[摘要] 随着煤矿开采量的越演越烈以及矿井深度的增大，对于矿井系统的要求越来越高，安全可靠的排水系统对于煤矿深井作业有着至关重要的作用。本文就煤矿排水系统进行节能优化设计研究。
摘要：节能减排一直是困扰着我国经济发展的难题，而作为其中重要的煤矿开采尤为突出。本文主要介绍煤矿排水系统在节约能源的基础上的优化设计，为全面的分析大型煤矿排水系统节能提供强有力的支持。
关键词：煤矿开采;排水系统;节能优化
煤炭作为我国经济发展的支柱性能源主体，在国民经济中一直扮演着重要的角色，随着开采量的越演越烈和过度开采的增加，对于矿井深度的增大，导致对于矿井系统的要求越来越高，安全可靠的排水系统对于煤矿深井作业有着至关重要的作用，是矿井正常作业的保障。
1.排水系统概述
排水系统是煤矿六大系统之一，其主要保证在煤炭开采的过程中有煤炭层含水涌入作业区域时，及时排出水流，为矿井正常运转提供安全支持。煤矿的排水系统主要由水仓、水泵房、管子道、排水设备等这些子系统组成。水仓是煤矿排水系统的储水巷道,具有澄清污水、沉淀净化作用。泵房位置以及煤岩布置环境的迥异决定了如何安置水仓。包含主仓和副仓，以便于两仓之间当一个清水时，另外一个仓可以正常运转。水泵房是控制排水装置的机械开关,通过阀门的开关机构来调配主仓和副仓之间水流的调配。管子道是排水管路的通道，其主要通往井筒的斜通道，设置在高于泵房地面，断面尺寸的确定主要是根据管子布置方式和在排水设备[1]。排水设备主要分为卧室水泵吸入式和潜水泵排水两大类。潜水泵是直接将泵体埋入水中，地面安置有远程遥控装置，以便于远程操作，具有防水性能高，易于控制，维修量小的优点。而卧室水泵吸入式是目前深井排水系统中应用较为常见。常见的排水设备如图1所示。
2.排水系统工原理分析
排水系统主要按照水泵的工作方式可以分为多级离心排水泵和潜水泵两种形式。其中多级离心泵主要是由一些轴承和密封件组合合成的，其主要的工作原理是：由电动机对泵轴和叶轮进行驱动，运动后必然产生离心力，随着温度的升高，外界的压力增加，叶轮的中心形成了负压，压力差的产生导致水槽中的水流不断的被吸入和排出。而潜水泵主要是一种电机与水泵两者直接相连的机械装置，相比较离心泵具有加工制造技术要求低，维护周期短和结构简单的特点，同时潜水泵由于不能直接过滤水中固体介质，会导致电机中的迷宫槽的橡胶件由于受到水中杂质的影响而出现橡胶密封件割裂和磨损，严重的影响到电机的密封性能，导致电机进水，电机烧毁。
3.排水系统节能设计原则
对于大型煤矿，排水系统的设计在整个煤矿系统中占据着重要的位置，合理的排水系统的设计，直接关系着大型煤矿的投资和安全性能。同时需要考虑排水系统的工作环境的复杂性与多变性。排水系统节能设计主要考虑排水设备能力和排水管路。排水设备能力主要考虑是否有水泵，若有水泵需要考虑一定时间内是否能排除矿井多少涌水量，以保证整个管路不会产生淤积堵塞。排水管路是传递液体流动的重要路径，需要同时考虑排水管路中的管径、管壁厚度和管理材质，从而保证工作和备用水管的总的排水能力。其中排水系统选型基本计算：正常涌水时，水泵排水能力Q1=1.2QZ;最大用水量，水泵排水能力Q2=1.2Qmax;排水管直径：dg=(4Qn/3600πvd)1/2;其中Qz为正常涌水量，单位为：m3/h;Qmax为最大涌水量，单位为：m3/h。n为流经管路的水泵台数，一泵一管工作，n=1;三泵两管工作，n=1.5;两泵一管工作，n=2;三泵一管工作，n=3。vd为排水管中水流速度，通常取1.5-2.2。以上公式在实际计算中较为复杂，现在多采用一些选型软件来设计，通过手动输入一些相关参数来自动完成排水系统的初步选型。
