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1、新疆工程机械学院 矿山主排水设备选型 专 业 矿山机电10-7（4） 作者姓名 胡瑞 指导教师 薛风 定稿日期：2023年05月22日 新疆工业高等专科学校机械工程系毕业设计（论文）任务书学 生 姓 名专业班级设计(论文)题目接受 任务 日期年月日完成任务日期年月日指 导 教 师指导教师单位设计(论文)内容目标设计(论文)要求论文指导记录参考资料注：此表发给学生后由指导教师填写，学生按此表要求开展毕业设计（论文）工作。新疆工业高等专科学校机械工程系毕业设计（论文）成绩表学 生 姓 名专业班级设计(论文)题目指导教师（签名）指导教师单位指导教师评语评阅成绩： 评阅教师签字： 年月日答辩记录成绩：
2、 提问教师签字： 年月日答辩小组意见答辩成绩： 答辩小组组长签字： 年月日 目录 摘 要IIAbstractII第一章 绪 论11.1排水系统的要求11.1.1矿水来源11.1.2 矿水性质21.2对排水设备的要求21.2.1固定式排水设备21.2.2移动式排水设备21.3 离心式水泵的分类21.4 设计的指导思想31.5 有关的方针政策4第二章 设计必备的原始资料和设计任务书72.1 设计的原始资料72.2 设计任务7第三章 选型设计的步骤8第四章 设备选型114.1初选水泵的型号和台数114.1.1排水系统对水泵的要求：114.1.2初选水泵型号124.1.3 所需水泵的台数为154.2选
3、择管路系统154.2.1排水管选择计算174.2.2吸水管直径确定194.3 水泵装置的工况204.5 确定水泵的几何安装高度274.6确定水泵的型号、台数和管路系统284.7经济指标概算294.8 电动机的选型37第五章 确定泵房、水仓和管子道尺寸并绘制设备布置图385.1确定泵房、水仓和管子道尺寸38第六章 水仓、水房及吸水井的尺寸426.1水仓尺寸436.2吸水井尺寸446.3水仓456.4水管布置456.5出水管布置466.6管子道和管子间466.7 起重梁47总结47致谢49参考文献50新疆工程学院|机械工程系 摘要 摘 要根据设计任务书所提供资料，以严格遵守矿井安全规程和煤矿工业设
4、计规范所规定的有关条款为依据，以安全可靠为根本，以投入少、运行费用低为原则的设计指导思想，确定矿井对排水系统的具体要求。初步选择排水方案，进行设备选型以及相关计算，确定设备工况，校验水泵的稳定工作条件、经济运行条件，排除不合理方案。对所剩方案进行经济核算，以吨水百米费用和初期投入为指标筛选出最终方案。选择系统配套附件，根据各设备外形尺寸及安装要求，并考虑其运行条件，最终确定泵房及管路的布置图。 对水泵的轴向力进行分析，并论述了用以平衡轴向力的平衡盘的结构特点、工作原理，以及研究平衡盘的意义。关 键 词： 矿井涌水; 水泵; 工况点; 设备布置; 平衡盘新疆工程学院|机械工程系 计算说明书 Ab
5、stract According to the design plan descriptions of the information provided, to strictly abide by the coal mine safety regulation and coal industry design specification, on the basis of the relevant provisions stipulated by safe and reliable, with low cost, low operating cost for the principle of t
6、he design guiding ideology, to determine the specific requirements of the mine drainage system.Preliminary drainage scheme selection, equipment selection and related calculation, determine the working condition of equipment, check the stability of the water pump working condition, economic operation
