毕业设计-矿井排水系统.doc

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1、 2014届毕业论文 煤矿主排水设备选型设计学 生： 学 号：专 业：矿山机电 班 级：12矿山机电1班 指导教师： word文档 可自由复制编辑 摘要:根据设计任务书所提供资料，以严格遵守矿井安全规程和煤矿工业设计规范所规定的有关条款为依据，以安全可靠为根本，以投入少、运行费用低为原则的设计指导思想，确定矿井对排水系统的具体要求。初步选择排水方案，进行设备选型以及相关计算，确定设备工况，校验水泵的稳定工作条件、经济运行条件，排除不合理方案。对所剩方案进行经济核算，以吨水百米费用和初期投入为指标筛选出最终方案。选择系统配套附件，根据各设备外形尺寸及安装要求，并考虑其运行条件，最终确定泵房及管路

2、的布置图。关键词:矿井涌水; 水泵; 工况点; 设备布置;目 录第一章 绪论4 1.1对排水系统的要求4 1.2对排水设备的要求5 1.3离心式水泵的分类5第二章 矿井排水系统的确定7 2.1分析本矿井特点7 2.2方案一 直接排水系统7 2.3 方案二 分段排水系统8第三章 水泵的选型及台数计算9 3.1排水系统对水泵的要求9 3.2初选水泵型号10 3.3所需水泵的台数12第四章 排水管道选型计算及管道的布置14 4.1排水管选择计算14 4.2管路趟数及布置方式的选择16第五章 吸水管道选型计算及管道的布置18 5.1吸水管道选型计算18 5.2绘制管道系统图19第六章 管道特性曲线的绘

3、制及工况点的确定20 6.1 求管路特性方程式并绘制管路特性曲线20 6.2确定工况点24第七章 水泵工作合理性校验25 7.1校验水泵稳定性25 7.2校验排水时间25第八章 水泵电动机的选型计算26第九章 主排水经济指标的计算27 9.1电费27 9.2设备购置费28 9.3安装工程费28 9.4井巷工程费29第十章 水泵房、水仓的布置尺寸确定29 10.1泵房尺寸29 10.2水仓尺寸32参考文献33第一章 绪 论1.1对排水系统的要求在矿井建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井。只有极少数例外的矿井是干燥。将涌入矿井的水排出，只是和矿水斗争的一方面，另一方面是采取有效措施，减少

4、涌入矿井的水量。特别是防止突然涌水的袭击，对保证矿井生产有重要意义。矿井排水设备不仅要排除各时期涌入矿井的矿水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水。在恢复被淹没的矿井时，首要的工作就是排水。排水设备始终伴随着矿井建设和生产而工作，直至矿井寿命截止才完成它的使命。因此，排水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，它对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。为了使排水设备能在安全、可靠和经济的状况下工作，必须做好确定排水方案，选择排水设备，进行布置设计，施工试运转，直到正常运行各环节的工作。1.1.1矿水来源矿井水的来源分为地面水和地下水，地面水是江、河、湖、溪、池塘的存水及雨水、

5、融雪和山洪等，如果有巨大裂缝与井下沟通时，就会造成水灾。地下水包括含水层水、断层水和老空水。地下水在开采过程中不断涌出。矿水可以用单位时间涌入矿井内的体积来度量，称为绝对涌水量。一般用“q”表示，其单位为m3/h。涌水量的大小与该矿区的地理位置、地形、水文地质及气候等条件有关；同一矿井在一年四季中涌水量也是不同的，如春季融雪或雨季里涌水量大些，其他季节则变化不大，因此前者称最大涌水量，而后者称为正常涌水量。为了对比不同矿井涌水量的大小，通常还采用同一时期内，相对于单位煤炭产量（以吨计）的涌水量作为比较参数，称它为相对涌水量，或称为含水系数。若以K表示相对涌水量，则 K=24q/T （m3/t）

