潜水电泵在煤矿强排系统中的应用

摘 要：水文地质条件复杂或有突水淹井危险的矿井，应当在井底车场周围设置防水闸门或在正常排水系统基础上另外安设具有独立供电系统且排水能力不小于最大涌水量的潜水泵。结合《煤矿防治水规定》、《煤矿安全规程》等有关防治水规定及潜水电泵性能指标，在有突水淹井危险的矿井，大功率潜水泵是煤矿井下排水的重要和必要的排水装备。

关键词：潜水电泵；突水淹井；地面操控；强排系统

1 概述

矿山（煤矿）防治水国家极为重视，把抢险救灾事后处理策略改变为事先预防治理、疏干排水为主的策略，强化了应急抢险救援机制，提高了防治水能力。国家安全生产监督管理总局颁布，2009年12月1日起施行的28号令《煤矿防治水规定》和2011年3月1日起施行国家安全生产监督管理总局令第37号令（国家安监总局关于修改《煤矿安全规程》第二编第六章防治水部分条款的决定），明确大水矿井或含水层以下的矿井应配备大型潜水电泵，安装配备排水能力不小于最大涌水量的潜水电泵排水系统。做到预防为主，即使在发生透水事故时，有足够的时间撤退人员，挽救关键设备。同时井下泵房积极推广无人值守和远程监控集控系统，时刻保持水仓空仓容量在总容量的50%以上的排水系统运转正常。实现井下泵房无人值守和地面远程监控，推广使用地面操控的潜水泵排水系统。

2 矿井防突水安全措施

根据有关资料显示，目前煤矿井下防治水重要安全措施主要有设置防水闸门及建设潜水泵应急强排系统。《煤矿安全规程》中对此也有规定：“水文地质条件复杂或有突水淹井危险的矿井，应当在井底车场周围设置防水闸门或在正常排水系统基础上另外安设具有独立供电系统且排水能力不小于最大涌水量的潜水泵。”

防水闸门对防止突水后淹井有一定作用。多年实践证明，防水闸门确实能够起到分区隔离、减少矿井水害损失的作用；但在实际生产应用过程中，也存在很多问题：如质量要求高，建设困难，每年关闭试验困难；常与生产互有干扰；突水后井下人员能否全部撤出，井底防水闸门能否下决心关闭；需关闭水闸门时过水量大、水中杂物多等，人工关闭、关严困难等。

矿井不具备建立防水闸门的主要因素有：

1）水压≥5MPa，无可选成熟定型的水闸门产品；

2）矿井不具备耐压试验条件；

3）矿井无法实现真正意义的隔离；

4）使用不闸门导致其他安全问题；

5）水灾来临水闸门的关闭条件和时间难以确认；

6）长期搁置，使用条件难以保障，及时快速关闭困难。

随着现代科学技术的发展，已经有了排水量大、扬程高的潜水电泵。其优点是：能在地面控制，泵房淹没后仍能正常工作。

结合《煤矿防治水规定》、《煤矿安全规程》等有关防治水规定及潜水电泵性能指标，在有突水淹井危险的矿井，大功率潜水泵是煤矿井下排水的重要和必要的排水装备。

3 强排系统设备

根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》第3.0.2条第1项内容：矿井水文地质条件复杂、涌水量大、有突水危险时宜采用潜水泵站。经过潜水泵与传统卧式泵比较分析可知，潜水电泵机组具有宽泛的适应性，既可在正常工作时作为主排水泵使用，又可在出现水灾情况下作为抗灾抢险排水系统；不怕水淹，在矿井全淹没的情况下，仍能保持设计排水能力，其防水患能力是一般卧式离心泵无法比拟的；节能节材环保高效，机电一体，结构紧凑，泵高效区宽，效率高；扬程高、排量大；安全防爆无隐患；设备性能成熟可靠；安装条件要求低，安装方式灵活多样，适应范围广，无需建泵房，井上井下操控无扰切换，可实现“无人值守”泵站；尤其适合涌水量大，有突水危险的矿井。