7、 condition and eliminate unreasonable plan. Economic calculation scheme of remnant to tons of water hundreds of meters cost and initial investment as an index screening final plan.Select system supporting attachments, according to the equipment overall dimensions and installation requirements, takin
8、g into account the operating conditions, ultimately determine the pump and piping layout.Axial force of pump is analyzed, and to balance the axial force is discussed, and the balance disk structure characteristics, working principle, and research the meaning of balance disc.Key words: mine water; Wa
9、ter pump; Point; Equipment layout; Balance disc新疆工程学院|机械工程系 计算说明书第一章 绪 论1.1排水系统的要求在矿井建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井。只有极少数例外的矿井是干燥。将涌入矿井的水排出，只是和矿水斗争的一方面，另一方面是采取有效措施，减少涌入矿井的水量。特别是防止突然涌水的袭击，对保证矿井生产有重要意义。矿井排水设备不仅要排除各时期涌入矿井的矿水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水。在恢复被淹没的矿井时，首要的工作就是排水。 排水设备始终伴随着矿井建设和生产而工作，直至矿井寿命截止才完成它
10、的使命。因此，排水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，它对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。为了使排水设备能在安全、可靠和经济的状况下工作，必须做好确定排水方案，选择排水设备，进行布置设计，施工试运转，直到正常运行各环节的工作。 1.1.1矿水来源 矿井水的来源分为地面水和地下水，地面水是江、河、湖、溪、池塘的存水及雨水、融雪和山洪等，如果有巨大裂缝与井下沟通时，就会造成水灾。地下水包括含水层水、断层水和老空水。地下水在开采过程中不断涌出。 矿水可以用单位时间涌入矿井内的体积来度量，称为绝对涌水量。一般用“”表示，其单位为。涌水量的大小与该矿区的地理位置、地形、水文地质及气候等条件有关；同一矿
11、井在一年四季中涌水量也是不同的，如春季融雪或雨季里涌水量大些，其他季节则变化不大，因此前者称最大涌水量，而后者称为正常涌水量。 为了对比不同矿井涌水量的大小，通常还采用同一时期内，相对于单位煤炭产量（以吨计）的涌水量作为比较参数，称它为相对涌水量，或称为含水系数。若以K表示相对涌水量，则 式中 q绝对涌水量，；6新疆工程学院|机械工程系 计算说明书 T同期内煤炭日产量，。 1.1.2 矿水性质 矿井水中会有各种矿物质，并且会有泥沙、煤屑等杂质，故矿井水的密度比清水大，15。C矿水的密度约为。按PH值矿水可分为碱性PH7、中性PH=7、弱酸性和强酸性。酸性水对排水设备的非耐酸金属零件产生腐蚀作用
12、，减少排水设备正常使用年限。矿水中含有的悬浮状固体颗粒进入水泵后加速金属表面的磨损。当PH5时，要求排水设备（包括泵、管路等）应选用耐酸材料，或者对水质进行中性处理。对于矿水中的悬浮颗粒应在水泵前加以沉淀，而后再经泵排出矿井。1.2对排水设备的要求排水设备是煤矿大型固定设备之一，为确保矿井设备安全生产，要求排水设备在矿井服务年限内，必须安全、经济、可靠、合理的工作。选择的排水设备及其布置方式必须符合矿井安全规程和煤矿工业设计规范以及国家有关的技术规定；同时，在技术合理的前提下，应尽可能提高设备的装备效率和设备本身的完好率，充分发挥设备的潜力。 1.2.1固定式排水设备 固定式排水设备安装在副井