4.煤矿排水系统的节能应用
(1)突水预防的应用由于煤矿地质条件较为复杂，具有突发性和不确定性的特点，从而对煤矿突发水害的预防尤为重要。而防水阀门的设计可以很好的解决上述问题的危害[2]。当水压超过一定范围时，门扇可以抵抗巨大的水压力，具体示意图2如下。防水阀门主要功能是“堵水”。虽然有着维护简捷、抢先投入费用较少、操作简单灵活的优点，但是由于防水闸门的结构限制了液体的流动;建造闸门的环境要求严格;闸门关闭后，对井下采区实行了隔离，导致人员不能及时快速的撤离与疏散;煤矿井下压力较大，必然导致闸门变形无法开启;关闭闸门后，被淹区域内机械装置恢复周期长;井下巷道错综复杂，需要大量的设备保障闸门的开启和关闭，相对系统控制较为复杂。
(2)水锤力防治的应用水锤力主要是指由于管道系统中水流分子运动发生相互碰撞，引起的管道内局部的液体压力反复变化，进而对管路内壁碰撞，导致管路受到冲击，容易管路损坏。这种现象的发生主要是由于人为的误操作、泵机组的频繁启动、进出水池水位的突变等因素引起的,水锤现象一旦发生,就会对管壁等一些管路机械结构造成一定的损坏。为了消除此类现象的发生,在方案设计之初时，需从产生根源来控制，具体如下：
①控制管路中水流流速，加大管径来使得流体更加流畅，合理布置管道，布线不能超过最低压力线，避免管路的交叉和累加。
②消除超大负压，配置空气阀门控制管路的压力差值。
③防止压力过快升高，配置缓闭阀，缓解由于压力过大引起的水压冲击。
(3)系统硬件优化与升级在排水系统的应用过程中，还可以适当的对排水系统的硬件装置进行优化与升级，安装传感器，以便于主要对排水系统中水仓的水位高低、水泵机组的温度与吸水管及排水管的压力进行监控，根据信息的反馈，实时传输排水系统监控数据，对其进行合理的调整。同时可以对水泵控制装置进行改造升级，采用PLC技术可以实现机械与电气元件的有效控制。其中在水泵的机械方面可以采用加强水泵控制装置的安装壳体，保证整体机械装置的运行的稳定性。在电气元件控制方面，可以配置信号检测装置机构，实施对模拟信号的监控工作，通过对信号的采集与处理来实现对水泵装置进行控制。
(4)水泵房的通风性能优化与小型煤矿有所不同，一般的大型煤矿根据采矿的需要，矿井都较深，排水系统中水泵房无法通过正常的空气流动的方式进行能量的交换与通风，针对此种现象，采用串联通风的方案，可以很好的提高水泵房的通风性，保证其具有良好的排风量。具体的操作就是通过通风机产生冷气，将此冷气给第一个泵房散热，待第一个泵房温度下降之后，再将冷气引导至第二个泵房[3]，这样依次对所有的泵房进行散热。此种散热方式可以很好的解决随着煤矿开采深度的递增，电动机的功率越来越大，电气设备的用电量增加带来的散发的热量加大的现象。同时解决了由于采煤过程中产生的煤岩散发的热量带来的操作空间环境空气的浑浊的问题，保证了排水系统的正常运行和操作工人健康。
5.结语
煤矿排水系统节能设计优化是个复杂的过程，在实际的设计中需要结合煤矿的自身特点进行因地制宜的创新，以便于提高整体的排水效率。
参考文献
[1]王建勇.煤矿水害分析及防治水技术措施[J].机械管路开发,2015:10-15.
[2]周玉龙.井下深部开采存在的问题及对策[J].科技传播,2012:85-88.
[3]王胜平,陈鹏.水泵房通风设计[J].现代经济信息,2013:20-22.
作者：王高峰 原海亮 单位：山西潞安郭庄煤业有限责任公司
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