6、式中 q绝对涌水量，m3/h；T同期内煤炭日产量，t。1.1.2 矿水性质矿井水中会有各种矿物质，并且会有泥沙、煤屑等杂质，故矿井水的密度比清水大，15。C矿水的密度约为1015-1025kg/m3。按PH值矿水可分为碱性PH7、中性PH=7、弱酸性PH=46和强酸性PH=03。酸性水对排水设备的非耐酸金属零件产生腐蚀作用，减少排水设备正常使用年限。矿水中含有的悬浮状固体颗粒进入水泵后加速金属表面的磨损。当PH5时，要求排水设备（包括泵、管路等）应选用耐酸材料，或者对水质进行中性处理。对于矿水中的悬浮颗粒应在水泵前加以沉淀，而后再经泵排出矿井。1.2对排水设备的要求 排水设备是煤矿大型固定设备

7、之一，为确保矿井设备安全生产，要求排水设备在矿井服务年限内，必须安全、经济、可靠、合理的工作。选择的排水设备及其布置方式必须符合矿井安全规程和煤矿工业设计规范以及国家有关的技术规定；同时，在技术合理的前提下，应尽可能提高设备的装备效率和设备本身的完好率，充分发挥设备的潜力。1.2.1固定式排水设备 固定式排水设备安装在副井井底车场附近的泵房内，做主排水用，它将全矿或大部分矿水排至地面1.2.2移动式排水设备 移动式排水设备主要用于掘进工作面（含建井期凿井排水）或淹没坑道的排水并要求排水设备能随工作面的推进或水位下降而移动。1.3离心式水泵的分类1、按叶轮数目分（1）单级水泵泵轴上有仅装有一个叶

8、轮(2) 多级水泵泵国上装有几个叶轮2、按水泵吸水方式（1）单吸水泵（2）双吸水泵3、按泵壳的结构分（1）螺壳式水泵（2）分段式水泵（3）中开式水泵4、按泵轴的位置分（1）卧式水泵（2）立式水泵5、按比转数分（1）低比转数水泵比转数=40-80（2）中比转数水泵比转数=80150（3）高比转数水泵比转数=150-300word文档 可自由复制编辑 第二章 矿井排水系统的确定2.1分析本矿井特点：本矿年产量 90万吨，采用竖井开拓，井口标高 +50.00m，水平标高-265.00，正常涌水量4.5m3/min，最大涌水量7.2m3/min，矿水中性，矿水密度1020kg/ m3，最大涌水期按60

9、天计算，服务年限30年。由此，可供选择的排水系统有以下两种：2.2方案一 直接排水系统直接排水系统是指井下的涌水通过排水设备直接排到地面。如单水平开采的矿井，在开采第一水平时，就采用直接排水系统。图（a）是竖井单水平开采时的直接排水系统。图（b）是竖井多水平开采时，各水平的涌水分别由本水平的排水设备直排地面。图（c）是竖井两个水平同时开采时，若上水平涌水量较小，经技术经济比较后，可将上水平的涌水通过管路自流到下一水平的水仓中，然后两个水平的涌水由下水平排水设备直排地面。图（d）是斜井单水平开采时，若地质条件比较稳定、又无大的断层，经技术经济比较后，可采用钻孔下排水管的方法将水直排地面。若地质条

10、件较复杂或井较深，可采用沿斜井井筒敷设排水管路的方法，将水直排地面。这种排水系统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，便于管理，而且上、下水平的排水设备互不影响。（图1.1）。.图1.12.3 方案二 分段排水系统分段排水系统，是指井下的涌水通过几段排水设备转排到地面。一般适用于矿井较深，又受排水设备能力所限制的矿井排水。另外，多水平同时开采同时开采时，为减少井筒内管路敷设的趟数，也常采用分段排水系统。图（a）是竖井单水平开采时，由于井深已超过水泵可能产生的扬程时，可在井筒中部开拓泵房和水仓（相当于两个水平分段排水系统）将水经两段排水

