毕业论文--矿井水泵房的选型设计

矿井水泵房的选型设计

一、 矿井简介：

王坪煤矿矿井位于大同煤田东南边缘，位于山西省朔州市怀仁县境内。为设计能力180万吨/年的大型矿井，1984年开工，1988年投产。井田面积11.4km2，截止目前为止，尚有可采煤量1.2亿吨，服务年限50年，开拓方式为平峒二水平（其中第一水平为+1170m，第二水平为+1060m），可采煤层共六层，全厚为18.77m。公司现有职工4870人。

矿井为平峒开拓，井口选在红山峪沟口，在东山村南部开凿一对进回风井，利用距平峒口约1km的措施井——红山峪斜井作排矸斜井。该矿机械化采煤程度高，机采率为93%，采煤方法使用倾斜长壁和走向长壁相结合的方式，实行采区前进、工作面后退式开采，用全部垮落法管理顶板。

王坪煤矿矿井水产生量正常为 m3/h，最大涌水量为 m3/h 排水高度为340米，

矿井工业场地内配套建有210万t/a选煤厂，采用重介选煤方法，它是靠具有动力作用的自生介质的选煤方法。

二、 设备选择计算与台数的确定 2.1、排水设备能力与台数的确定

A、主要排水设备必须有工作、备用和检修水泵。其中各种水泵的能力，应能在20小时内排出24小时的正常涌水量；备用水泵的

能力应补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%。

B、水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况在水泵房内预

留安装一定数量水泵的位置，或另增设水泵。

C、排水管路能力应和工作、备用水泵能力相适应；配电设备能力应与水泵总能力相适应。

D、箕斗井、罐笼井和胶带输送机提升井的井底水窝，其排水泵应设置两台，一台工作，一台备用。 2.2、设备的选择与计算

1）、按正常涌水量确定排水设备所必须的排水能力 Q1=Qr/20=3800/20=190(m3/h)

H1=K(Hh+5.5)=1.3(340+5.5)=(m)

式中 Qr——矿井正常涌水量，m3/h；

K----扬程损失系数。对于竖井，K=1.1；对于斜井，K=1.20~1.35，倾角大时取小值，此处取1.3； Hh——井筒深度，m。

根据计算结果初步选用200D-43×9的水泵，该泵的流量为190 ~346m3/h，扬程为407.7~367.2米，转速为1480r/min，效率为80%，配带的电动机型号为JSQ1410-4，功率为440千瓦，电压6KV，外形尺寸长×宽×高为3853×1350×1285（mm）。 2）正常涌水量期间所需水泵的工作台数

nr= Q1/Q=190/200=0.95台) 式中 Q----一台水泵的排水能力，m3/h。 3）、最大涌水期间所需水泵台数

24Qdr/20×200=5400/4000=台

根据计算及设计规范要求，确定选用上述水泵3台，其中一台工作，一台备用，一台检修。

4）、正常涌水量期间一昼夜内水泵工作时间 Tr= Qr/ nr Q=3800/1×200=(h)

式中 nr ----正常涌水时的水泵工作台数。

5）、排水管直径 按经济流速1.75m/s，由下列公式计算 dg= =

4Q

?Vd36004?220

3.14?1.75?3600 =0.21(m) 按标准管径取dg=200mm 式中：Vd=1.5～202m/S

见附表1《常用管径dg、流速Vd与流量Q关系》 6）、排水管中实际流速

4Q Vd=? 3600?dg24?220 23600?3.14?0.2880 =

452 =

=195m/S

见附表2《一定管路直径之最大流量及流速限制表》。由附表2可知排水管实际计算水流速度满足规范要求。 7)、吸水管直径

ds=dg+25=200+25=225（mm） 8) 吸水管流速

4Q 23600?dS4?220 =3600?3.14?0.252

880 =

707 Vs=

=1.24m/s

吸水管流速一般取0.8～1.5m/s。上述计算值满足一般设计规范要求。 9）、计算管路实际所需扬程

管路进水段有进水短节一个、闸阀二个、三通一个、进水底阀一个，其等值长度之和为56.76米；

管路出水段有逆止阀三个、弯头四个、异径管一个、三通一个，其等值长度之和为139.22米

进水管扬程损失HsfHs=56.76×0.021=1.13(m) 排水管扬程损失为Haf=139.22×0.021=2.78（m） 10）、水泵总扬程为

H=Hh+Hs+Haf+Hsf=340+5.5+2.78+1.13=350.54(m)

