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1、某职业技术学院机电工程系毕业设计摘要矿山进入凹陷开采后，必然面对如何解决排水的问题。永平露天矿结合矿山采掘工作面的实际情况，设计出组合式浮船泵站，解决了雨季矿山凹陷排水问题，使采区生产得以正常进行。分析了煤炭给排水的现状及存在问题，从给水水源选择、井下供水、矿井工业场地的循环冷却用水及煤矿污水处理等方面探讨了煤矿给排水设计存在的问题及改进方向，论述了合理利用矿井排水资源，合理配置给排水及循环水系统，提出煤矿污水处理必须联系实际选择可行性方案。煤矿给水设计的基本任务是满足矿井建设生产对水量、水压和水质的要求。主要包括矿井工业广场的生产、生活及消防用水；各类工业设备的冷却循环用水；矿井住宅区的生活
2、及消防用水；矿井井下给水。 煤矿排水设计的基本任务是将矿井工业广场及居住区产生的各类生产废水、生活污水及雨水有组织的、符合环境保护要求排入地面水体。 煤矿给排水设计与城市给排水设计相比较有许多相似之处但又有其特殊性。一方面生产生活需要大量用水，另一方面煤矿开采又大大破坏地下水资源。在煤矿建设过程中，怎样才能符合市场经济规律，进行商业化、城市化给排水设计，怎样合理利用水资源，保护地面水环境，是煤矿给排水设计工作者必须重视的问题。本文结合多年从事煤矿设计的实践，对煤矿建设给排水设计存在的若干问题提出自己的看法。 关键词：矿山设备 排水 污水处理 排水设计 目 录摘要1绪论3第一章矿山排水设备4 1
3、.1 矿山排水设备的组成4 1.2 矿山排水系统4 第二章排水设备的选型设计6 2.1设计题目 62.2设计资料 62.3设计要求 62.4选型的计算及步骤7第三章 煤矿排水存在的问题13.3.1煤矿生活污水处理设施重复建设现象普遍143.2污水处理设计参数选择不合理15总结16参考文献17绪 论在矿井建设和生产过程中，从各种渠道来的水源源不断地涌入矿井，如果不及时排除，必将影响煤矿的安全生产。因此，必须设置水泵，把涌入矿井的水及时从井下排至地面。另外，由于煤矿地质条件复杂，有可能遭到突然大量涌水而淹没矿井，这时需要排水设备抢险排水，以尽快恢复矿井生产。总之，矿井排水始终伴随着煤矿建设好生产，
4、直至矿井报废，才能完成它的历史使命。因此，矿井排水是煤矿建设和生产中不可缺少的一部分，它对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。在煤矿地下开采过程中，由于地层含水的涌出，雨雪和江河水的渗透，水砂充填和水力采煤的井下供水，使得大量的水昼夜不停的汇集于井下。这些水给矿井的正常生产带来了很大的危险，为保证矿井的正常生产必须随时将涌入矿井的水排出，这项任务是由矿井排水设备来完成的。第一章矿山排水设备1.1 矿山排水设备的组成 矿山排水设备一般由水泵、电动机、启动设备、管路、管路附件和仪表组成。1.2 矿山排水系统1.1.1矿水在煤矿开采过程中，随时有矿水涌入矿井，矿井水来自大气降水，地表水，地下水，这些
5、水通过各种途径涌入矿井。涌入矿井的水统称为矿水。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，因此各矿涌水量极不相同。一个矿在不同季节涌水量也是变化的，通常在雨季和涌水期出现涌水高峰，此期间的涌水量称为最大涌水量，其他时间的涌水量变化不大，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，常用在同一时间内，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式中：q-矿井涌水量，m3/h Ar-同一期内煤炭日产量。 矿水在穿过岩层和沿坑道流动过程中，溶入了各
6、种物质，因此矿水的密度比一般清水大，约为10151025kg/ 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，当矿水中氢离子浓度的PH值等于7时为中性水，PH7时为碱性水，酸性矿水对金属有腐蚀作用，因此当矿水的PH5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1t煤要排出27t矿水，甚至多达3040t。矿山排水设备的电动机功率小的几千瓦，大的几百千瓦或上千瓦，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）。具有重要的意义。1.1.2排水系统对于巷道低于地面