11、设备排至地面。此图也可表示为竖井多水平开采时的分段排水系统。图（b）是斜井两个水平同时开采时的分段排水系统。采用中继排水，在井筒中部设置一套排水系统，可有效降低主排水设备的扬程，从而降低主排水设备的规模。缺点是当一套排水设备发生故障是，会影响整个矿井的排水，而且设备数量较多井筒中的管路复杂，不利于安装和维护。（图1.2）。 (a) (b)图1.2根据上述的有关规定,本着尽量减少水泵数量的原则,并且考虑基建、维护、运行成本的简易程度，选用方案一作为本设计的排水方法.第三章 水泵的选型及台数计算选择水泵的型式和台数应符合规程和规范的规定。若有两种或两种以上符合要求时，应选其中尺寸小，效率高的水泵，

12、而且水泵的台数应尽可能少。只有在不得已的情况下，才采用两台水泵并联排水。3.1排水系统对水泵的要求：a)水泵必需排水能力的计算 依据规程，在正常涌水期工作水泵的排水能力应为：由于该矿井，所以该煤矿所选工作水泵的工作能力应为：在最大涌水期，工作和备用水泵必需的总排水能力：备用水泵的工作能力：取二者较大值：检修泵组的工作能力：式中 1.2煤矿安全规程规定的排水设备能力系数。b)估算水泵必须的扬程：Hb = Hcg=2600.9= 234 m式中 Hc排水高度，Hc=260 m; g 管路效率。 当管路在立井中铺设时， g =0.90.89 3.2初选水泵型号参照泵产品样本,因为矿水呈中性，所以选择

13、D型泵，依计算的工作水泵能力Qe可选择泵的型号为:泵 D450-60 的级数为：i=HB/Hi=5.65.9 取i=6泵 D500-53 的级数为：i=HB/Hi=5.96.2取i=6则水泵的型号为：D450-60和D500-53 其详细资料如下：表2.1 离心泵参数：型号级数流量扬程H(m)转速n(r/min)功率P(KW)效率必需汽蚀余量(NPSH)r(m)泵重(kg)(m3/h)(L/s)轴功率Pa电动机功率D450-6064501253601480558.5680794.97390图2.1表2.2 D450-608型离心泵参数：型号级数流量扬程H (m)转速n(r/min)功率P(KW

14、)效率必需汽蚀余量(NPSH)r(m)泵重(kg)(m3/h)(L/s)轴功率Pa电动机功率D500-5765001393991480671850815Y5003-4（IP23/6kv） 图2.23.3所需水泵的台数为：表2.3D450-608D500-538 1 1 1 1 11 3 3 式中分别为工作、备用检修水泵的台数。计算水泵装置效率 排水设备主要由水泵、电机、管路、电控设备等组成。排水时的装置效率定义为：输出地有益能量与装置输入的能量之比，其比值用表示，且,则装置效率为 (3-17) 式中 水泵工况点效率，81%； 管道效率，98%； 电机效率，92%； 传动效率，98%。 其他符号

15、意义同前所述。为确保排水设备经济运行，对竖井其装置效率，；对斜井其装置效率，。根据式(3-17)，在合理工况中，分别计算出装置效率，选出装置效率较高的泵和管路系统作为优选排水设备，从而确定水泵型号、台数、管路系统及其布置方式。2.6.1若电机效率d=0.92, 工况效率m1=0.78，管路效率 g1=HC/Hm1=320/330=0.97，则装置效率为： z1=m1dg1c =0.780.920.970.98=0.68(z0.6) 2.6.2若工况效率m3 =0.76，管路效率g3=HC/Hm3=320/328=0.98,则装置效率为：z3=m3dg3c=0.80.920.980.98=0.7

16、(z0.6) 由此可选定 D500-57型水泵3台，排水管路选 YB-231-70-2998 管 两趟，吸水管规格为 YB-231-70-3258第四章 排水管道选型计算及管道的布置4.1排水管选择计算a）.计算根据规范第2138条,管径常按经济流速Vp=1.52.2m/s计算:式中 dp排水管内径(计算),m. 对于D450-60水泵，额定流量为 450m3/h 对于D500-57水泵，额定流量为5003 m3/h b）.壁厚度的计算：壁厚可按如下公式计算：式中： dp排水管内径,cmp管内液体压强，作为估算p=0.011Hp(MPa)； Hp(m)为排水高度；z许用应力。铸铁管z=20 M

