矿山排水系统设计及注意事项

1.矿水

在煤矿地下开采过程中，由于地层含水的涌出、雨雪和江河中水的渗透、水砂充填和水力采煤的井下供水，大量水昼夜不停地汇集于井下。涌入矿井的水统称为矿水，矿水分为自然涌水和开采工程涌水。自然涌水指自然存在的地面水和地下水，地面水包括江河、湖泊以及季节性雨水、融雪等形成的洼地积水，地下水包括含水层水、断层水和老空水；开采过程涌水是与采掘方法或工艺有关的涌水，如水砂充填时矿井的充填废水、水力采矿的动力废水等。

单位时间涌入矿井水仓的矿水总量称为矿井涌水量。由于涌水量受地质构造、地理特征、气候条件、地面积水和开采方法等多种因素的影响，因此，各矿涌水量可能极不相同。一个矿在不同季节涌水量也是在变化的，通常在雨季和融雪期出现涌水高峰，此期间的涌水量称为最大涌水量；其他时期的涌水量变化不大，一年内持续时间较长，此期间的涌水量称为正常涌水量。

为了比较各矿涌水量的大小，常用在同一时期内，相对于单位煤炭产量的涌水量作为比较的参数，称为含水系数，用Ks表示，则

Ks=24q/Ar　(8-1）

式中　q——矿井涌水量，m3/h；

Ar——同期内煤炭日产量，t。

矿水在穿过岩层和沿坑道流动过程中，溶入了各种物质，因此矿水的密度比一般清水大，为1 015～1 025 kg/m3。由于矿水中悬浮状固体颗粒容易磨损水泵零件，因此必须经过沉淀池和水仓沉淀后再由水泵排出。

由于溶解在水中的物质不同，矿水有酸性、中性和碱性之分。当矿水的pH等于7时为中性水，pH＜7时为酸性水，pH＞7时为碱性水。酸性矿水对金属有腐蚀作用，因此当矿水的pH＜5时，应根据情况加石灰中和或采用耐酸的排水设备。

根据统计，每开采1 t煤要排出2～7 t矿水，甚至多达30～40 t。矿山排水设备的电动机功率，小的几千瓦或几十千瓦，大的几百千瓦或上千千瓦。因此，保证矿山排水设备运转的可靠性（安全性）与经济性（高效率低能耗）具有十分重要的意义。

2.排水系统

对于巷道低于地面的矿井，涌入矿井中的水需要通过排水设备排到地面。目前我国大多数矿井采用这种方法。

根据开采水平以及各水平涌水量大小的不同，矿井排水可采用不同的排水系统。

竖井单水平开采时，可采用直接排水系统将井下全部涌水集中于井底车场的水仓内，并用排水设备将其排至地面，如图8-1所示。涌入矿井的水顺着巷道一侧的水沟自流集中到水仓1，然后经分水沟流入泵房5内一侧的吸水井3中，水泵运转后水经管路6排至地面。

图8-1　矿井排水过程示意图

1—水仓；2—分水沟；3—吸水井；4—水泵；
5—泵房；6—管路；7—管子道；8—井筒

两个或多个水平同时开采时，可有多种方案供选用。就两个水平而言，有三种方案可供选用。

（1）直接排水系统。如各水平涌水量都很大，各水平可分别设置水仓、泵房和排水装置，将各水平的水直接排至地面。此方案的优点是上、下水平互不干扰，缺点是井筒内管路多。

（2）集中排水系统。当上水平面的涌水量较小时，可将上水平的水下放到下水平，然后由下水平的排水装置直接排至地面。此方案的优点是只需一套排水设备；缺点是上水平的水下放后再上提，损失了位能，增加了电耗。

（3）分段排水系统。若下水平的水量较小或井过深，则可将下水平的水排至上水平的水仓内，然后集中一起排至地面。

采用哪一种方案，要经过技术和经济的综合比较后才能确定。

3.水仓

用来专门储存矿水的巷道叫水仓，水仓有两个主要作用：一是储存集中矿水，排水设备可以将水从水池排至地面，为了防止断电或排水设备发生故障而被迫停止运行时淹没巷道，主泵房的水仓应有足够大的容积，必须能容纳8 h正常的涌水量；二是沉淀矿水，因在从采掘工作面到水仓的流动过程中，矿水夹带有大量悬浮物和固体颗粒，为防止排水系统堵塞和减轻排水设备磨损，在水仓中要进行沉淀。根据颗粒沉降理论，为了达到能把大部分细微颗粒沉淀于仓底的目的，水在水仓中流动的速度必须小于0.005 m/s，而且流动时间要大于6 h，因此水仓巷道长不得小于100 m。

为了在清理水仓沉淀物的同时又能保证排水设备正常工作，水仓至少有一个主水仓和一个副水仓，以便清理时轮换使用。水仓可以布置在水泵房的一侧，也可以布置于水泵房的两侧。在水泵房一侧的布置方式适用于单翼开采，矿水从一侧流入水仓；在水泵房两侧的布置方式适用于双翼开采，矿水从两侧流入水仓。

