摘要：矿井建设期间，巷道涌水直接影响矿井的建设进度和安全生产，针对离心水泵工作特点，以及在注水环节存在的不足，采用拆除离心主泵的吸水管路末端的底阀，改为装设一台电动潜水副泵，向离心主泵充水。不仅降低了工人的劳动强度，而且提高了排水系统可靠性，降低了设备的故障率，同时为实现无人值守提供了可能，降低了生产和施工成本。
关键词：排水系统；离心泵；潜水副泵
巷道涌水直接影响矿井的建设进度和安全生产，尤其在下山采区，影响会更加明显，但在建设期间，矿井永久排水系统尚未形成，若按照永久系统设计安装排水设施，虽然可提高排水系统的安全性、可靠性，势必会大大增加矿井建设成本。本文总结了马家岩煤矿在401下山采区排水系统设计改进经验，不仅提高了排水系统可靠性，降低了设备的故障率，为实现无人值守提供了可能，而且系统简单，投入成本低，现简述如下，与同行共同探讨。
1目前矿井排水设备特点与排水系统的常见做法
离心水泵具有运行效率高、扬程大、设备投资低、现场维护方便等优点，所以目前无论是建设矿井还是生产矿井排水系统中主要设备多采用卧式离心泵配套隔爆型电动机机组模式。高扬程大流量矿用防爆潜水泵由于产品品种较少，设备效率较低，投资大，设备体积大，同时整个泵体及电动机全部安装在水中，设备检修维护困难等种种原因，还未普及应用；低扬程防爆潜水泵以其安装简单，运行方式灵活等特点，被广泛用于井下各工作面低扬程排水。鉴于上述设备特点，在矿井建设期间，一般采用开凿临时水仓，安装离心水泵实现排水。临时水仓有两种形式：（1）平水仓，即开掘一定距离的平巷，然后在距离巷道开口2~3m处砌筑挡水墙，再在挡水墙外安装离心水泵，由于水仓内水位高于离心水泵，利用联通器原理，在水泵启动时自动向水泵充水，但该形式水仓存在以下缺点:①由于水仓水位高于巷道地板标高，所有工作面的涌水都必须通过潜水泵向水仓排水，不能实现自流；②由于水泵吸水管位于水仓挡墙底部，很容易被淤堵，造成离心水泵不能正常吸水，需经常清理水仓淤泥；③水泵吸水管位置较低，离心水泵在吸水过程中，很容易将大量淤泥吸入，不仅降低了水泵排水效率而且加大了叶轮的磨损速度，造成水泵的故障率比较高：（2）斜水仓，即开凿一条下山斜巷或在开掘的临时巷道底板向下垂直挖1.5~2m左右的蓄水池，再安装离心水泵，该形式水仓可以克服平水仓的缺点，但在离心水泵的开启和关闭时，操作较复杂。这是由离心水泵的结构特点决定的。
2离心水泵特点
离心水泵是一种利用叶轮的高速旋转使泵体内的水做离心运动的抽水机械，主要由泵壳、吸水口、叶轮、泵轴、出水口及基座等组成。它的工作原理是由电动机带动叶轮高速旋转，使泵体内的水做离心运动，在离心力的作用下，将泵体内的水甩向出水口排出，此时在泵体内产生一定真空度，泵体内气压远低于外部大气压，由于压差的存在，在大气压力的作用下，水仓内的水通过吸水管向泵体内补水，周而复始，水就会不断地被排出。从上述原理可知，只有在泵体内部造成必要的真空度才能实现正常排水，所以离心水泵在首次运转时必须将叶轮完全淹没于水中。因此，在每次启动离心水泵前，向泵体内注水是离心水泵工作的关键操作步骤之一。即起动前应先向泵体及吸水管内灌满水，使泵体及吸水管内的水成为一个连续水体，当然，吸水管连接的底阀在启动前处于关闭状态，将该连续水体与水仓内的水暂时隔离，水泵起动后，高速旋转的叶轮带动泵里的水高速旋转，水作离心运动，向外甩出并被压入出水管。水被甩出后，叶轮附近的压强减小，在转轴附近就形成一个低压区。在大气压的作用下，吸水管底阀打开，水仓内的水就从吸水管源源不断进入泵内。进入泵体的水随叶轮高速旋转中又被甩出，并压入出水管。从而使水仓内的水不断地从低处被排到高处。从上述工作原理可以看出，离心水泵的吸水主要靠泵体内外部气压差作为动力，靠大气压把水压入泵体内。从理论上讲，1标准大气压约等于10m高的水柱，故离心水泵的吸水扬程的理论极限值是10m。但由于汽蚀现象的存在，实际吸程远要小于10m。为避免产生汽蚀现象，离心水泵的吸程中必须有汽蚀余量，最大吸水高度减掉汽蚀余量以及吸水管路沿程阻力损失，就得到离心泵的实际允许吸水高度。