7、的矿井，涌入矿井中的水需要排水设备将水排到地面。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，矿井排水课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底车场的水仓内，并用排水设备将其排到地面。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。（1） 直接排水系统，如个水平涌水量都很大，各水平分别设置水仓，泵房和排水装置，将个水平的水直接排到地面。此方案的优点：上下水平互不干扰。缺点：井筒内管路多。（2） 集中排水系统，当水平的涌水量较小时，可将上水平的水下放到下水平而后由下水平的排水装置直接拍到地面。此方案的优点：只
8、需一套排水设备。缺点：上水平的水下放后在上提损失了位能，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，要经过技术好经济的综合比较后才能确定。1.13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仓排至地面。为了防止断电或排水设备发生故障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8h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，为防止排水系统阻塞和减轻排水设备磨损，在水仓中要进行沉淀，根据
9、颗粒沉降理论，为了达到能把大部分细微颗粒沉淀于仓底水在水仓中流动的速度必须小于0.005m/s，而且流动时间要大于6h，因此水仓巷道长不得小于100m。未了在清理水仓沉淀物的同时，又能保证排水设备正常工作，水仓至少要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，也可以布置在水泵房的两侧，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，在水泵房的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
10、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都敷设轨道。1.14水泵房水泵房是转为安装水泵，电机等设备而放置的硐室，大多数主水泵房布置在井底车场附近，其原因如下：（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。（4） 在井底车场附近，通风条件好，改善了泵与电机的工作环境。（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。水泵房排水设备的布
11、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)式中 n-水泵台数 L0-水泵机组（泵和电动机）的基础长度m; L1-水泵机组的净空距离，一般为1.52.m;在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可能，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+bz 式中 b0-水泵的基础宽度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1.52m
12、. bz-水泵基础另一边到吸水井一侧墙壁的距离，一般为0.81.0m. 3水泵房的高度 水泵房的高度应满足检修时起重的要求，根据具体情况确定，一般为3.04.5m,或根据水泵叶轮直径确定：在D350mm时取4.5m，并应设有能承受起重质量为3-5t的工字梁；在d350mm时取3m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约大200-300m，大型水泵基础应高于泵房地板200m.第二章排水设备的选型设计2.1 设计题目排水设备的选型设计2.2 必备的资料1、 单水平开采，井深625m；2、 正常涌水量qz760（m3/h），正常涌水期rz320（d）；3、 最水涌水量qmax150
13、0（m3/h），最大涌水期rmax45（d）；4、 矿水中性，密度1020（kg/m3）；5、 矿井电压（6000V）；6、 矿井主排水设备泵房设在井底车场附近；7、 属低沼气矿井；8、 矿井年产量4106（t）；2.3 设计要求：选择排水设备1 拟定排水系统2 选泵的型式及台数3 选泵管路并作管路布置4 计算管路特性5 确定排水装置的排水工况，验算排水时间6 计算必须的电动机容量及电能耗量7 经济核算页8 绘制所需的图形2.4 选型的计算及步骤2.4.1选择排水系统排水系统分为两种：一是直接排水，二是分段排水。因考虑到矿井较深，可采用壁厚不等的管道分段安装。所以采用分段排水姣好。2.4.2选
