矿山排水设备

第四讲：矿井排水设备的结构
• 一、矿井Hale Waihona Puke Baidu水设备的结构组成 • 二、轴向力及平衡方法 • 三、矿井排水设备的安全运行 • 四、矿井排水设备的使用与维护 • 五、矿井排水设备的故障处理
第三节 离心式水泵结构
目前，矿山主要排水设备常用 D 型、 DA 型和 TSW 型多级离心式水泵，而井底水窝和采区局部排水则常用 B 型、 BA 型和 BZ 型单级离心式水泵。
平衡盘是大型水泵平衡轴向推力的方法，在最后一级
叶轮后面的泵轴上用键固定一个平衡盘，与叶轮和泵轴组 成一体。平衡盘的平衡原理如图 16 一 7 所示，最后一级 叶轮排出的
16—7平衡盘平衡轴向力
16—8D型泵中段
二、轴推力产生的原因 1、由于作用在叶轮前、后轮盘上的压力不平衡而产生轴 向力； 2、由于叶轮内水流动量发生变化而产生轴向力； 3、由于大小口环磨损严重，泄露增加，使叶轮前后轮盘 上的压力分布规律发生变化，从而引起轴向力增加。
• 4、灌水漏斗的作用是在水泵启动前向泵内 灌水。此时，水泵内的空气经放气栓放出。 水泵再次启动时，可通过旁通管向水泵内 灌引水。
• 5、在检修水泵和排水管路时，应将放水管 上的放水闸阀打开，通过放水管放空排水 管路中的水。
• 6、压力表和真空表的作用是检测排水管中 的压力和吸水管中的真空度。
三、对排水设备的要求
• ( 2 ）必须有工作和备用水管，其中工作水 管的能力，应能配合工作水泵在 20h 排出 24 h 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 24 h 的最大涌水量。
第二节 离心式水泵的工作理论
一、离心式水泵的工作原理及性能参数
（一）工作原理 离心式水泵主要由叶轮、叶片、轴和螺旋形泵
（二）性能参数
1 ．流量
水泵在单位时间内排出水的体积，称为水泵的流量，
用符号 Q 表示，单位为 m 3 / S 或 m 3 / h 。
2 ．扬程
单位质量的水通过水泵后所获得的能量，称为水泵的
扬程。扬程有吸水扬程、排水扬程、实际扬程、水泵的总
扬程。
( l ）吸水扬程从水泵的轴线到吸水井水面的垂直距离，
Nx = γQH/ 1000
( 16 一 2 )
式中 γ 一矿水的重力密度， N / m 3 ．
4、效率 水泵有效功率与轴功率的比值，称为水泵的效率，用
符号η表示。
η = γQH/1000N×100％
5 ．转速 水泵轴每分钟的转数称为水泵的转速，用符号 n 表示，
单位为 r / min 。 6 ．允许吸上真空度
排水设备是矿山大型固定设备之一，为保 证矿井安全生产，要求排水设备必须安全、 经济、可靠、合理。 对固定排水设备的要求 ( 1 ）井下排水设备应有工作水泵、备用水泵 和检修水泵。工作水泵的排水能力，应在 20h 内排出 24h 的正常涌水量。备用水泵 的能力，应不小于工作水泵能力的 70 % ，
• 并且工作和备用水泵的总排水能力，应在 20h 内排出矿井 24h 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 ％。
第三讲：矿井排水设备概述
• 一、矿井排水设备的作用 • 二、矿井排水设备的分类 • 三、矿井排水设备的组成 • 四、矿井排水设备的工作原理 • 五、对矿井排水设备的要求
第十六 章 矿井排水设备 第一节 概述
一、矿井排水设备的任务和分类
1、 在矿井建设和生产过程中，由于 地层含水不断的涌出，雨雪和江河水的 渗透，水砂充填和水力采煤的井下供水， 使大量的水汇集于井下，矿井排水设备 的任务就是将这些矿水及时的排送至地 面。
水泵的流量与效率之间的关系曲线称为流量一效率曲
线，简称效率曲线，呈驼峰状。当流量为零时，效率为零； 随着流量的增大，效率急剧增加；当为额定流量时，效率 最高；若流量继续增大，效率则随之减小。