17、pa,焊接钢管z =60 Mpa, 无缝钢管z =80 Mpa;C附加厚度,对于铸铁管C=0.70.9cm;焊接管C=0.2cm; 无缝钢管C=0.10.2cmc)水管材质:对于敷设在深度不超过200m竖井内的排水管多采用焊接钢管,深度超过200m时多用无缝钢管;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、焊接钢管和铸铁管。对于D450-60 水泵，对于D500-57水泵，表2.4 热轧无缝钢管 （YB231-70）（mm）外径壁厚外径壁厚外径壁厚外径壁厚323842455054576063.56870732.58.02.58.02.510.02.510.02.510

18、.03.011.03.013.03.014.03.014.03.016.03.016.03.019.0768389951021081141211271331401463.019.03.524.03.524.03.524.03.528.03.528.04.028.04.032.04.032.04.032.04.536.04.536.01521591681801942032192452732993253514.536.04.536.05.045.05.045.05.045.06.050.06.050.07.050.07.050.08.075.08.075.08.075.0377402426459(

19、465)480500530(550)5606006309.075.09.075.09.075.09.075.09.075.09.075.09.075.09.025.09.025.09.025.09.025.09.025.0壁厚系列2.53.03.54.04.55.05.5677.583.599.5101112131415161718192022242526282930343536384042454850566063657075自表2.4中查得的无缝钢管如下：对于D450-60水泵选取 管2998或 管3258对于D500-57水泵选取 管2998或 管32584.2管路趟数及布置方式的选择a)

20、 管路趟数的选择 根据规程有关规定，水管必须有工作和备用的，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。涌水量小于300m3/h的矿井，排水管也不得少于两趟。对于所选的三台水泵，敷设两趟管路，即三泵两管工作方式，一台水泵工作时，可通过其中任一趟管路排水，另一趟管路备用；两台水泵同时工作时，可分别通过一趟管路排水。b) 其管路系统布置如图图3-4（a）1）图3-4（a）是三台泵两趟管路的布置方式。一台水泵工作时，可通过其中任一趟管路排水，另一趟管路备用；两台水泵同时工作时，可分

21、别通过一趟管路排水。图3-4 四台水泵管路布置方式（b）2）图3-4(b)是四台泵三趟管路的布置方式，正常涌水时期两台泵工作，可通过其中任意两趟管路分别排水，另一趟管路备用，最大涌水时期三台泵工作可各用一趟管路排水。图3-3 五台水泵管路布置方式（c）3) 图3-4（c）五台水泵三趟管路的布置方式，正常涌水时期两台泵工作，可通过其中任意两趟管路分别排水，另一趟管备用；最大涌水期四台泵工作，三趟管路排水，泵在并联管路上工作。根据上述规定，对于此设计中的D450-606 ，3台水泵，敷设2趟管路，其管路系统布置如上图3-4a所示；对于D500-576 ，3台水泵，敷设2趟管路，管路系统布置图如上图

22、3-4a所示。第五章 吸水管道选型计算及管道的布置5.1吸水管道选型计算计算根据规范第2138条,管径常按经济流速Vp=0.81.5m/s计算:式中 dx吸水管内径(计算),m. Qe额定流量，m3/h。 对于D450-60水泵，a）由上述可知，对应管2998水泵吸水管选为：管3258b）由此对应管32510水泵吸水管选为：管3518对于D500-57水泵选取c）对应管2998水泵吸水管选为：管3258d）对应管3258水泵吸水管选为：管35195.2绘制管道系统图图4.1 管道系统图估算管道长度排水管道长度可估算为：，取；吸水管长度 。水流经泵房内排水管的长度，一般取=2030m；管子道中的