13、井底车场附近的泵房内，做主排水用，它将全矿或大部分矿水排至地面。 1.2.2移动式排水设备 移动式排水设备主要用于掘进工作面（含建井期凿井排水）或淹没坑道的排水并要求排水设备能随工作面的推进或水位下降而移动。 1.3 离心式水泵的分类 按叶轮数目分 （1）单级水泵泵轴上有仅装有一个叶轮 （2） 多级水泵泵国上装有几个叶轮 按水泵吸水方式新疆工程学院|机械工程系 第一章 绪论 （1）单吸水泵 （2）双吸水泵 按泵壳的结构分（1） 螺壳式水泵（2） 分段式水泵（3） 中开式水泵 按泵轴的位置分（1） 卧式水泵（2） 立式水泵 按比转数分 （1）低比转数水泵比转数=40-80 （2）中比转数水泵比转
14、数=80150 （3）高比转数水泵比转数=150-3001.4 设计的指导思想排水系统的选择、设备的选型，以选出的整个系统在整个矿井服务期限内均能按有关规定的要求排除矿井涌水为原则，尽可能做到安全可靠，投资少，运行费用低，自动化程度高，维护方便。排水系统是煤矿生产的重要环节，排水泵属煤矿大型固定设备，独立性强，备用系数大。它的稳定运行与否将直接影响到矿井的安全。煤矿排水的电耗占原煤生产电耗的10%30%，涌水量大的矿井可达60%（改造指南）。全国国有重点煤矿吨煤排水电耗6.77.5kw.h。在世界能源日益紧张的今天，我国部分地区也出现了“电荒”、“油荒”的现象，节新疆工程学院|机械工程系 第一
15、章 绪论能省电在排水系统选型中变得尤为重要。为了改善煤矿生产条件，提高设备运行的安全性、稳定性，设计过程中还要注重科技发展新成果的合理应用。1.5 有关的方针政策 在设计中必须遵守矿井安全规程（以下简称规程）和煤矿工业设计规范（以下简称规范）所规定的条款。 规程对井下排水有如下的规定第242条 主要排水设备（包括水泵，水管和配电设备）应符合下列要求：（一）水泵：必须有工作，备用和检修的水泵。其中工作水泵的能力，应能在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量（包括填充水和其他用水）。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能力应在20小时内排出矿井24小时内的最大涌水量；
16、检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂或有突水危险的矿井，可以根据具体情况，在主泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另外增加排水能力。（二）水管：必须有工作和备用的水管，其中工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应配合工作和备用水泵在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。涌水量小于的矿井，排水管也不得少于两趟。（三）配电设备：应与工作，备用和检修水泵相适应，并能够同时开动工作和备用的水泵。第243条 主要泵房至少设置两个出口，一个出口通过斜巷于井筒相通，称为安全出口，这个出口应当高出泵房地面7米以上；另一个出口通
17、到井底车场，为人员及设备出口，在这个出口的通道内，应设置容易关闭的既能放火又能防水的密闭门。泵房和水仓的连接通道，应设置可靠的控制闸门，在闸门关闭时，泵房还必须留有形成独立的通风巷道。第244条 主要水仓必须有主仓和副仓，其中一个仓工作，另一个水仓清扫或备用。新建、改建的井或生产矿井的新水平，正常涌水量在及其以下时，主要水仓（含副仓和主仓）的有效容量应能容纳8小时的正常涌水量。新疆工程学院|机械工程系 第一章 绪论正常涌水量大于的矿井，主要水仓有效容量可按下式计算： 式中： V主要水仓的有效容量，； 矿井正常涌水量，。 但主要水仓的有效容量不得小于4小时的矿井正常涌水量;采区水仓的有效容量应能
18、容纳4小时的采区正常涌水量。矿井最大涌水量同正常涌水量相差特大的矿井对水仓容量应编制专门设计，报矿务局总工程师批准。 水仓进口处应设置篦子。对水砂充填、水力采煤和其它涌水中带有大量杂质的矿井，还应设置沉淀池。 第245条 水泵、水管、闸阀和排水用的配电设备等必须经常检查和维护，在每年雨季以前，必须全面检查一次所有零件都应补充齐全，并对全部工作水泵和设备用水泵进行一次同时运行试验。水仓、沉淀池和水沟的淤泥应由矿长组织力量每年至少清理两次，在雨季前必须清理一次。 规范规定： 第2136条主排水泵的选择，必须能使工作水泵总能力在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。备用水泵的台数应不小于工作水泵台