4 矿井应急强排系统设计基础资料

（1）矿井地质报告中有关水文地质类型结论；

（2）矿井最大涌水量或突水量；排水高度；

（3）强排系统排水方式、水质；

5 强排设备选择计算

（1）初选水泵流量及杨程

式中：Qmax ―― 矿井最大涌水量或突水量，m3/h；

K ―― 扬程损失系数；

Hp ―― 排水高度，m；

Hx ―― 吸水高度，m。

根据计算结果，初选潜水泵型号、数量，确定水泵工作状态。

（2）选择排水管

排水管壁厚：

式中：v ―排水管经济流速， m/s；

σ―管内许用应力，无缝钢管取85MPa；

P―工作压力，P=0.11HP，MPa；

ψ―管子焊缝系数，无缝钢管取1。

（3） 选择吸水管

吸水管直径一般比排水管直径大一级。

（4）确定水泵的工况点

确定阻力常数：

确定管道特性曲线方程：

新管：

旧管：

式中：R―阻力损失系数；

dx、dp―选定的吸、排水管内径，mm；

lx、lp―吸、排水管长度；

λx、λp―吸、排水管沿程阻力系数；

根据上式在所选水泵特性曲线上做出管道特性曲线和水泵特性曲线交点确定新管及旧管时水泵的工况点（Q1、Q2；H1、H2；η1、η2）。

（5）电机容量校验

根据水泵工况点参数，核算电机容量。

（6）选型结论

确定选择水泵的型号、数量、主要参数；工作状态；排水管及吸水管参数，趟数。

6 潜水电泵供电

用于矿井应急强排系统的潜水电泵按矿井一级负荷考虑，即应由两回路电源线路供电，当任一回路停止供电时，另一回路应能担负全部负荷。两回电源线路上均不应分接任何负荷。

潜水电泵供电电源取自矿井工业场地地面变电所不同母线段，地面应设置潜水电泵配电室，设备启停、自动控制及监测等均在地面进行。

7 启动方式

近年来，国产大型潜水电泵生产技术日趋成熟，以合肥恒大江海潜水电泵厂为例，该公司拥有电机技术，电机完全自主设计制造，可以为用户要求定型制造；同时对电机设计进行优化，使启动电源隆至合理值，且启动转矩较大，避免了电机启动时对电网的冲击和设备的损失，解决启动中存在的问题。

国产的潜水电泵可以直接启动，也可降压启动，一般情况下采用直接启动方式，KYN28型开关柜，配微机电动机保护装置和HD潜水电泵保护控制器，使现场操作和维护最为简单。

对直接启动电源的要求是供电系统变压器容量不小于机组容量的4倍；如果不具备直接启动条件，采用自耦降压启动、电抗器起动或软启动。

8 智能控制系统

矿用潜水泵站综合自动控制系统是采用自动控制、计算机信息网络、实时在线检测、数据库及专家智能软件等先进技术组成三级或四级分布式自动化控制系统，在矿井突水时按设定程序开启强排水泵，进入强排水状态，并能在淹井状态下自动切除井下控制，切换为远程地面控制。系统采用专用综合保护仪和动静态在线绝缘监控仪，配合数字视频电视监控系统，使泵站运行做到“无人值班、少人值守”，更进一步保证了潜水电泵的可靠性、安全性，优化潜水泵运行，实现机、电、仪三位一体，实现对矿井泵站运行过程自动优化控制、安全联锁保护和综合信息管理。通过远程通讯接口与上级调度系统进行通讯，还可接入矿井监控网，通过C/S方式向局域网终端用户传送监控数据。

9 结论

随着国家对煤矿防治水工作的重视，矿用潜水电泵机组将越来越广泛使用，潜水电泵的安全性、抗灾性、通用性等也将更加等到重视。实践证明，潜水电泵推广应用在矿山抢险救援中得到很好的应用，满足救援现场复杂性、不确定性及紧迫性等条件，机组系统化配置、部件轻量化组合、宽泛适应性、联锁筹组保护受到极大肯定。

参考文献：

[1] 煤矿防治水规定. 2009年12月1日起施行.

[2] 煤矿安全规程.2011年3月1日起施行.

[3] 煤炭工业矿井设计规范（GB50215-2005）.