14、泵的型式及台数1 工作水泵必须的排水能力根据有关规定，要求投入工作的水泵的排水能力能在20小时内排完24小时的正常涌水量。即 B24qz /20 则 Qb1.2 qz = 1.2 760 = 912 (m3 / h )又工作泵与备用泵的总能力，能在20小时内排完24小时的最大涌水量。即 Qmax 24 qz / qmax则 Qmax 1.2 1500 =1800 (m3 / h )其中qz 为正常涌水量， qmax 为最大涌水量 Qb 为工作水泵必须排水能力 Qmax 为工作与备用水泵必须的排水总能力2. 水泵必须扬程利用管路效率概念，用HB = Hc / g （ m ）则HB = Hc /
15、g =630/（0.90.89） =700707.9 （ m ） 其中Hc =井深 + 井底车场与最低吸水面标高差 + 排水管高出井口高度 = 625 + 4 + 1 = 630 （ m ） 式中 g 为管路效率，对于竖直敷设的管路 g = 0.9 0.89，对于倾斜敷设的管路，当倾角 30时 取 g =0.830.8 ， = 30 20时 ，取 g = 0.80.77 ， 20时 取 g =0.77 0.74 。因井为竖井，所以 取 g = 0.90.89.3. 预选水泵型式及台数选能满足Qb 和HB 的水泵，最好是一台就能达到所需要求的排水能力，优先选择工作可靠、性能良好、体积小、重量轻而
16、且便宜的产品， 当矿水的PH 5 时，应采用防酸水泵.级额定扬程 Hei =100 （ m ） ，单级平均特性如图 （1）通过比较Qb、Qmax、和 Qe，在正常涌水时期需要水泵台数 n1 = Qb/Qe = 912/ 450 = 2 台，在最大涌水期需要水泵台数n1 + n2 = Qmax / Qe = 1800 / 450= 4 台.此之外需n3 =1台检修,所以必须的水泵台数n = n1 + n2 + n3 =5台.由特性曲线可以查得Q =B/2 =456 (m3 / h ) = 126.6 (L / s)时的扬程Hi =100.0 m. 所需泵的级数 i =HB/Hi = （700-7
17、07.9）/100 = 77.08 =7级综上所述，预选DS 4501007的水泵5台。 H（m） 图(1) （%） 130 120 110 100 90 80 700 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 Q（L/s）2.4.3 选择管路并作管路布置根据规程及工作水泵台数可选布置方式,可选三条管路,正常涌水期两台水泵各用一条管路排水.最大涌水期四台泵工作启用备用管路,共用三条管路并联排水.1计算管路并取材. 取经济流速Vp =1.52.2 (m/s)则 排水管内径 dp =(4Q /3600Vp)1/2 代入数据得, dp =0.327-0.270 (m), 由
18、标准YB 231-70 查得外径 Dp =325 ()的无缝管壁厚中有 8 . 10.14()等.取壁厚= 14 () dp =325 214 = 297 ().所需壁厚 = 0.5 dp (z + 0.40.011HP)/( z 1.30.011 HP)1/2-1+ C =0.529.7 (z + 0.40.011625)/( z 1.30.011625 )1/2-1 + 0.2 =1.37 ( )与所取壁厚正好吻合,其中HP排水高度, C为附加厚度.所以分段采用YB231-70 32514 32510 3258的无缝管作排水管.采用3518的无缝管作吸水管.1. 管路系统由流体机械11-1
19、方案宜采用e方案,其中吸水井为各泵一口井,这里只作其中一台泵的管路布置,其他四台布置如此图.排水管路系统图2管路长度的计算LP = Hc + (4050) = 670680 ( m),取LP =680 ( m) 吸水长度为LX = 8( m)2.4.4 计算管路特性1.计算沿程阻力系数x =0.021 /dx0.3 =0.021 /（0.335）0.3 =0.0291p =0.021 /dp0.3 =0.021 /（0.297）0.3 =0.03022.局部阻力损失系数排水管局部损失的当量管长:L dp =(p + 1) dp /p =( 5.628 + 1)0.297/0.0302 =65.
20、2 ( m )吸水管局部损失的当量管长:Ldx =x dx /x =3.306 0.335/0.0291 =38( m )3.管路阻力损失系数RT = 8 x(LX + Ldx)/ dx5 +p(LP + L d5p)/ dp/ 2g = 80.0291( 8 + 38)/(0.335)5 + 0.0302(680 +65.2)/(0.297)5/(3.14)29.8 = 8( 317.268 + 9738.623)/(3.14)29.8 =831.7 (s2/m5)4.管路特性方程式 由H =Hc + KRTQ2 可得H = 630 +831.710-6Q2 其中Q以(L/s)计参照水泵的流