允许吸上真空度曲线 Hs 反映了水泵抗汽蚀能力的大 小。它是生产厂家通过汽蚀试验并考虑 0 . 3m 的安全量 后得到的。一般来说，水泵的允许吸上真空度是随着流量 的增加而减小的，即水泵流量越大，它所具有的抗汽蚀能 力就越小。 Hs 值是合理确定水泵吸水高度的重要参数。
• 水泵轴向力的平衡方法： • 1、平衡孔法； • 2、对称布置叶轮法； • 3、推力轴承法； • 4、平衡盘法。
（二）固定部分 固定部分由进水段、中段、出水段等部件组成。 1 ．进水段
进水段主要是接受由吸水管来的水，使水均匀地进入 第一级叶轮入口，降低流动损失。一般由铸铁制成。 2 ．中间段
中间段由导水叶片和返水叶片组成，如图 16一 8 所 示。导水叶片安装在叶轮外缘周围，收集叶轮高速流出的 水，将部分动能转变为压力能，并导人返水叶片中。返水 叶片使水流由径向转变成轴向，以最小的损失引入下一级 叶轮入口。中段材质为铸铁。
管路、管路附件、仪表等组成，如图 2 一 1
2—1
1、滤水器装在吸水管的末端，其作用是防止 水中杂物进人泵内。滤水器中的底阀是用以 防止灌入泵内和吸水管内的引水以及停泵后 的存水漏人吸水井中。 2、闸阀安装在排水管路上，位于逆止阀的下 方。其作用是调节水泵的流量，并在关闭闸 阀的情况下启动水泵，以减小电动机的启动 负荷。 3、逆止阀装在闸阀的上部，其作用是当水泵 突然停止运转时或者在未关闭闸阀的情况下 停泵时能自动关闭，防止排水管中的水对水 泵及吸水管产生的水力冲击。
壳组成，如图 16 一 2 所示。启动前，先由灌水漏 斗向泵内和吸水管灌满水，然后启动电动机驱动叶 轮旋转。此时，叶轮中心处的水在离心力的作用下 被甩出叶轮，经螺旋形泵壳中的流道进入排水管道。 与此同时，叶轮中心处因水的排出而形成真空，吸 水井中的水在大气压力的作用下，被压人叶轮的进 口，形成连续流动。
• ( 3 ）按泵壳的接缝分为：分段式水泵 ― 垂直水泵轴心线的平面上有泵壳接缝；中 开式水泵一一在通过水泵轴心线的水平面 上有泵壳接缝。
• ( 4 ）按水泵轴的位置分为：卧式水泵 ― 水泵轴呈水平位置；立式水泵 ― 水泵轴呈 垂直位置。
二、矿井排水设备的组成 矿井排水设备由水泵、电动机、启动设备、
水在管路中流动时产生的动扬程（ Ha ）之和，用符号 H
表示，单位为 m 。
3 ．功率
水泵在单位时间内所做的功，称为水泵的功率。
( l ）水泵的轴功率电动机传给泵轴的功率，即水泵的输
入功率。用符号 N 表示，单位为 kw 。
( 2 ）水泵的有效功率水泵实际传递给水的功率，即水泵
的输出功率。用符号 N X表示，单位为 kw 。
的速度而带走的动能。排水过程中所有的阻力损失和动能
的损失与管路中流量的平方成正比，可用 RQ2 表示，因
此，水泵的管路特性方程式为：
H = Hs + RQ2
( 16一 4 )
式中 H ― 水泵的扬程， m ; Hsy ― 测地高度， m ; v ― 排水管出口速度， m / S ; Hw ― 总阻力损失， m ; Q ― 管路中的流量， m3 / S ; R ― 管路阻力损失系数。 它与管路的沿程阻力系数和局部阻力系数、管路长度 和直径等有关，当管路系统确定后，则 R 为常数。
第四节 离心式水泵的运行
一、排水管路的特性曲线
水泵的管路特性曲线是指在一定的管路上工作时，流
过该管路的流量与排水所需的实际扬程之间的关系曲线。
每一台水泵都和一定的管路连接在一起进行工作，水泵使
水获得的总能量，不仅用于把水排到地面排水口所消耗的
能量，还要用于克服吸水管路和排水管路的沿程和局部阻
力损失的能量，另外还有水流出排水管时，水流具有一定
水泵和耐酸泵两种类型。扬程特性曲线较平缓，初始扬程
较高，有利于水泵稳定运转，零流量时功率低，有利于电 动机启动，效率曲线平坦，因而扩大了它的工业利用区。
D 型水泵的结构如图 16 一 4 所示，主要由 传劝部分、固定部分组成。
（一）传动部分由泵轴、叶轮、平衡盘组成。 1 ．叶轮叶轮是传递和转换能量的主要部件，如图 16 一 5 所示，叶轮由前、后轮盘及夹在其间的叶片组成。材料 一般为铸铁或铸钢。 2 ．泵轴泵轴用来带动叶轮旋转，是传递扭矩的主要部件。 一般由碳素钢或合金钢制成，它与叶轮用键连接。为防止 泵轴锈蚀、磨损，泵轴加装轴套。 3 ．平衡盘平衡盘的作用是消除水泵的轴向推力。如图 16 一 6 所示。大型多级离心式水泵，其轴向推力往往很 大，如不加以平衡，水泵则无法工作。