由于矿水中固体颗粒的沉淀，水仓容量逐渐减少，为了保证水仓的容水能力，容纳涌水高峰期的全部矿水，每次雨季到来前必须彻底清理一次主泵房的水仓。为了便于清扫水仓的淤泥，水仓和分水井靠管路连接，管路上装有闸阀，关闭时可以清扫水仓。为了便于运输，水仓底板一般敷设轨道。

4.水泵房

水泵房是专为安装水泵、电动机等设备而设置的硐室，大多数主水泵房布置在井底车场附近。这样布置的优点是：

（1）运输巷道的坡度都向井底车场倾斜，便于矿水沿排水沟流向水仓。

（2）排水设备运输方便。

（3）由于靠近井筒，缩短了管路长度，不仅节约管材，而且减少了管路水头损失，同时增加了排水工作的可靠性。(www.xing528.com)

（4）在井底车场附近通风条件好，改善了泵与电动机的工作环境。

（5）水泵房以中央变电所为邻，供电线路短，减少了供电损耗，这对耗电量很多、运转时间又长的排水设备而言，具有不容忽视的经济意义。

根据矿井条件的不同，水泵房有多种形式，图8-2所示为其中的一种。根据水泵房在井底车场的位置可以清楚地看出，它有三条通道与相邻巷道相通：人行运输巷与井底车场相通，人员和设备由此出入；倾斜的管子道与井筒相通，如图8-3所示，排水管可由此敷入井筒，同时也是人员和设备的安全出口，它的出口平台应高出泵房底板标高7 m以上，倾斜坡度一般为25°～30°，当井底车场被淹没时，人员可由此安全撤出；经井下变电所与巷道相通的通道是一个辅助通道。水泵房的地面标高应比井底车场轨面高0.5 m，且在吸水侧留有1%的坡度。

图8-2　水泵房位置图

1—主井；2—副井；3—水泵房；4—中央变电所；5—水仓；6—井底车场；
7—管子道；8—吸水井；9—分水沟

图8-3　管子道布置图

1—泵房；2—管道；3—弯管；4—管墩和管卡；5—人行台阶和运输轨道

图8-4所示为三台水泵两趟管路泵房布置图，吸水井在泵房的一侧，由水仓来的水首先通过篦子16拦截进入水仓的大块物质，然后经过水仓闸阀13进入分水井14。水仓闸门共有两个，分别和主、副水仓相通，轮换使用，可在配水井上部操作。进入分水井的水经过分水闸阀12分配到中间吸水井和两侧的分水沟11中，水从分水沟再进入两侧的吸水井中。关闭分水闸阀12可以清理水沟和吸水井，并控制水仓流入的水量。

图8-4　三台水泵两趟管路泵房布置图

1—水泵；2—泵基础；3—吸水管；4，7—闸阀；5—逆止阀；6—三通；8—排水管；
9—吸水井；10—吸水井盖；11—分水沟；12—分水闸阀；13—水仓闸阀；14—分水井；
15—水仓；16—篦子；17—梯子；18—管子支承架；19—起重架；20—轨道；
21—人行运输巷；22—管子道；23—防水门；24—大门

水泵房排水设备的布置方式主要取决于泵和管路的多少，通常情况下，应尽量减少泵房断面。水泵在水泵房内顺着水泵房长度方向轴向排列，泵房轮廓尺寸应根据安装设备的最大外形、通道宽度和安装检修条件等确定。一般泵房的长、宽、高由下述公式确定。

1）水泵房长度

L=nL0+l1(n+1）　(8-2）

式中　n——水泵台数；

L0——水泵机组（泵和电动机）的基础长度，m，可查样本；

l1——水泵机组的净空距离，一般为1.5～2.0 m。

当矿井的涌水量有增加的可能时，应考虑泵房的长度有增加的余地，井筒内也应考虑有相应的管道安装位置。

2）水泵房的宽度

B=b0+b1+b2　(8-3）

式中　b0——水泵基础宽度，m；

b1——水泵基础边到轨道一侧墙壁的距离，以通过泵房内最大设备为原则，一般为1.5～2 m；

b2——水泵基础的另一边到吸水井一侧墙壁的距离，一般为0.8～1.0 m。

3）水泵房的高度

水泵房的高度应满足检修时起重的要求，根据具体情况确定，一般为3.0～4.5 m，或根据水泵叶轮直径确定：当D≥350 mm时，取4.5 m，并应设有能承受起重质量为3～5 t的工字梁；当D＜350 mm时，取3 m，可不设起重梁。

水泵基础的长和宽应比水泵底座最大外形尺寸每边大200～300 mm。大型水泵基础应高出泵房地板200 mm。

图8-5　水泵排水示意图

1—滤水器；2—90°弯头；3—异径管；4—水泵；
5—真空表；6—压力表；7—闸阀；
8—逆止阀；9—阀门；10—吸水井