19、数的70%，并且工作水泵和备用水泵的总能力应能在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。检修水泵的台数按工作水泵台数的25%设置（以上计算有尾数时，均取偏上整数）。 对于正常涌水量为及以下，且最大涌水量为100及以下的矿井可选用两台水泵，其中一台工作，一台备用。水文地质条件复杂的矿井，可根据情况增设水泵或在主排水泵房内预留安装水泵的位置。第2138条 主排水管至少敷设两条，其中一条出现故障时，其余管路能在20小时的正常涌水量，全部管路的总能力应能在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。正常涌水量在50及以下的斜井一般敷设一条管路，其能力应在20小时内排出矿井矿井24小时的最大涌水量。 第21
20、39条 确定水泵扬程时，应考虑排水管淤积而增加的阻力，将计算的管路损失乘以1.7系数。第2140条 矿井水PH值小于5时，排水设备应采取防酸措施。第2142条 每台水泵排水量小于100，两台水泵的吸水管可共用一口吸水井，但其滤水器边缘间的距离不得小于吸水管直径的两倍。100及以上则应有独立的吸水井。 水泵的电动机容量大于时，主排水泵房应设起重梁，敷设轨道与车场相通，在进口位置应有转车空间。新疆工程学院|机械工程系 第二章 设计必备的原始资料和设计任务书 第二章 设计必备的原始资料和设计任务书 2.1 设计的原始资料（1）井型（竖井、斜井及其井筒倾角）、矿井年产量、服务年限及井口地面标高。 （2
21、）开拓方式（可采水平数），个水平服务年限及标高。 （3）同时开采水平数，个水平的正常和最大涌水量及发生期限。 （4）矿水的重度、水温、化学性质（PH值）及其对管壁是否形成污垢。 （5）沼气和电压等级。 （6）水文地质情况，及井下排出水的方向。（7）井筒及井低车场布置图。2.2 设计任务 （1）确定合理排水系统。 （2）选择排水设备（包括水泵、电动机、管路、水仓、泵房布置等） （3）经济指标概算。 （4） 绘制水泵房、管子道和管子间得布置图。1新疆工程学院|机械工程系 第三章 选型设计的步骤第三章 选型设计的步骤分析本矿井特点： 本矿年产量300万吨，采用竖井开拓，井口标高 +50.00m，水平
22、标高-250.00m，正常涌水量，最大涌水量，矿水中性，矿水密度，最大涌水期按60天计算，服务年限30年。由此，可供选择的排水系统有以下两种： （一）直接排水系统 直接排水系统是指井下的涌水通过排水设备直接排到地面。如单水平开采的矿井，在开采第一水平时，就采用直接排水系统。 图（a）是竖井单水平开采时的直接排水系统。图（b）是竖井多水平开采时，各水平的涌水分别由本水平的排水设备直排地面。图（c）是竖井两个水平同时开采时，若上水平涌水量较小，经技术经济比较后，可将上水平的涌水通过管路自流到下一水平的水仓中，然后两个水平的涌水由下水平排水设备直排地面。图（d）是斜井单水平开采时，若地质条件比较稳定
23、、又无大的断层，经技术经济比较后，可采用钻孔下排水管的方法将水直排地面。若地质条件较复杂或井较深，可采用沿斜井井筒敷设排水管路的方法，将水直排地面。 这种排水系统的水平和泵房数量少，系统简单可靠，基建投资和运行费用少，维护工作量要减少一半以上，需用的人员也少，便于管理，而且上、下水平的排水设备互不影响。（图1.1）。1 图1.1 直接排水系统图（二） 分段排水系统 分段排水系统，是指井下的涌水通过几段排水设备转排到地面。一般适用于矿井较深，又受排水设备能力所限制的矿井排水。另外，多水平同时开采同时开采时，为减少井筒内管路敷设的趟数，也常采用分段排水系统。 图（a）是竖井单水平开采时，由于井深已
24、超过水泵可能产生的扬程时，可在井筒中部开拓泵房和水仓（相当于两个水平分段排水系统）将水经两段排水设备排至地面。此图也可表示为竖井多水平开采时的分段排水系统。图（b）是斜井两个水平同时开采时的分段排水系统。 采用中继排水，在井筒中部设置一套排水系统，可有效降低主排水设备的扬程，从而降低主排水设备的规模。缺点是当一套排水设备发生故障是，会影响整个矿井的排水，而且设备数量较多，井筒中的管路复杂，不利于安装和维护。（图1.2）。1新疆工程学院|机械工程系 第三章 选型设计的步骤 图1.2 分段排水系统图 根据上述的有关规定,本着尽量减少水泵数量的原则,并且考虑基建、维护、运行成本的简易程度，选用方案一
