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1、排 水 设 备 选 择 计 算选择设计的任务在于从现有产品中选择能够在特定矿井条件下安全、可靠又经济工作的排水设备，并便于操作和维修。设计时必须遵守煤矿安全规程(2006年版，以下简称“规程”)和煤矿工业矿井设计规范(05年9月14日发布，06年1月1日实施，以下简称“规范”)的有关规定。第一节 任务和步骤一、具体任务选型设计的任务包括：1.确定排水系统；2.选定排水设备；3.提出经济核算结果；4.绘制泵房、管子道和管子间的布置图。二、必备的资料设计时必须具备的主要原始资料有：1.矿井开拓方式(水平数)、及服务年限；2.各开采水平和井口的标高；3.同时开采水平数及各水平正常涌水量和最大涌水量，
2、及其发生的期间；4.矿水容重及其物理化学性质(如PH值等)；5.准备敷设管路的井筒布置及泵房附近车场的布置图；6.矿井供电电压及井下运输轨距等辅助资料；7.瓦斯等级及矿井年产量。三、选型计算步骤设计人员依据自身的经验可以采取不同的步骤。开始从事设计者可参考如下步骤进行：1.拟定排水系统。对于每一个有对比价值的排水系统都可以按以下步骤进行设备的选择计算；2.初步选择水泵；3.拟定泵房水泵及管路组合方案；4.选择管路；5.计算管路特性；6.确定排水装置的排水工况；7.验算排水时间；8.计算允许的吸水高度；9.计算必须的电动机容量及电能耗量；10.经济核算；11.筛选并确定方案；12.绘制泵房、管子
3、道及管子间的布置图。第二节 选择排水系统有两种可供选择的排水系统，一种是直接排水，一种是分段排水。在相同条件下，前者的水平和泵房数量少，系统简单可靠，基建投资和运行费用少，维护工作量要减少一半以上，需用的人员也少。对于条件比较复杂的多水平开采矿井，应根据各水平深度，涌水量以及现有水泵的性能等因素，从基本投资要少、易于施工、操作简单和维护方便等方面加以综合考虑，经过技术和经济比较后，确定采用直接排水还是分段排水。第三节 预选泵的型式和台数规程第278条对主排水设备的水泵的要求是：必须有工作、备用和检修的水泵，其中工作水泵的能力，应能在20小时内排出矿井24小时的的正常涌水量(包括填充水和其他用水
4、)。备用水泵的能力，应不小于工作水泵能力的70%，并且工作和备用水泵的总能力，应能在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。检修水泵的能力，应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂的矿井，可在主泵房内预留安装一定数量水泵的位置。规范第8.3.7条1款对采区排水设备的水泵，做了规定：正常涌水量为50m3/h及以下，且最大涌水量为100m3/h及以下的采区，可选用2台水泵，其中1台工作，1台备用。一、工作水泵必须的排水能力根据规程规定，要求投入工作的水泵的排水能力，能在20小时内排完24小时的正常涌水量，即：QB(24/20)qz (m3/h)又工作水泵与备用水泵的总能力，能在20小时内排完
5、24小时的最大涌水量，即：QBmax(24/20)qmax (m3/h)式中 qz-正常涌水量 (m3/h)；qmax-最大涌水量 (m3/h)；QB-工作水泵必须的排水能力 (m3/h)；QBmax-工作与备用水泵必须的排水总能力 (m3/h)。二、水泵必须的扬程可用下式估算：HB=Hg/g (m)式中：Hg-排水管路出口与吸水井水面标高差，m；g-管路效率；对于竖井，g=0.90.89；对于斜井，当倾斜角30时，g=0.830.8，当=2030时，g=0.80.77，当20时，g=0.770.74。三、预选水泵型式泵产品样本中，挑选能满足流量QB和扬程HB的水泵，最好是一台泵就能达到所要求
6、的排水能力。在满足要求的各型水泵中，优先选择工作可靠、性能良好、体积小、重量轻而且价格便宜的产品。规范第8.3.1条6款规定：当矿井水的PH值小于5时，应采用耐酸水泵。若采用分段式水泵，当流量能满足要求时，必须的级数为：i=HB/Hi 式中Hi为泵流量QB的平均单级扬程m，该值由泵的平均单级特性曲线上查出。若求出的级数i介于两整数之间，取较大整数当然可以满足要求，但取较小整数有时也能达到要求。这时究竟级数较多还是较少合理，往往需经过技术和经济比较后才能确定。四、校验水泵稳定性为保证水泵工作稳定性，应满足下式(0.90.95)HHg式中H-泵零流量时的扬程。对于分段式水泵H=iHoi，这里Hoi
