生扬程。,用于排污浊或含有大量颗粒的液体,导水圈、返水圈：设水泵的中段上，导水圈把流体的动能转变为压力能，减少能量损失；返水圈是把水导入次级叶轮。,出水段（螺壳）：把后一级叶轮出来的水流收集起来，形成总流，并使其缓慢排向排水管。,3、水泵的密封水泵的密封包括固定段之间结合面的密封、转动部分的密封。固定件之间密封：纸垫密封转动部分与固定之间的密封：（1）叶轮的密封叶轮采用密封环密封。密封环又叫口环，叶轮进口用大口环密封叶轮背面轮毂用小口环密封，便于磨损后更换。（2）吸水侧和排水侧的填料密封,2）填料装置吸水侧填料装置：作用是防止空气进入泵内。包括水封环和填料。排水侧填料装置：作用是防止压力水向外泄漏。注意：填料压盖不可拧得太紧。,填料又叫盘根.吸水侧填料由填料箱、填料、水封环及填料压盖组成。一般用浸油石棉绳弯成圆形装入填料箱.水封环装在填料箱中间。水封环上一般有个小孔，由水泵中段引入的压力水通过径向孔流入水封环内缘并四溢到填料周围，封住全部轴隙，阻止空气进入水泵吸水口。,(二)离心式水泵的型号表示方法：,D型泵流通部件的材质有两种，一种适用于普通中性水，用“D”表示；另一种适用于酸性水，用“DF”或“D”表示,2、第二种表示法D155309九级单级扬程30m流量155m3/h单吸多级泵,第三节离心式水泵的性能与工况分析一、离心式水泵的性能参数,1）流量水泵在单位时间内所排出水的体积，称为水泵的流量，用符号Q表示，单位m3/s,m3/h。,2）扬程单位重力的水通过水泵后所获得的能量，称为水泵的扬程，用符号H表示，单位为m。,吸水扬程(吸水高度)泵轴线到吸水井水面之间的垂直高度，称为吸水扬程，用符号HX表示，单位为m。,排水扬程HP（排水高度）泵轴线到排水管出口处之间的垂直高度，称为排水扬程。用符号Hp表示，单位为m.实际扬程Hc（测地高度）从吸水井水面到排水管出口中心线间的垂直高度，称为实际扬程。用符号Hc表示，单位为m，即Hc=Hx+Hp,总扬程总扬程H为实际扬程、损失扬程hw和在水在管路中以速度v流动时所需的（速度水头）扬程之和，称为水泵的总扬程,即,3）功率水泵在单位时间内所做的功的大小叫做水泵的功率。水泵的轴功率电动机传给水泵轴的功率，即水泵的轴功率（输入功率）水泵的有效功率,水泵实际传递给水的功率，即水泵的有效功率（输出功率）用符号NX表示。矿水的重度水泵的流量水泵的扬程,4）效率：水泵的有效功率与轴功率之比，叫做水泵的效率，用符号,表示。,5）转速水泵轴每分钟的转速，叫做水泵的转速。,6）允许吸上真空度或汽蚀余量吸水是靠大气压与泵入口处的单位流体能量差的作用.若增加吸水高度,泵就必须在入口处使流体能量降低.饱和蒸汽压.当泵入口处的绝对压力P1降低到某一数值时液体开始汽化并形成汽泡,这个压力叫饱和蒸汽压气蚀现象:当泵入口处的绝对压力P1降低到液体的饱和蒸汽压时,该区液体开始汽化并形成汽泡,汽泡被水流带至高压区,又凝成水,由于体积突然收缩而形成空洞.此时,周围的水以李高速度冲向空洞,产生巨大的水力冲击.水力冲击使叶轮内的金属表面疲劳而剥落.另外由于汽化时溶于水中的有害气体析出而腐蚀金属.为使泵正常工作,要求泵入口处液体的单位能量,不能低于饱和蒸汽压相当的水头,而且应有一定的余量.,6）允许吸上真空度或汽蚀余量在保证水泵不发生汽蚀的情况下，水泵吸水口处所允许的真空度，叫做水泵的允许吸上真空度。