金属矿山排水系统的设计和构想浅叙
摘 要：排水系统是金属矿山基础系统之一，排水系统设计的好与坏会直接影响到机械设备安全、正常生产、经济效益及人身安全。下文从几个方面简述金属矿山排水系统的设计和应注意的问题。 关键词：金属矿山；排水系统；设计
金属矿山排水系统设计是否完善，很大程度取决于对矿山基本生产条件的判断。现在的矿山排水系统的设计除了注重实用性能以外，更加注重自动化及高效节能化方面的设计。设计排水系统前期必须了解矿山的基本水体、水质情况，然后在结合实际情况选择合理的排水方法、排水设备及管道的走向。排水系统是贯穿一座矿山从开采到报废的基础安全设施，能够影响矿山开采的正常运行，一个好的排水系统不仅仅是把井下涌水排出，它是一个系统工程，还应该统筹考虑节能、高效、环保、安全可靠、智能化等方面。 一．金属矿山井下涌水的要来源及危害
地球又被称作为“水球”，水以多种形态存在，它们几乎都能够形成井下涌水。总体上来讲矿山井下涌水可以分为内部水和外部水，内部水的存在量是与矿山的地理位置有关，它是客观存在的，如果想减少涌水量，只能通过开采工艺上进行控制。外部水的形成主要是受矿山自然环境的影响，可以采用多种方法减小它形成井下涌水的概率。
井下涌水可能引起很多问题，如造成巷道积水、空气的湿度增高、设备的损坏及安全事故的发生概率增大；由于水质的原因，井下涌水还有可能对各种机械设备存在腐蚀作用，极大的降低了设备的使用寿命，同时也危害到生产作业人员的身体健康。由于这些因素的存在，生产中必须进行排水，如果不及时排水（20小时内排完一昼夜的涌水），而淹没井下设备、电源，井下生产不能开展，甚至会危及到工人的生命安全。排水量越大、深度越深，费用越高，这就增加了开采成本，有时候井下排水的成本甚至决定整个矿山开采是否有利可图。 二．金属矿山井下排水的分类
矿井排水方式有两种：自流式排水和扬升式排水。平硐自流式排水经济、可靠，用水沟将水引至地面。水沟断面为倒梯形，有效面积取决于水的流量、一般为0.05～0.15m2，巷道纵向坡度要求3‰～5‰，水在沟内流速为0.4～0.6m/s。
扬升式排水是采用高压水泵将水压排至地面，它分为固定式和移动式两种。井下水泵房是固定式排水，而在掘进竖井和斜井时，将水泵吊在专用钢丝绳上，随着掘进而移动称为移动式排水。
固定式排水和移动式排水对设备基本要求是不一样的，固定式排水要求有“备用”设备，“备用”设备必须是完全独立的，移动式排水对设备的要求是体积小、扬程大、吸水能力强、方便移动。大部分金属矿山都是井下开采，所以正常生产时，都是采用固定式排水。 三．设计排水系统应考虑到的问题
现在我国的矿山排水设计也在不断采用先进的科学理论知识，但是在运用智能化方面跟世界先进水平还有一定的差距。国内排水设计在细化排水方案、优化排水设施、合理布置管道等方面工作都取得了比较满意的成果。
排水系统设计基础是根据矿山井下正常涌水量、最大涌水量进行设计。同时应该全面考虑可能进入矿井中的外来水源，充分考虑所开采矿山的水质情况。现在国际上通常考虑矿山的水质，主要包括酸碱度、悬浮固体、腐蚀指数等指标。
随着时代的发展，井下排水除了必须符合《金属非金属矿山安全规程》等相关标准外，我认为还应该向节能、高效、环保和智能化方向发展。目前，具有自动灌泵、自动启停、数据采集检测、故障分析、早期预警、远程操控、视频监控等功能的智能化无人值守泵房已经在国内部分矿山得以应用，效果明显。 四．排水系统中水泵和管道的设计 1.水泵选择应用
随着矿山行业的蓬勃发展，对水泵的依赖也日益增强。水泵的种类很多，由于矿山现实条件，一般井下排水都是选用卧式多级离心泵。卧式多级离心泵的技术很成熟，已经形成系列化，可以满足各种水量和扬程的需求。国内生产厂家很多，主要区别在于水泵材质，不同的水质须采用相应的材质，材质的选用得当决定泵的使用寿命，价格也主要体现在此。除此之外，选择离心泵及其配套电机时应尽量选择国家发布的节能补贴名录，当然也可根据实际情况，选择合乎实际的高效节能产品。
水泵的保护和日常维修都是非常重要的，因为它是长时间受到环境的侵蚀，带有腐蚀性的水质是最具有破坏性的，需要通过改变水泵的材质才能达到使用要求和降低日常维修率。
目前，大部分泵房维护较频繁的是平衡盘的更换，平衡盘是普通多级离心泵必不可少的部件，是属于易损耗件，若水泵启停不规范，甚至一个月就要换一次平衡盘，极大地增加了工人劳动量和矿山生成本。
正是因为如此，现在自平衡多级离心泵在金属矿山也逐步得到应用。自平衡多级离心泵具有两组对称布置的叶轮转子部件，两组对称叶轮所产生的轴向力相互抵消，无需采用平衡盘结构就能实现泵腔内巨大轴向推力的自动平衡；水泵转子部件在轴向方向完全定位，消除了轴向窜动，突破了多级泵的传统结构；相对普通多级离心泵有以下优势
（1）．运行效率稳定：使用经验表明，普通泵在平衡盘使用周期内，由于平衡盘的不断磨损，效率平均下降5%以上，而自平衡泵由于消除了因平衡盘的磨损而导致的流道错位，效率几乎不会下降，因此它具有很好的节能效果。 （2）.高可靠性：① 没有平衡盘的磨损，起动电流低，起动更平稳；② 没有转子部件的窜动，降低了电机轴承发热、过载、甚至烧毁电机概率；③两组叶轮对称布置，提高了泵转子的刚性和临界转速，不仅大大减轻叶轮与密封环的磨损，而且降低了因轴弯曲带来的轴承等零件故障的风险。
