王村煤礦13529運輸巷排水系統設計
孫王海，吳新選
一、設計原則：
遵循《煤礦安全規程》、《煤礦井下排水泵站及排水管徑設計規范》和《煤炭工業小型礦井設計規范》以及其它有關規定。
二、13529排水系統設計：
1、該工作面的基本情況：
該工作面運輸巷排水長度為1476米，切眼長度為135米。運輸巷排水到5#聯巷，該處的標高為352米、運輸巷的最低標高為341米，其排水距離是從13529運輸巷和三下輔助運輸巷及13523運輸巷及13523運輸聯巷到5#聯巷，再從水溝流到三下2#水倉及排水距離為1833米。軌道巷長度為1476米，軌道巷排水到6#聯巷，該處的標高為375米，軌道巷的最低標高為343米，其排水距離是從13529軌道巷和該軌道聯巷及6#聯巷，再從水溝流經三下輔助軌道巷流到三下2#水倉。其排水距離為1122米。
2、排水能力計算
⑴該工作面運輸巷的正常涌水量為50m3/h,排水泵現已布置好，先應選應急排水水泵。
Q1=24QZ/20=1.2QZ=60m3/h
⑵最大涌水量時工作水泵最小排水能力
Q2=24Qm/20=1.2Qm=1.2×200=240m3/h
3、水泵揚程估算：
H=K(HP+HX)=
HP為排水高度，且HP=H1-H2=
式中：K為管路損失系數：立井：K=1.1～1.15
斜井： α<20°時，K=1.3～1.35
α=20°～30°時，K=1.3～1.25
α>30°時，K=1.25～1.2
該巷道排水應按斜井排水系統里設計計算：
即：HP=H1-H2=352-341=11
水泵的揚程應是：H=K(HP+HX)=1.3×(11+5)=20.8米
4、確定水泵的臺數：
根據計算的Q1、Q2、H，查水泵樣本選水泵，并根據水泵的主要技術參數，初預選水泵的流量Qb(一般為額定流量)，按《煤礦安全規程》第278條相關規定，分別計算出水泵站內工作水泵、備用水泵、檢修水泵臺數。水泵站內水泵總臺數按N按下面情況計算。
⑴、正常涌水時：N=n1+n2+n3
式中：工作水泵臺數n1=Q1/Qb=60/180=0.333≤1
備用水泵臺數n2=0.7n1，且n2≤1，當n2不為整數時，其小數應進位到整數。
檢修水泵臺數n3=0.25n1，且n3≤1，當n3不為整數時，其小數應進到整數。
⑵最大涌水量時，水泵工作臺數n4=Q2/Qb
當n4≤n1+n2時，則N=n1+n2+n3，
當n4≥n1+n2時，則N=n4+n3.
⑶水文地質條件復雜、有突水危險的礦井，應該根據情況增設水泵，或預留安裝水泵位置。
即：n4=Q2/Qb=240/180=1.333
n4=n1+n2=1+1=2≥1.33
根具計算應選水泵為BQS180—90—90KW潛水泵3臺
三、排水管路計算和管路布置
1、管路布置的原則
⑴、根據《煤礦安全規程》第278條規定， 排水管路應設工作管路和備用管路。工作管路應能在20h內排出礦井24小時正常涌水量，工作管路和備用管路應能在20h內排出24小時最大涌水量。
⑵、根據《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》要求，每臺水泵均能經兩條管路排水，排水管路在泵站內宜作環形布置。
⑶、管路和水泵的匹配，宜一管一泵;如果水泵需要并聯工作，一趟管路宜并聯2臺水泵，即一管二泵，最多不宜超過一管三泵;有時為了控制管內水的流速，1臺水泵也可并聯二趟管路運行。
⑷、水文地質條件復雜、有突水危險的礦井，視情況在井筒及管子道預留安裝排水管位置。
2、管徑計算
⑴、選擇排水干管管徑時，應根據礦井涌水量最大和礦井規模及服務年限，進行技術經濟比較，確定合理的流速和管徑。
⑵、管徑計算
Dp=(Q/900πν)1/2(m),
式中：Q—流經管內流量(m3/h).一管一泵時Q=Qb,一管二泵時Q=2Qb,余類推V—管內流速，一般管內V=1.5～2.2m/s,當dp>200mm時可適當增加，但不宜超過2.5m/s。
3、管壁厚度計算:
⑴根據原煤炭工業部聯合編寫的《礦井提升、通風、排水、壓風設備設計手冊》中所推薦的公式計算：
δ=1/1+2p/[230(Kz-0.65)-p]{[Pdp/230(kz-0.65)-p]+c}
式中：dp-dp排水管外徑(mm)
P-計算管段內部最大工作壓力(Kg/cm2)
Kz-管材許用應力(Kg/mm2),且Kz =0.25δB
δB-管材抗拉許用應力(Kg/mm2),當不知鋼號時，無縫鋼管取Kz=8～10Kg/mm2,焊接鋼管取Kz=6kg/mm2。
C-附加厚度，一般取C=1mm。
計算：