用符号Hs表示。水泵吸水口处液体的单位能量超出饱和蒸汽压的富余能量，叫做水泵的汽蚀余量。,2、允许吸上真空度与安装高度允许吸上真空度标志泵的吸水能力.是以真空度表示的泵入口处的绝对压力Hsmax=（Pa-P汽蚀)/r当吸水高度达到最大值时,吸上真空度也达到临界值,叫最大吸上真空高度Hsmax（1）最大吸上真空高度Hsmax由泵实验求出。Hsmax=（Pa-P汽蚀)/r50m3/h时工作泵：n1=QB/Qe备用水泵:n270%n1且(n1+n2)QeQBmax检修水泵：n3:n325%n1总台数n=n1+n2+n3,设计计算举例：有一矿井副井（竖井）地面标高为+18.5m，第一水平井底标高为-300m。正常涌水量为600m3/h，最大涌水量为900m3/h,持续时间70d。涌水为中性，重度为10006N/m3，水温为15,属于低沼气矿井，年产量120万吨，试选择排水设备。g=0.9解：1）水泵应具备的排水能力正常涌水期QB1.2qz=1.2600=720m3/h最大涌水期QBmax1.2qmax=1.2900=1080m3/h,2）水泵所需扬程表6-1，取g=0.9HB=Hc/g=（300+18.5+4）/0.9=358.2m3）预选水泵根据水泵的产品目录，选取水泵型号：D280-439，其额定流量Qe=280m3/h，单级额定扬程Hi=43m4)确定水泵级数,取9级,5)稳定性校验由表可知:H=423/9=47时,Q=185当H=387/9=43时,Q=280经计算零流量扬程H0=55m559=495HC=212.50.9H0=0.9495=418.5m符合稳定性要求,6）确定水泵的台数工作泵的台数：n1=QB/Qe=720/280=2.57取n1=3备用泵的台数：n270%n1=0.73=2.1和n2QBmax/Qe-n1=1080/280-3=0.85取n2=1检修泵的台数：n325%n1=0.253=1.5取n3=2共选择六台水泵。,第九节排水设备的安全运行,一、水泵的操作与运行（一）水泵启动前的检查（1）水泵司机和水泵维修人员应该经过专业培训，禁止非司机开车和监护设备。（2）水泵起动前，应首先检查。检查内容：电气设备和线路、开关手把、连接螺栓、联轴器、润滑油、吸水管路以及底阀,（1）水泵必须灌满水后才能起动,有底阀时，打开放气阀，直到放气阀完全冒水时，表示水泵已灌满水。这时，在关闭放气阀和放水阀后，起动水泵。,（二）启动,采用喷射泵无底阀排水，在灌水时，必须先顺序打开阀门11、10，直到混合管排出的全是水时，水泵才灌满水。这时，关闭阀门，起动水泵。,采用喷射泵实现无底阀排水系统示意图1-水泵；2-闸阀；3-逆止阀；4-排水管；5-喷射泵；6-真空表；7-电动机；8-滤水器；9-回水管；10、11-阀门；12-混合室；13-混合管,（2）启动水泵时，应完全关闭闸阀启动。（3）电动机启动后达到正常转速时，应立即根据仪表的指示，判断水泵是否上水，若没有上水，应停电动机，排除故障后，重新启动。,（三）水泵的运行当出现下列情况之一时，应立即停车检修：（1）有异常震动或异常声响。（2）电流表有剧烈摆动或电流超过额定电流或电压超过额定电压5%时。（3）底阀埋入水面深度不合规定。（4）温升超限：电动机温升超过铭牌规定、滑动轴承超过65或滚动轴承超过75时。（5）填料处渗水量过大或无水滴出又调整无效、填料箱过热，