根据计算扬程在选择水泵时应比计算值大5%~8%，即 H=350.54×1.06=372(m) 11）、计算排水管管壁厚度

δ=Pdg/(2Rk-P)+a=4×20/(2×80-7)+0.2=0.72（cm） 取8mm。

式中：P—管子内部液体压力kg/cm2，10m垂高等于一个大气压力。

RK—许用应力，对于铸铁管取200kg/cm,焊接钢管取600kg/cm，无缝钢管取800kg/cm。

a—考虑管路的腐蚀及管路制造有误差时的附加厚度，对铸铁管取0.7～0.9cm；钢管取0.1～0.2cm。

12）管路材料规格及选择 A、管路规格 管路规格见表7. B、管材选择：

（1）排水管沿竖井敷设时，应选用焊接管或无缝钢管。沿进闭井敷设的钢管所承受的2件承压在40kg/cm2以内时，一般采用焊接连接。

（2）排水管沿斜井敷设时，应根据气压力大小选择管材，一般情况，压力小于10kg/cm2时，可用铸铁管；压力大与kg/cm102时,应选用焊接钢管和无缝钢管。巷道易底鼓时，不宜采用铸铁管。

C、管路条数的确定及其敷设 （1）管路条数的确定

主排水管路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管水泵在20hA，排出矿井24h的正常涌水量；工作和备用水

管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。

(2)管路敷设

井筒内的管子应安设在管子间内，并需按其法兰的最大外径，考虑有足够的安装及检修位置。法兰盘规格满足管路连接用法兰盘的技术规范要求。

排水管长度在200M以内时，应设有金属弯管支柱，用以承担管重及水柱重。金属弯管支座须固定于专设的钢梁上，为避免管路总想弯曲，需设有导向夹子。

排水管长度在200M以上时，每隔150M～200M需装置伸缩接头，以及承载径管重的支撑直管同样需用专设的钢梁来固定，最上面的伸缩接头及支撑直管，应设于井口50M处。

目前，有些矿区鉴于矿井内温差不大，已不再设置伸缩头，生产种尚未发现问题。

该矿井伸水管路设置峪进风巷中，且冬季采用热风炉为进风巷中提供暖风，一方面防止排水管路冻结，一方面保证进风巷中的温度变化不大，所以，此次设计的管路不设置伸缩头。

（3）在倾斜巷道中，水管直径大于200MM时，可安设在底板上的专用木座或混凝土墩上，水管的下部装设支撑弯道，每隔75～100M安设一个承担该段管一定重量（包括承重）的带拉杆的管夹子。管径小于200MM如需架设在巷道壁上时，需固定在专设的管子支架上。如设在人行道上侧时，管中心距巷道底板的高度应不小于1800MM。支

架间距按设计规范执行。

平巷中供水管用铁丝绑吊时，固定间距一般为4～6M。

（4）每条供水管应设防水闸阀，一便在检修可能将排水管中的水放入水仓中。

（5）底阀应设置在吸水最底水面500MM以下，其底面应高出吸水井井底800MM。 D管路的膨胀计算 管路伸长量 ΔL=aLΔt

=0.012×350×15 =63(mm)

式中：L—管段长度，m；

A—管线膨胀系数。铜取0.012；铸铁取0.009； Δt—水与井筒中空气的最大温度差，度。一般矿井水温为16.50～190。 13）、选择水泵

选择水泵的扬程应比计算值大5%~8%，这是考虑水泵经过磨损使扬程降低、管壁积垢、阻力增加时所需的余量扬程。新泵的工作工况点最好在水泵最高效率点的右侧。工况点效率不应低于最高效率的0.85倍。

水泵工况的确定： A、求水泵级数

na=

H311==7.2 He43式中 He--所选水泵一级的额定扬程，m。 选用9级

B、确定水泵工况点 管路阻力 R=

146H?Ht311?296.4===0.000038

3872002202?8Q2na式中Ht-吸水面至排水口几何高差。 Ht= Hh+Hs+Haf+Hsf+Hg 式中na-水泵级数

按H=38.4+在水泵特性曲线图上绘出管路特性曲线，如下图。

两条曲线交点M为水泵的工况点。该点对应的QI、HI、和ηI即为水泵工作时的流量、扬程和效率，有QI= HI= ηI= 。 11）、水泵的轴功率

N￠= =

QIHIVO

3600?102??I288?324?1050

3600?102?0.8 =334(KW)