23、管子长度，一般取=2030m；井口出水管长度，一般取=1520m。第六章 管道特性曲线的绘制及工况点的确定6.1 求管路特性方程式并绘制管路特性曲线由上计算可知排水管和吸水管的长度，不计管径差异，近似地按排水管径计算其特性，则：a）.计算排水管道的局部阻力系数：排水管道管件局部阻力系数如表2.5所示表2.5 管件局部阻力系数名 称简 图局 部 阻 力 系 数 闸板阀x/d1/82/83/84/85/86/87/8197.8175.522.060.810.260.070.01止回阀1520253040455055607090624230149.56.64.63.21.7滤水器（带底阀）mm405

24、07510015020025030012108.57.66.05.24.43.7无底阀时=0.1渐缩管0.1扩大管 以下0.20.50.60.70.80.9弯头0.40.50.60.81.0*1.21.41.61.82.00.1380.1450.1580.2060.2940.440.6610.9741.4081.978弯头三通由排水系统管路简图，选择其中局部阻力最多的一条管路做为计算的对象，列出可产生局部阻力的元件如下表：表2.6名称数量局部阻力系数管2998管3258管3258管3518直角弯头40.2940.2940.2940.29430度弯头20.1960.1960.1960.196转弯

25、流三通11.51.51.51.5直流三通20.70.70.70.7闸阀20.260.260.260.26逆止阀11.71.71.71.7名称数量管2998管3258管3258管3519直角弯头10.294 0.294 0.2940.294渐缩管异径管10.10.10.10.1底阀13.73.73.73.7合计4.0944.0947.6927.6924.0944.0947.6927.692b).选取沿程阻力系数:对于D450-60水泵选取 选用管2998作为排水管时0.0237吸水管3258取 0.0307选用管3258作为排水管时0.0292吸水管3518取0.0237对于D500-57水泵选

26、取 选用管2998作为排水管时0.031吸水管3258取0.0292选用管3258作为排水管时0.0298吸水管3519取0.0285式中 排水管路沿程阻力系数 吸水管路沿程阻力系数c).求管路特性方程式并绘制管路特性曲线.管路特性方程式:H=HSY+RQ2式中 R管路阻力损失常数,用下式计算：对于D450-60水泵在选取管2458做为排水管时有：在选取管27310做为排水管时有：对于D500-57水泵选取在选取管29910做为排水管时有：在选取管32510做为排水管时有：故管路特性方程式:对于D450-60水泵在选取管3258做为排水管时有：H=Hsy+ RQ2 = 挂垢后的管路特性方程为：

27、H=Hsy+1.7RQ2 =在选取管3518做为排水管时有：H=Hsy+ RQ2=挂垢后的管路特性方程为：H=Hsy+1.7RQ2 =H=对于D500-53水泵选取在选取管29910做为排水管时有：H=Hsy+ RQ2 =挂垢后的管路特性方程为：H=Hsy+1.7RQ2=在选取管32510做为排水管时有：H=Hsy+ RQ2 =挂垢后的管路特性方程为：H=Hsy+1.7RQ2 =6.2确定工况点由以上方程就可以在水泵性能区线图上绘出管路特性曲线。参照水泵的流量范围，选取几个流量值，分别计算排水所需扬程。对于D450-60水泵在选取管3258做为排水管时,表2.7Q，m3/h0100200250

28、300350H1, m320 320.54322.16323.16324.85326.74H1/6 m53.3 53.4253.6953.8954.1454.46在选取管3518做为排水管时有：表2.8Q，m3/h0100200250300350H2, m320 320.4 321.6322.5323.6325H2 /6 m53.353.453.653.7553.9354.17将管路特性分别绘制在D450-608型水泵性能曲线上，由图2.5可见，工况点M2趋进工业区边缘，为确保水泵正常工作，故舍去，最后确定工况点为M1 ，工况参数分别为Qm1= 500m3/h, Hm1 =330m, Nm1

29、=100KW, m1 =78%(NPSH)m1= 5对于D500-57 水泵选取在选取管3258做为排水管时有：表2.9Q，m3/h0250350450500550H4, m320321.97323.86326.38327.88329.53H4/6m53.3353.6653.9854.454.6554.92在选取管3518做为排水管时有： 表2.10Q，m3/h0250350450500550H4, m320321.28322.5324.13325.1326.17H4/6m53.3353.5653.7554.0254.254.36将管路特性分别绘制在D500-57型水泵性能曲线上，由下图可见，