而实际的允许吸水度由泵制造厂家试验测定的值，此值在使用说明书中有附表供用户查用，一般为4~6m。离心水泵起动过程要求以下几个步骤：向泵体内注水、启动电动机、当排水压力达到一定数值时缓缓打开闸阀、观察水泵稳定运行状况；而水泵关闭时，要先关闭闸阀再切断电源，每一个环节都需要熟练操作、环环相扣，采用人工操作时操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长（主要是注水时间较长）、要求操作工人经验丰富。人工操作尤其在注水操作过程中主观判断多易失误、操作不当易造成设备故障或损坏等问题。从上述可知，注水步骤是离心水泵可靠运行的第一步，同时也是关键一步，它决定了水泵的运转效率和运转稳定性，在注水严重不足，泵体内真空度达不到要求的情况下，还会造成水泵无法吸水，在叶轮的高速转动下，泵体温度会快速升高，造成水泵的损坏。在建井期间，为了降低成本，施工单位多数采用人工注水，即利用清水管或利用排水管中余水向水泵泵体及吸水管中注满水，判断是否注满水，多数靠开泵工人的经验，且注水时间较长，同时对底阀的密封要求较高。在少数情况，也有采用喷射泵抽空系统向泵体内注水。
3排水系统的改进
针对目前离心水泵的充水步骤存在的不足，结合离心水泵实际吸程较小，注水操作时间长，要求高的特性。在现场使用过程中，为了充分发挥离心水泵流量大、扬程高的优点，同时也弥补由于其结构及工作原理带来的不足，从而提高离心水泵的适应性，采用拆除离心主泵的吸水管路末端的底阀，改为装设一台电动潜水副泵，向离心主泵充水提供动力。见图1。该系统通过在401下山采区水仓的使用发现，系统改进后不仅简化了排水系统的操作环节，明显提高了采区排水系统的可靠性，而且改造成本低，同时在一定程度上降低了离心水泵的故障率，为实现排水无人值守及自动化提供了可能。潜水副泵的主要作用包括以下几个方面：（1）由潜水副泵直接为离心水泵充水，不仅充水时间短，而且由潜水副泵自身的扬程提供一定水压，可以大大降低或避免汽蚀现象的发生，从而可以延长离心水泵的使用寿命。由于无需注水或抽气设备及管路，系统简单，避免了因注水不足或抽气系统的漏气问题而影响整个排水系统的重大事故。（2）潜水副泵与离心水泵串联运行，由同一开关控制，实现了一键启动，操作简单。（3）潜水副泵与离心水泵串联运行，离心主泵吸水口相当于正压运行，系统效率将明显提高，排水电耗降低，达到节能效果。（4）使用潜水电泵后，取消了注水环节和抽真空系统，系统简化，人为主观控制点减少，运行可靠性大大提高。（5）潜水电泵的安装在水仓底部淤泥上方0.5m处，并随着淤泥的不断淤积而调整安装深度，不仅可以减少清仓的次数，而且还可以大幅度减少离心泵的泥浆吸入量，从而提高提高离心泵排水效率，降低水泵的故障率，延长其使用寿命，降低了施工成本。（6）安装潜水副泵后，还可以在控制系统中安装水位传感器或限位开关，同时在水泵出水管安装逆止阀来代替闸阀，从而实现水泵的自动开停，为实现排水无人值守及自动化提供了可能。（7）出水管安装逆止阀后，还可以实现多台离心泵并联系统中，各台水泵实现独立一键启动。
4潜水副泵选择
（1）流量的确定。潜水副泵的排水流量应接近或稍大于离心主泵的流量，为减小吸程阻力损失，潜水副泵排水口管径应等于或稍大于离心水泵吸水管管径，否则在离心水泵的吸水口容易产生汽蚀现象。由于潜水副泵自身有扬程，向离心水泵供水有一定的水压，两泵串联运行时，离心水泵的入口结构应能承受一定的正压。（2）潜水副泵扬程的确定。在矿井排水系统中，水仓的深度不会过大，一般在3~6m左右，临时排水系统深度会更小，为方便水仓的设计和施工，潜水泵的扬程须与水仓入口标高相适应，所以潜水泵扬程不宜过大。
5结论
通过对采区排水系统设计改进，在充分利用现有设备的情况下，简化了操作步骤，避免了人为失误而造成设备的损坏，大大提高了排水系统的可靠性，在一定程度上，减少了设备的故障率，延长了设备使用寿命，同时提高设备的自动化程度，为实现排水无人值守及自动化提供了可能。
作者：赵俊杰 单位：山西煤炭运销集团马家岩煤业有限公司