式中r0—矿井水的比重，一般取1050kg/m3。 12）、电动机容量 NC=K

N??C

334 0.97=1.15×

=396（KW）

式中ηC—传动效率对直联取1，联轴节取0.95～0.98； K—富裕各数

当Q＜20m3/h K=1.5; Q=25～80m3/h K=1.3～1.2; Q=80～300m3/h K=1.2～1.15 Q＞300m3/h K=1.1。

根据计算结果选用JR148-电动机，容量为440KW，电压6000V，电流51A，转速1485转/分，效率92%，转子电压564V，转子电流471A。×宽×高为2205×870×1270（mm） 13）、年耗电量 E= =

QIHI?365?t?VO3600?102??I??d??X

288?324?365?20.5?1050

3600?102?0.8?0.92?0.957.3?1012 = 62.56?10 =2.86×106(KWh/年)

式中：ηd—电动机效率。对于大电动机取0.9～0.94； 小电动机取0.82～0.9，此处电动机功率为0.92； ηX—电网效率，取0.95； t—平均每天运转小时数。 14）、吨煤电耗 ET=

62.86?10 = 4180?10EA =1.59(KWh/t)

式中：A—年产量，吨/年。此处取矿井设计年产量为180万吨。

三、主水泵房布置及安装尺寸 1、一般规定

1）主水泵房一般设备井筒附近，要求通风良好，便于搬运设备。 2）在一般情况下，主水泵房和井下中央变电所连接在一起，并设防爆门分割。当井下由于扩大开采和延深，使涌水量有所增加的可能时，应考虑泵房长度有增设水泵的余地。此时在井筒断面大小上，也要预留有相应增设管路的安装位置。

3）每台水泵排水量小于100m3/h时，两台水泵的吸水管可共用一个吸水井，但其滤水器边缘的距离，不得小于吸水管直径的两倍；100m3/h及以上的排水量则应有独自的吸水井。

4）水泵电动机容量大于100kw时，主排水泵房应设起重梁，并敷设轨道与车厂巷道相通，在井口处留有转车空隙。

5）为保证雨季或发生透水灾变的安全，泵房必须设置防水闸门，在闸门关闭时，泵房还必须留有形成独立通风的巷道。

2、主水泵房布置

水泵应顺着泵房的长度轴向排列。泵房轮廓尺寸应根据安装设备的最大外形尺寸，通道宽度和安装检修条件等确定。

1)水泵房的长度 L=NLi+A(n+1) =3×3.938+2(3+1)

=19.8(m)

式中：n—水泵台数，台；

Li—水泵机组（包括电动机）的总长度，m； A—水泵机组的净空距离，m，一般为1.5～2.0m。 2）水泵房的宽度 B=b1+b2+b3

=0.92+1.8+1.0 =3.72(m)

式中：b1—水泵基础宽度，m，水泵选定后，经查200D-43×8水泵的安装尺寸表，200D-43×8的地脚安装尺寸宽度值为520mm，按照基础设计的一般要求，基础宽度尺寸应比水泵底座最大外形尺寸每边约大200mm，所以，在此泵的基础宽值取为520+400=920mm；

b2—水泵基础到有轨道一侧墙壁的距离，已通过泵房内最大设备为原则，一般为1.5～2.0m，此处取1.8m；

b3—水泵基础到吸水井一侧墙壁的距离，一般为0.8～1.0m,此处取其大值1.0m。

3）水泵房的高度

水泵房的高度应满足检修时起重的要求，一般为3.0～4.5m若根据水泵工件轮直径DI确定；DI≥3500mm时取4.5m；DI≤350mm时取3m，此处泵房高度设计取4.5m。

4）水泵基础的近似计算

水泵基础的长和宽应比谁泵底座最大外形尺寸每边大约200mm。

大型水泵基础应高于泵房地面150～300mm；小型水泵可以固定于岩石上。临时性小型水泵可不设基础。

基础的容积： V?=

PB(1.0~1.5)G=

VV??2000 =1.3?5805 =3.8(m3)