30、工况点M4趋进工业区边缘，为确保水泵正常工作，故舍去，最后确定工况点为M3 ，工况参数分别为Qm3= 530m3/h, Hm3 =328m, Nm3 =105KW, m3 =80%, (NPSH)m3=5.6m第七章 水泵工作合理性校验7.1校验水泵稳定性1）自特性查得Q=0时6级泵的扬程H0 = 69 该值大于HC =63 ，满足稳定条件0.9H0HC的要求。2）自特性查得Q=0时6级泵的扬程H0 =71 该值大于HC =53，满足稳定条件0.9H0HC的要求。7.2校验排水时间7.2.1 D450-60水泵对于D280-65水泵在选取管3258做为排水管时有：在正常涌水期每天所需排水时间为

31、Tz1= 24qz/n1Qm1=244.560/1500=12.96h 在最大涌水期每天所需排水时间为Tmax1= 24qmax/(n1+n2)Qm1=247.260/2500=10.4h 7.2.2 D500-57水泵对于D450-60水泵在选取管29910做为排水管时有：在正常涌水期每天所需排水时间为Tz3= 24qz/n1Qm3=244.560/530=12.23h 在最大涌水期每天所需排水时间为Tmax3= 24qmax/(n1+n2)Qm3=247.260/2530=9.78h 经校验排水时间均小于20h，符合煤矿安全规程规定第八章 水泵电动机的选型计算所选水泵工作在工业利用区，可直

32、接选用水泵厂家提供的配套电动机，型号为： JSQ-1512-6型高压三相高速鼠笼异步电动机 其参数如下表：表2.11额定功率KW额定电压V额定电流A效率总电阻转速r/min78060009095.71.841480第九章 主排水经济指标的计算9.1电费a）年电耗由于正常涌水期和最大涌水期各泵的工况参数相同，则年电耗为E=（nzrzTznmaxrmaxTmax）= 3.55kw式中 1.05辅助用电系数； 矿水重度，N/m3 ； Q工况流量，m3/h； H工况扬程，m； 水泵工况效率； C传动效率； d电机效率； W电网效率，一般可选取W=0.95-0.97； nz ,nmax 正常和最大涌水期

33、水泵工作台数； rz ,rmax 正常和最大涌水期水泵工作天数 ,d；Tz ,Tmax 正常和最大涌水期水泵工作时间 ,h；b)年电费年电费等于当地工业电价Cd（元/度）与年电耗量之积，即S1 = CdE =35.5万元9.2设备购置费 设备购置费 项目类别设备费分计总额（万元）名称单价（元）数量机电设备水泵5.68336电动机JSQ-1512-64.683三阀、真空泵配电设备KRG-6A 型高压综合起动器13.1113.1排水管路无缝钢管65.2/m445310.5钢管管件0.2/组3总额(万元)（考虑运杂费）66.3注：表中数据在水泵样本等，及附录b中查得9.3安装工程费 项目类别设备安装

34、费（万元）外加工资调整（万元）施工管理费（万元）总额（万元）机电设备24.360.5123.3528.22配电设备1.470.15312.623排水管路4.817.913.7辅助车间服务费19.8总额64.3439.4井巷工程费工程名称技术特征单位数量单价（万元）总分（万元）经济指标（万元）基价地区系数地区单价直接定额费辅助费施工管理费合计泵房硐室63.61.093.923.42414.261.610.3管子道m13.51.093.83.83.92.31010水仓绞车房13.51.093.83.83.92.31010水仓253.51.093.89597.457.5249.910基本投资基本投资=设备购置费+安装工程费+井巷工程费 表3-25、表3-27、表3-29得基本投资=66.3+64.343+（61.6+10+10+249.9）= 462.143（万元）第十章 水泵房、水仓的布置尺寸确定10.1泵房尺寸泵房尺寸依具体情况不同而异，详细计算必须查出泵、电动机及管道等外型尺寸，以及运输用的平板车规格。1、泵房宽度： 式中:gj管子中心