7、为平均单级特性上零流量时的扬程。通过稳定性的校验，可以淘汰不能满足稳定性要求的水泵，从而减少可比的方案数。五、确定泵台数依据规程第278条规定1.工作水泵台数：n1=QB/Qe2.备用水泵台数：n20.7 n1(偏上整数)3.检修水泵台数：n30.25 n1(偏上整数)式中Qe-为所选用水泵的额定流量 (m3/h)。对于水文地质条件复杂的矿井，可根据情况，增设水泵或在主泵房内预留安装一定数量水泵的位置。第四节 确定管路趟数和泵房内管路布置一、确定管路趟数规程第278条对水管做了规定：必须有工作和备用的水管，其中工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。工作和备用水
8、管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。规范第8.3.7条1款对采区排水设备的管路，做了规定：正常涌水量为50m3/h及以下，且最大涌水量为100m3/h及以下的采区，可敷设1条管路。二、泵房内管路布置按泵台数和管路趟数可以组合成多种布置方式。图4-1是常见的几种。其中a为两台泵一条管路的布置方式；b为两台泵两条管路的布置方式；c为三台泵两条管路的布置方式；d为四台泵三条管路的布置方式。其共同点是任意一台水泵可以用任意一条管路排水。第五节 计算管径选择管材一、必需的管内径计算管径时，一方面要考虑到，若管径偏大，则水头损失小，耗能低，但另一方面又要考虑到，在这
9、种情况下基建投资高。综合两者，通常计算时，取Vp=1.52.2m/s作为经济流速计算管径。排水管内径为：dp=(Q/3600)0.54/(Vp)0.5=0.0188(QB/ Vp)0.5(m)式中dp-排水管内径(m)；Q-通过管子的流量(m3/h)；Vp-流速(m/s)。对于吸水管内径，通常比排水管内径大25mm，以降低流速，减少损失，取得较大的吸水高度。吸水管内径为：dx= dp+2510-3 (m)根据计算的dp和dx值可以预选标准管径。二、选择管材选择管材料的主要依据是管子将要承受的水压大小。通常情况下，对于敷设在斜井内的排水管路，可按承压的变化，由下向上分段采用无缝钢管、焊接钢管和铸
10、铁管，管材充足时也应尽量统一。铸铁管最大承压为1MPa。近年新型玻璃钢管也应用于主排水管上。吸水管通常用钢管。必须的管壁厚度包括两部分，一部分为承压厚度，另一部分为考虑到运输和其它原因形成的表面损伤而必须事先增加的厚度。此时，排水管必须的壁厚为：=0.5 dp(z+0.4p)/( z-1.3p)0.5-1+C (cm)式中dp-标准管内径，cm；z-许用应力。取管材抗拉强度b的40%，即z=0.4b。当钢号不明时，可取：铸铁管z=20(MPa)，焊接管z=60(MPa)，无缝钢管z=80(MPa)；p-管内液体压强，可用下式求出：p=0.011HP (MPa) HP-管出口到水井水面标高差(排
11、水高度)，mC-附加厚度。铸铁管取C=0.70.9 (cm)，焊接钢管取C=0.2 (cm),无缝钢管取C=0.10.2 (cm)。利用上式可以校验所选管壁厚度是否合适。若计算值大于所选标准厚度，则应重新选择后再验算。第六节 计算管路特性排水所需扬程:H= Hg + kRTQ2 (m) (管路特性方程式)式中Hg-测地高度(吸水井水面与排水管出口的标高差)(m)；Q-通过管路的流量 (m3/s)；RT-管路阻力损失系数 (s2/m5)；k-管路内径变化而引起阻力损失变化的系数。对于新管k=1,对于管内挂污管径缩小10%的旧管K=1.7。式中RTQ2 之值可用计算方法求出，也可用图解方法求出。一
12、、用计算方法求出管路损失管路阻力损失系数RT=8x*lx/ dx5+p*lp/ dp5+x/dx4+ (p+1)/ dp4 /(2g) (s2/m5)式中 x、p-吸、排水管的沿程阻力损失系数，可用下式求得x=0.021/ dx0.3 ，p=0.021/ dp0.3dx、 dp-选定的吸、排水管内径 (m)；lx、 lp-吸、排水管的沿程管路长度 (m)；x、p-吸、排水管路上的局部阻力损失系数之和。g-重力加速度，g=9.81 (m/s2)吸、排水管路上各种局部阻力损失系数可从有关资料中查找。利用当量长度的概念，可以将局部损失转移为数值相等的沿程损失。管路阻力损失系数公式改为：RT=8x(l
13、x+ ldx)/ dx5+p(lp+ ldp)/ dp5 /(2g) (s2/m5)式中：ldx= (dxx)/x、ldp= (dpp)/p二、用图解方法求出管路损失上图说明：图中垂直线为管中流速V，m/s；水平线为管径d，mm；从右上方向左下方倾斜的诸线为通过管路的流量Q，m3/h；右斜线为每100m直管中的水头损失RT.100Q2 ，m；求法：已知d等于75mm，做水平线与Q等于25 m3/h的左斜线相交于Q点，由Q点做垂直线交于横座标，查得流速V等于1.62m/s，再由Q点做右斜线与水力损失座标线相交，查得RT.100Q2 等于4.8m。利用该图可以根据管径、流速或流量查出每100m长的