也称吸水高度，用符号 H 、表示，单位为 m 。
( 2 ）排水扬程从水泵的轴线到排水管的出口中心的垂直
距离，也称排水高度，用符号 H 。表示，单位为 m 。
( 3 ）实际扬程排水扬程与吸水扬程之和，用符号 HSy 表 示，单位为 m ，
即 Hsy , = Hx＋ Hp
（ 16 一 1 )
( 4 ）水泵的总扬程 为实际扬程、损失扬程（H w ）和
井的主排水设备。水泵房设置在井底车场附 近。移动式排水设备用于掘进或淹没巷道的 排水。
我国煤矿使用的水泵主要是离心式水泵， 主要分类方法如下。 ( 1 ）按叶轮数目分为：单级水泵 ― 泵轴上 仅装有一个叶轮；多级水泵 ― 泵轴上装有多 个叶轮。
• ( 2 ）按叶轮进水口数目分为：单吸水泵 ― 叶轮上仅有一个进水口；双吸水泵 ― 叶轮 上两侧都有进水口。
矿井涌水量是指单位时间涌入矿 井的总水量，单位是 m 3 / h 。不同的 矿井位置、地形及地质条件、开采方 法对涌水量的大小都有影响，同一矿 井在不同季节涌水也不相同。在雨季 和融雪时期涌水量大，称这时的涌水 量为最大涌水量；其他时期涌水量比 较均匀，称为正常涌水量。
2、 矿井排水设备有固定式和移动式。 固定式排水设备固定在水泵房内，是矿
轴向力总的方向，是由水泵的排水侧指向吸水侧。 三、轴向力的危害
多级离心式水泵的轴向推力有时可达几万牛顿，这个 力将使整个转子向吸水侧窜动，如不加以平衡，将使高 速旋转的叶轮与固定的泵壳接触，造成破坏性的磨损； 另外，过量的轴向窜动，会使轴承发热，电动机负载加 大；同时，使互相对正的叶轮出水口与导水圈的进口发 生偏移，引起冲击和涡流，严重时将使水泵无法工作。
3 ．出水段 位于最后一级叶轮的后面。将从叶轮流出的高速水收
集经扩散器流道引入排水口。一般由铸铁制成。 4 ．填料装置
又称填料箱，填料装置是设在水泵轴将伸出泵壳处的
密封装置。吸水侧填料装置是用以防止空气进入泵内影响 水泵的正常工作。如图 16 一 9 所示，吸水侧填料箱设有 金属水封环，用水泵排水口的高压水进行水封，防止空气 进人泵内。排水侧填料装置是用以防止压力水漏出，对其 要求没有吸水侧高，故没有设置水封环，其他与吸水侧相 同。
在保证水泵不发生汽蚀的情况下，水泵吸水口处所允 许的真空度，称为水泵的允许吸上真空度，用符号 H 。 表示，单位为 m 。
二、离心式水泵的性能曲线 在水泵的铭牌上和水泵的产品样本上可查出离心式水
泵的性能曲线和水泵的性能参数，图 16 一 3 所示为 200D 一 43 型水泵的性能曲线图。
性能曲线图反映了水泵在额定转速下，扬程 H 、轴功 率 N 、效率亏和允许吸上真空度 HS 随流量 Q 变化的规 律。
D 型离心式水泵 以老系列 2OOD 一 43 ×5 和新系列 D28O 一 43 × 5 为例说明该机的型号意义： 200 一一水泵吸水口直径 mm ; D －一一单吸多级分段式清水泵； 43 ― 单级额定 扬程， m ; 5 ― 水泵级数； 280 ― 额定流量， m 3 / h 。 D 型水泵是单吸多级分段式离心式水泵，其流量和扬程 范围很大，效率较高，能够满足矿山排水的需要，并有清
水泵扬程与流量之间的关系曲线称为流量一扬程曲线，
简称扬程曲线。其扬程曲线一般都是单调下降的。流量为 零时（闸阀完全关闭）的扬程称为初始扬程或零扬程，用 HO 表示。
水泵的流量与功率之间的关系曲线称为流量一功率曲
线，简称功率曲线。功率是随着流量的增大而逐渐增大的。 当流量为零时，轴功率最小，因此，离心式水泵应在闸阀 完全关闭的情况下启动。
根据管路特性方程式，可以绘制出管路特性曲线， 如图 16一 11 所示为一条顶点在标轴上 Hsy 处的抛物 线，管路阻力越大，曲线越陡；管路阻力越小，曲线 越平缓。
• 二、水泵的工况点