式中：PB—垂直往上的作用力 PB=（1.0～1.5）G，kg； 水平力 PB=（1.0～1.25）G，kg； G—水泵与电动机的重量，kg； V?—基础容积的比重，V?=2000kg/m3 基础硬度： h= =

V?BL-(0.15～0.30)

3.8-0.30

0.92?1.475 =2.1(m)

砌筑材料条用牌号为325-425号水泥以及纯净的砾石和沙子，组成为1:2:4的比例。

四、防水门的确定

防水门设置两通，防水门规格尺寸为2700×2400（㎜），压力10㎏/㎝2，重量6800㎏.防水门能在发生突然涌水时迅速地关闭，通过防水门段的钢轨为活动接头，平时不铺设钢轨，只有在进行设备检修运输时临时铺设。

五、泵房布置方式

此处泵房布置采取压入式布置方式，泵房底板标高低于大巷标高，此种布置方式电耗小，自动控制简单，设有气蚀现象，无底阀，吸水阻力损失小。但通风条件较一般泵房差，碉室开拓费用较高，但长远的经济效果好。

六、泵房长度的确定

在内容之中，泵房长度的计算仅是考虑放置三台泵时泵房长度，而在实际操作中尚需考虑检修时的长度，因此考虑在泵与泵之间通有4m的检修空间，应泵房与水平变电所较远，为便于操控水泵，高压开关及高压启动盘也布置于泵房内，按规范要求，高压启动盘距泵房墙壁0.8m泵房设计长度为30.8m. 七、水仓的布置

此次设计，设置有800m3和600m3的两个安全水仓，在水仓入口处设有沉淀池和隔离栅栏，目的是减少水仓内淤积污泥和流进异物，而被泵吸入，影响水泵的安全运行。水仓每年定期进行清理污泥。

流速 Vd(m/s) 1.5 1.75 2 2.2 75 24 28 32 35 100 43 50 57 63 管路直径（mm） 25 38 50 65 75 100 最大流量（1/s） 1 2.5 4.17 6.67 10 18.4

常用管径、流速与流量关系见表1 表1常用管径Dg/流速Vd与流量Q关系 管径Dg(mm) 125 150 200 225 250 300 流量Q(m3/h) 67 95 170 216 265 383 78 110 198 252 310 446 89 128 227 288 364 510 98 140 249 317 390 562

一定管径直径之最大流量及流速限制见表2

表2 最大流速（m/s） 管路直径（mm） 最大流量（1/s） 最大流速（m/s） 2.04 125 30 2.44 2.21 150 43 2.45 2.12 175 60 2.49 2.01 200 83.3 2.69 2.26 250 133.3 2.72 2.33 300 192 2.71

管件名称 带滤网的底阀 闸阀 逆止阀（开启400） 逆止阀（开启500） 弯头 异径管 合流三通 单流三通 分流三通 直流三通 管路直径 (mm) 管路直径（mm） 50 0.0455 250 0.0284

表3管件等值长度 管件内径（mm） 75 100 125 150 200 250 300 350 关键的等值长度（m） 15 18 23 27 34 39 41 45 0.45 0.66 0.87 1.31 1.64 2.2 2.78 3.4 25 31 36 39 41 45 50 54 20 21 24 29 36 39 41 45 0.45 0.66 0.89 1.31 1.64 2.2 2.78 3.4 1.79 2.63 3.55 4.52 6.58 8.8 11.1 13.6 5.38 7.89 10.65 13.73 26.41 33.3 40.7 48 3.59 5.26 7.1 9.04 13.16 17.61 22.2 27.1 2.69 3.95 5.33 6.78 9.83 13.2 16.7 20.4 1.79 2.63 3.55 4.52 6.58 8.8 11.1 13.6

表4水和管壁摩擦的阻力系数值 75 100 125 150 175 0.0418 0.038 0.0352 0.0332 0.0316 275 300 325 350 400 0.0276 0.027 0.0263 0.0258 0.025

400 50 4 58 50 4 16 56 32 24 16 450 52 4.67 54 4.67 18.7 64.1 37.3 28 18.7 500 53 5.34 58 5.34 21.4 42 32 — 200 0.0304 450 0.0241 225 0.0293 500 0.0234

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