14、直管中的水头损失。图解是根据下面的公式做出的，即RT.100Q2 =100/dV2/2g式中RT.100Q2 -每100m长直管中水头损失；Q-通过管路的流量；d-管内径；V-管中水流速度；-沿程阻力系数，在该图解中取=0.02+0.0018(Vd)-0。5由图解直接查出RT.100Q2 之值后，再根据全管路的计算长度求出全管路的阻力损失，即：RTQ2 (m)=l/100(RT.100Q2) m式中 l-计算管长，m；它等于：l=lx+lp+ld mlx-吸水管线长，m；(一般取8m)lp-排水管线长，m；对斜井：lp=Hp/sin+(5070), Hp为排水高度，(5070)为泵房内排水管及
15、管子道管长ld-局部管件等值管长之和，其中包括出口动能损失的等值管长，m。(等值管长可按ld=2530m估算)将该值代入H= Hg + kRTQ2 (m)式，即可求出所需扬程：H= Hg + kl/100(RT.100Q2) (m)依此式求得各种Q值时的扬程后，就可绘制出管路特性曲线。第七节 确定工况验算排水时间一、确定工况点将管路特性曲线绘在泵特性曲线图上，它与泵扬程特性曲线的交点即为工况点。工况点所标各参数值即为泵预计的工况参数值。以Q、H、N、和Hs分别表示其流量、扬程、轴功率、效率和允许吸上真空度。二、验算排水时间确定预计的工况参数后应进行排水时间校验。在正常排水时期，若有n1台泵分别
16、由独立的排水管排水，则排水时间：Tz=24qz/( n1Q) 20h在最大涌水时期，若有n2台泵同时排水，而且各自有独立的排水管，则排水时间：Tmax=24qmax/( n2Q) 20h当Tmax大于20h时，必须增加泵的台数。第八节 计算允许吸水高度自泵特性曲线上查出工况点时的允许吸上真空度后，可求出实际条件下预计的允许吸水高度Hx= Hs-(10-10-3Pa/9.8)+(0.24-10-3Pn/9.8)-8(-2g-1) x*lx *dx-5+(x+1)dx-4)Q (m)式中Hx-实际条件下预计的允许吸水高度 (m)； Hs-预计工况时的允许吸上真空度 (m)(泵特性曲线上查得)；Pa
17、-泵房大气压(Pa)；Pn-矿水温度下的饱和蒸汽压(Pa)；x-吸水沿程阻力损失系数；dx、lx -吸水管内径和长度(m)；x-吸水管线上局部阻力损失系数之和；Q-工况流量(m3/s)。在设计水仓和吸水井时，应使实际的Hx小于 Hx，以免发生汽蚀。海拔高度不同时，大气压不同，其值列于下表：海拔高度(m)01002003004005006007008009001000大气压Pa(N/cm2)10.1109.99.89.69.59.49.39.29.19.0不同水温时饱和蒸汽压列于下表：水温()05101520304050饱和蒸汽压P(N/cm2)0.0580.0880.1180.1670.235
18、0.4210.7351.225第九节 电动机必须的容量及耗电量一、必须的电动机容量在已知工况参数情况下，可用下式计算：Nd=kgQH/(10003600c) 或Nd=kN/c (kW)式中Nd-电动机必须的容量(kW)；-矿水密度 (kg/m3)；Q-工况流量 (m3/h)；H-工况扬程 (h)；N-工况功率 (kW)；-泵工况效率；c-传动效率，可取c=0.950.98，直接取c=1； k-富裕系数，当Q20m3/h时k=1.5，Q=2080m3/h时k=1.31.2，Q=80300m3/h时k=1.21.15，当Q300m3/h时k=1.1。二、耗电量通常计算三项指标：全年耗电总量，排1立
19、方米水的电耗，产出1吨煤的排水电耗。1.每年用于排水的电耗：E=1.05(10003600)-1gQH(nzrzTz + nmaxrmaxTmax)/(cdw) (kWh/y)式中1.05-照明等辅助用电系数；-矿水密度 (kg/m3)；Q-工况流量 (m3/h)；H-工况扬程 (m)；-泵工况效率；c-传动效率，c=0.950.98； d-电机效率，大容量电机取0.90.94，小容量电机取0.820.9； w-电网效率，约为0.95； nz、 nmax-正常和最大涌水期同时开泵台数；rz、rmax-正常和最大涌水时期泵排水天数 (d)；Tz、Tmax-正常和最大涌水时期，每天开泵时间 (h)。 2.排1m3水的电耗e1m3=E/gy (kWh/m3)式中 gy -年平均涌水量 (m3/y)3.产出1t煤的排水电耗e1t=E/A (kWh/t)式中 A-矿井年产量 (t)。第十节 吨煤的排水耗费计算开采1吨煤消耗于排水的费用：S=(S1+ S2+ S3+ S4)/A式中 S1-全套设备每年折旧费；S2-每年排水电耗费；S3-每年工资费； S4-修理和材料消耗费。12