21、量范围,选取九个流量值,再分别算出排水所需扬程和七级泵相应七分之一扬程值,如下表：Q(L/s)20406080100120140160180H (m)H(m)630.3390.05 631.3390.19632.9990.42635.3290.76638.3291.18641.9891.71646.3092.32651.2993.04656.9593.84最大涌水时期,三条管路并联的管路损失系数:RT=RT /9 =831.710-6/9 =92.410-6 (m. s2/L2)则管路特性方程为 H =630 + 92.410-6 Q2仍取九个流量,但是取泵的流量范围为单台泵的四倍,可的如下表
22、数据:Q(L/s)80160240320400480560640720H (m)H/(m)630.5990.08632.3790.33635.3290.76639.4691.35644.7892.11651.2993.04658.9794.13667.8495.41677.996.84利用上表可绘制出管路特性曲线,如图(2)H（m） （%） 0 80 160 240 320 400 480 560 640 720 0 Q（L/s）排水管局部阻力损失系数和,即p,其各管件的系数如下表:排水管：名称数量系数90弯头45弯头30弯头三 通斜流三通闸 阀止 回 阀+） 扩 大 管622111110.2
23、066=0.8240.1032=0.2060.0692=0.1381.50.50.261.7 0.5p5.628 吸水管局部阻力损失系数之和,即x,其各部件的系数如下:吸水管名称数 量系数底 阀90弯头+) 收 缩 管11130.2060.1x 3.3062.4.5 确定工况,验算排水时间 1.确定工况将管路特性曲线绘在泵特性曲线图上,它与泵扬程特性曲线的交点即为工况点,以Q . H. N . 和 Hs分别表示其流量.扬程.轴功率.效率和允许吸上真空度 (1).在正常涌水时期,工况点为单台泵与一条管路特性交点,如图(1).图中K即为所求.该点工况参数为QK =147 (L /s) =0.147
24、 ( m3/s ) =529.2( m3/h)HK =92.57 =647.5 () .(2)在最大涌水时期,工况点为四台泵与三条并联管路特性的交点, 如图(2)K即为联合工作中各泵的工况点,K4为联合工作的等效工况点.Q4K=570 (L /s) = 0.57( m3/h)QK= Q4K/4 =142.5(L /s) =513( m3/h)H4K=HK=94.07 =658()4K =K =0.75(3).允许吸水高度Hx =Hs(10Pa/9.8103) + (0.24Pn/9.8103) 8 QKx LX/ dx5 +(x +1 )/ dx4/ 2g取Pa =0.98105 Pn=0.2
25、4104由泵的特性可得,Hs =5.2()则 Hx =5.280.02918/(0.335)5+(3.306+1)/(0.148)4/(3.14)29.8 =4.50()2.验算排水时间根据所提供及所求的数据,可以求得正常涌水每天必须的排水时间:Tz =24qz/n1 QK =24760/(2529.2) =17.23 (h)最大涌水时期每天必须的排水时间：Tmax =24qmax/( n1 + n2) QK=241500/(4513)=17.54(h)由上得知,每昼夜的排水时间T20(h),符合规程规定。2.4.6验算电动机容量及耗电量1根据工况参数，求出电机必需的容量Nd = K g QK
26、 HK/（10003600K c） c为传动效率则Nd =1.110209.8529.2647.5/（100036000.750.98） =1294 （KW）所以，可配JKZ1600（KW）-2P的电动机.2.计算耗电量 （1）.全年耗电量根据各泵工作涌水期不同时，其年耗电量为：由E=1.05 g n QK HK ri Ti/（10003600K c d w）可求其中QK为工况流量，HK为工况扬程，d 为电机效率， w为电网效率ri为工作日数，Ti为每昼夜工作小时数则正常涌水期Ez =1.0510209.82529.2647.517.23320/（100036000.750.980.90.95
27、）=1.75107（KW/h）最大涌水期 Emax =1.0510209.8451365817.5445/（100036000.750.980.90.95）=4.95106（KW/h）全年耗电总量:E =Ez +Emax =2.25107（KW/h）余两(2)排1 m3的电耗: e1 m3 =E /24(qz rz + qmax rmax ) =2.25107/24(760320+150045) =3.02（KW h/ m3）(3).产出1t煤的排水电耗:根据e =E/A 可以求得,其中A代表年产煤量,则e =E/A =2.25107/4106 =5.63（KW h/t）2.4.7 经济核算1