δ=1/1+2p/[230(kz-0.65)-p]{pdp/230(kz-0.65)-p]+c}
=1/1+2*35/[230(kz-0.65)-35]{[35*165/230(10-0.65)-35]+1}
=1+70/2115.5*200
=6.62+1
=7.62mm
⑵、根據《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》(送審稿)中推薦的公式計算：
δ=δ+C
δ=PDw/[2.3×(Rφ-6.4)+P]
式中：P—計算管段的最大工作壓力(MPa)
Dw-排水管外徑(cm)
R—管材許用應力(MPa)
10#鋼：R=85;15#鋼：R=95;20#鋼：R=100
φ—管子焊縫系數。無縫鋼管取1;
螺旋焊接鋼管：雙面焊，全部探傷取1
螺旋焊接鋼管：雙面焊，不探傷取0.7
C—計入制造負責偏差和腐蝕的附加厚度：
無縫鋼管：C=0.15(δ+1)(cm)
說明：管壁厚度計算公式較多，煤炭系統比較公認的四大件設計手冊中所推薦的公式，即(公式一)。因此，在《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》未批準實施前，設計宜采用(公式一)計算。但因按(公式二)計算的管壁厚度比按(公式一)計算的厚度大，所以在上述設計規范批準后，則應采用(公式二)計算，以使設計符合規范要求。
4、根據計算的dp和δ，選擇標準無縫鋼管。而我礦13529運輸巷排水管使用的是SSPE管路，該管的抗壓強度為3.5MPa，管子內徑為φ138mm，該管的外徑為φ165mm。該排水點選取的水泵應為BQS180—90—90KW潛水泵。
四、確定水泵工況點，檢驗排水系統(包括水泵和管路)設計選型計算的符合性。
確定水泵工況點，就是求出水泵H—Q特性曲線和管網特性曲線H=Hc+RQ2的交點。鑒于水泵樣本給出的H—Q特性曲線，系由廠家通過模擬試驗數據繪制而成，并不存在H=f(Q)函數關系，因此，不能利用解方程求解。目前一般采用作圖法確定水泵運行工況，其方法有二。
1、第一種方法，也即我礦目前使用的方法，其步驟如下：
⑴、首先分段計算管路損失△h
①吸水管部分
△hx=(λxLx/dx+ )Vx2/2g
V=Q/900πd2
所選水泵為潛水泵，說明潛水泵不需用吸水管就可以。
②、排水管部分
a、水泵出水口至排水干管段
△hx=(λp1Lp1/dp1+ )Vp12/2g
=Rp1Q2=0.0169*2402=973.44
b、排水干管段
△hx=(λp2Lp2/dp2+ )Vp22/2g
=Rp2Q2=0.0169*2402=973.44
⑵繪制管網特性曲線H=Hc+RQ2
式中Hc—測量高度，Hc=Hp+Hx
R—管路阻力，R=Rx+Rp+n2Rp2
將Hc、R數值代入，并考慮因沉積物使管徑變小阻力增大系數，則H=Hp+Hx+1.7(Rx+Rp1+n2Rp2)Q2(新管則乘1.7系數)。在不同的n值下(n=1,2,3)，給出不同的Q值，即可繪制管網特性曲線。
⑶確定水泵運行工況點
水泵樣本給出的H—Q特性曲線和繪出的管網特性曲線H=Hc+RQ2，兩條特性曲線的交點M即為水泵運行工況點。改點對應的Q、H、η、npsh,即是水泵運行的流量、揚程、效率和必須的汽蝕余量。
根據工況點對應的Q、H檢驗礦井最大涌水量和正常涌水量時水泵工作臺數、管路趟數及每天水泵工作時間。水泵和管路的各種配合運行方式，均應能保證水泵每天工作時間不超過20h.從圖可知，此時水泵的實際流量為Qb/,則要求T1=24QZ/nQb/≤20h， T2=24Qm/nQb/≤20h.同時檢驗排水管中的流速，V=nQb//900πdp22,如超出經濟流速范圍，則應調整管路系統，或采取其它措施，直至滿足要求。
所以：T1=24*50/1*180=6.7≤20
T2=24*200/2*180=13.3≤20
流速：V= nQb//900πdp22,=1*180/900*π*
⑸、計算電動機的容量：
先按一管一泵運行時水泵工況點對應的Q、H、η計算出水泵的軸功率：N=QHr/102×3600η
電動機的容量：
Nd,=KQHr/102*3600ηηm=1.1*50*H*1020/102*3600ηηm=
式中 K—電動機容量的富余系數，K=1.1—1.2
ηm—傳動效率，直連取1，聯軸節軸取1.2，
r—礦井水的容重，一般r=1020Kg/m2。
根據Nd,選擇電動機。(一般電動機由水泵廠成套供應)。
⑹、按水泵在管路未淤積前(即新管)一管一泵運行時水泵工況的計算水泵的軸功率，檢驗電動機是否過負荷。