（3）.应用广泛：取消了小间隙平衡盘，流道通过能力大大提高，普通泵容许通过的固体颗粒粒径≤0.5mm,而自平衡泵容许通过的固体颗粒最大粒径可以达到1.5mm，更适应于含有较大颗粒介质的场合。
（4）.维护成本低：泵没有平衡盘系统，又多了辅助支撑，转子部件刚度好，不仅减少了泵易损件数量，而且提高了零件使用寿命，延长了水泵维修周期，减少水泵维修次数，降低了设备的使用维护成本。
当然自平衡多级离心泵的价格也是比普通泵高很多，这就要充分做好技术经济的比较，根据实际情况和性价比来选择最合适的水泵。 2.管道的选择及安装 人类在不断创造各种新式的材料，就是为了满足各行各业的需求，矿山排水系统中管道材料的选用主要受侵蚀性和排水速度两方面的影响，在选用管材时必须充分考虑这两方面的因素，一般来说，除采用耐磨内衬来防止磨蚀的管道或直径为DN250或更大的管道之外,速度不应超过3m/s。如果水不是侵蚀性的,可以采用碳素钢管和阀门。否则,就应考虑选择像不锈钢或耐磨内衬这样的材料,以适应腐蚀或磨蚀的要求。另外，管道的壁厚也是应该考虑的因素，它主要受压力的影响，因此必须按照最大扬程、水锤附加需要量和腐蚀及磨蚀的许可限度来选择。
选择什么样的管道材料必须根据矿山的实际情况，全方面的考虑各种主观和客观条件，达到使用效率的最大化和投资的最小化，以保证企业获取最高的经济效益。同时，在排水系统设计中，对于管道材料的选用上应该敢于尝试新型材料，提高使用周期，减小日常维修工作量等方面都有优势。
设计排水系统，管道的布置也是非常重要的，设计时要实地考察反复推敲研究，必要的时候要建模分析，不能纸上谈兵。一个合理的管道设计方案能够节省投资，提高工作效率。固定式排水泵房必须安装双排的管道，这是保证排水系统安全的必要措施，特别是在压强超过7MPa或水有侵蚀性可能的情况下。采用双排管道的设计不是浪费的行为，两个管道是不分主次的。现在对管道的管理工作中容易忽略对“备用”管道的日常检查，容易造成“备用”管道的闲置。
由于管道及水的自重和水锤的影响，深井井筒里的管道安装，往往每150m左右设一组垂直管道支撑，来分担弯管支撑对井筒托梁的压力。由于使用温差（尽管不大）的变化，会导致管道轴向伸缩，管道产生的应变会引起支架的反复变形，极端情况下会破坏支架结构，发生安全事故。在国内主要是采用增强或增多直管支撑的拟制手段；而国外已经采用拥有专利技术的套管接头疏导手段，该接头能够吸收管道的伸缩量，且能够适应大流量、高扬程的排水管道。 五．金属矿山排水系统设计中的节能构想 1.金属矿山选择节能排水方案的意义
矿山井下排水的特点是排水量大，水源来源错综复杂，涌水量不均衡，变化量大，为了满足排水的要求，设计的排水系统都是非常复杂的。排水系统中设备特点是水泵功率大，耗电量大，排水设备余量大，管路布置受巷道及井筒局限，往往增长了管道长度，限制了排水管径，从而增大了管路阻力；矿井排水与矿区生活用水、生产用水之间存在着转换利用的关系。综上所述，排水系统的节能是有很大空间的，在节能降耗为企业法定艰巨任务的今天，研究和处理好矿山排水节能意义重大，具有巨大的技术、经济、社会价值。 2.优化排水方案
矿山给排水系统，一般有中央泵房排水系统、采区泵房排水系统、地面排水系统、生活用水统、生产用水系统、矿井水处理利用系统，如何各个系统组建成一个合理的综合排供水方案，首先是安全因素的考虑，安全是一切生产的最根本保证；其次排水节能原则的考虑，排水是高耗能、高磨损的系统，坚持采用节能排水原则是非常必要的；最后是从细节上优化排水方案，如分质排水原则、分级排水原则、处理利用原则、排处配套原则等最终达到选择排水系统最佳设计方案的目的。
3.排水系统中节能的措施
（1）采用节能高效的机械设备。机械设备是整个排水系统的根源，它们的科技先进、效率高，是整个排水系统高效的基本条件。
（2）采用节能高效的电机和电气设备。
（3）优化排水方案；如分段排水、一段排水、分区排水等。
（4）移峰填谷原则；水量小时，完全可以实现该原则；若水量很大，则需通过技术经济比较分析，得出水仓容积、设备投入等与移峰填谷之间的合理平衡点。
（5）加强日常检查工作，提高设备的工作效率；排水系统设备需要经常检查与维修的，及时进行日常维修检查工作，降低摩擦和泄露情况的发生，是提高水泵高效运转的必要方法。
（6）重视管路设计，提高管路使用效率。在设计排水管道时应从管路材料、直径、壁厚、及走向等方面综合考虑。
结束语：
金属矿山排水系统的设计必须精益求精，在满足使用要求的前提下充分考虑节能因素，促使企业创造更大的经济效益。 参考文献： [1]孟振飞.基于STM32处理器的水泵控制系统设计与实现[D].西安:西安电子科技大学，2010.[2]刘冰.矿井自动化调度系统的研究[D].上海:上海交通大学，2007.