28、.设备及安装费整个排水系统的设备及安装费用共分为三部分,一是机械设备部分,其余两部分是电气设备和管路系统,根据流体机械书表29及电气,管路的估算得大约需用1300000元2.建筑费建筑主要是在泵房尺寸和管子道尺寸的估算,并根据井底车场的布置统计水仓长度和断面,估算开拓量14477m3,取开拓费即建筑费1600(元/m3),建筑费约为23163200元3.吨煤排水耗费 (1).年耗电费,取工业用电价0.1元,则年耗 S1 =Cd E =2.251070.1=2.25106(元) (2) .设备折旧费 S2 =1.31055=6.5104(元) (3) .建筑折旧费 S3 =231632005=1
29、158160(元) (4) 工人工资: 取S4=8500(元) (5). 维修费: 取设备的6,则S5=7050006=42300(元)(6).其他费用: 可取工人工资的15,则S6=850015=1275(元)由以上数据得吨煤排水耗费为:S =( S1+ S2 + S3 + S4 + S5 + S6)/A =0.92(元/t)即开采一吨煤排水费用约在0.92元.备注：吨煤排水电耗在管子挂垢后，将增加电耗，所以当管子使用一段时间后，就应清理水管或采用管路并联的方法以始终保持水泵的经济运行。第三章 煤矿排水设计存在问题煤矿排水设计的难点是生活污水处理设计，煤炭系统新建矿井非常重视环保建设，并投入
30、了大量的环保建设资金。煤炭设计部门也对生活污水处理进行了多工艺、多方案比较与探索。如淮南地区，潘二矿的生物曝气工艺、潘三矿的生物转盘工艺、谢桥矿的表面曝气工艺、新集矿的氧化沟工艺。但从投入使用的实际效果及资金利用率来看均不理想。下面对煤矿生活污水处理作一些分析与探讨。 3.1煤矿生活污水处理设施重复建设现象普遍 目前部分煤矿矿井工业场地和居住区各建一座污水处理厂，这样两处征地，重复建设，投资大大增加，运行能耗高，管理费用高，技术力量分散，吨水处理成本高。一般来说，矿井工业场地和居住区相距不是很远，合建一座污水处理厂更合理，考虑从居住区向工业场地排水，管道埋设太深，可在中间设置污水提升泵站，或者
31、在工业场地与居住区中间地段征地建设污水处理厂。采取合建方式，不但可节省投资，更主要可大大降低运行成本。 3.2污水处理设计参数选择不合理 进行煤矿生活污水处理厂设计时，对污水中污染物指标BOD5、CODCr、SS取值，不是按实测，也不是用类比，而是套用城市生活污水污染物指标为设计依据，以BOD5为例，城市生活污水为200 mg/L，而实际煤矿BOD5值一般只有7080mg/L。由于生活污水中有机物含量太低，致使原来设计的不少活性污泥法处理工艺，在运转过程中微生物得不到最低限度的营养物质，而被“饿死”、分解、矿化，形不成活性污泥。为此不少处理厂停止了回流活性污泥，保持了原来设计中的曝气环节，使原
32、来的设计失去了核心环节-活性污泥及其工艺过程，变成了简单的一级强化处理。即使氧化沟污水处理工艺，也存在同样的问题，往往设计流程中的回流活性污泥回流不起来，致使原氧化沟系统变成了附加曝气的带状平流沉淀池；原设计中的不少配套设施成为多余，如消泡池、污泥集中处理池和污泥晾晒场等，造成了大量资金的浪费5。山西古交矿区的许多矿井采用二级生物接触氧化法处理煤矿生活污水，效果很好。此工艺的特点是能适应矿区低浓度、变化大的污水，同时投资省，操作维护也比活性污泥法简单。它的原理是利用固体滤料表面所形成的生物膜净化废水。可利用的滤料是多种多样的，如炉渣、玻璃钢或塑料蜂窝状材料、半软性纤维球等。 因此，在进行煤矿污
33、水设计时，一定要分析进水污染物指标，选择适用性强、耐冲击负荷高的污水处理方案，提交环境保护部门专家组审查后确定最终处理工艺。总 结 通过设计让我们学到了很多东西，设计的过程不仅是对学习的一个复习和总结的过程，更是进一步学习和探索的过程。让我们对矿山排水设备在矿山中的应用有了一个更深刻的了解，对水泵在矿山排水中和实际应用中有了进一步的掌握。在设计过程中，边学习，边实践。这样能更好的联系实际发现新问题可以及时解决。很感谢在这一次设计中对我帮助的指导教师。这次设计让我受益匪浅。参考文献资料1 张景松.流体机械.徐州：中国矿业大学出版社，2001。2 白铭声.提高矿用水泵运行效率途径好节能措施.流体工程，1982。3 A.J.斯捷潘诺夫著，离心泵和轴流泵.机械工业出版社，1980。4 陈桂芳.液压与气动技术.北京理工大学出版社，2007。5 朱龙根.机械零件的设计手册机械工业出版社，2003。6 廖灿戊.五金手册.化学工业出版社，2005。7 成大先.机械设计手册.化学工业出版社，2004。8 周希章.电工技术手册.中国电力出版社，2004。第 19 页 共 19 页