25、作为本设计的排水方法.50新疆工程学院|机械工程系 第四章 设备选型第四章 设备选型4.1初选水泵的型号和台数 选择水泵的型式和台数应符合规程和规范的规定。若有两种或两种以上符合要求时，应选其中尺寸小，效率高的水泵，而且水泵的台数应尽可能少。只有在不得已的情况下，才采用两台水泵并联排水。4.1.1排水系统对水泵的要求：a)水泵必需排水能力的计算 依据规程，在正常涌水期工作水泵的排水能力应为： 由于该矿井，所以该煤矿所选工作水泵的工作能力应为： 在最大涌水期，工作和备用水泵必需的总排水能力： 备用水泵的工作能力： 取二者较大值： 检修泵组的工作能力：新疆工程学院|机械工程系 计算说明书 式中 1
26、.2煤矿安全规程规定的排水设备能力系数。b)估算水泵必须的扬程： 式中：排水高度， 干管倾斜敷设时的倾角。 4.1.2初选水泵型号 参照泵产品样本,因为矿水呈中性，所以选择D型泵，依计算的工作水泵能力可选择泵的型号为:泵 D450-60的级数为：i=HB/Hi=5.65.9 取i=6泵 D500-57的级数为：i=HB/Hi=5.96.2 取i=6则水泵的型号为：D450-60和D500-57其详细资料如下新疆工程学院|机械工程系 计算说明书 表2.1 D450-60型离心泵参数 型号级数 流量扬程H(m)转速n(r/min)功率P(KW)效率必需汽蚀余量(NPSH)r(m)泵重(kg)(m3
27、/h)(L/s)轴功率Pa电动机功率D450-6064501253601480558.5680794.97390 图2.1 D450-60型水泵特性曲线图 新疆工程学院|机械工程系 计算说明书 表2.2 D500-57型离心泵参数型号级数流量扬程H (m)转速n(r/min)功率P(KW)效率必需汽蚀余量(NPSH)r(m)泵重(kg)(m3/h)(L/s)轴功率Pa电动机功率D500-5765001393991480671850815Y5003-4（IP23/6kv） 图2.2 D500-57型水泵特性曲线图 校验水泵稳定性 1）自特性查得时6级泵的扬程=69该值大于=63，满足稳定条件0.
28、9要求。2）自特性查得Q=0时6级泵的扬程H0 =71 该值大于HC =53，满足稳定条件0.9H0HC的要求。新疆工程学院|机械工程系 第四章 设备的选型 4.1.3 所需水泵的台数为 4.2选择管路系统 管路趟数及布置方式的选择 a）管路趟数的选择 根据规程有关规定，水管必须有工作和备用的，其中工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。涌水量小于300m3/h的矿井，排水管也不得少于两趟。对于所选的三台水泵，敷设两趟管路，即三泵两管工作方式，一台水泵工作时，可通过其中任一趟
29、管路排水，另一趟管路备用；两台水泵同时工作时，可分别通过一趟管路排水a）其管路系统布置如图 新疆工程学院|机械工程系 第四章 设备的选型 图2-4(a)三台泵两趟管路布置图 图2-4（a）是三台泵两趟管路的布置方式。一台水泵工作时，可通过其中任一趟管路排水，另一趟管路备用；两台水泵同时工作时，可分别通过一趟管路排水。 图2-4 四台水泵管路布置方式（b） 2）图2-4(b)是四台泵三趟管路的布置方式，正常涌水时期两台泵工作，可通过中任意两趟管路分别排水，另一趟管路备用，最大涌水时期三台泵工作可各用一趟管路排水。新疆工程学院|机械工程系 第四章 设备的选型 图2-4 五台水泵管路布置方式（c）
30、c） 图2-4（c）五台水泵三趟管路的布置方式，正常涌水时期两台泵工作，可通过其中任意两趟管路分别排水，另一趟管备用；最大涌水期四台泵工作，三趟管路排水，泵在并联管路上工作。根据上述规定，对于此设计中的D450-606 ，3台水泵，敷设2趟管路，其管路系统布置如上图2-4a所示；对于D500-576 ，3台水泵，敷设2趟管路，管路系统布置图如上图2-4a所示。 4.2.1排水管选择计算a）计算根据规范第2138条,管径常按经济流速计算: 式中排水管内径(计算)m. 对于D450-60水泵，额定流量为 对于D500-57水泵，额定流量为 b）壁厚度的计算： 壁厚可按如下公式计算： 式中：排水管内
31、径,cm p管内液体压强，作为估算p=0.011Hp(MPa)； Hp(m)为排水高度； z许用应力。铸铁管z=20 Mpa,焊接钢管z =60 Mpa, 无缝钢管z =80 Mpa;新疆工程学院|机械工程系 第四章 设备的选型 C附加厚度,对于铸铁管C=0.70.9cm;焊接管C=0.2cm; 无缝钢管C=0.10.2cm c)水管材质:对于敷设在深度不超过200m竖井内的排水管多采用焊接钢管,深度超过200m时多用无缝钢管;对于敷设在斜井内的排水管路,可按承压的变化,由下向上分段采用无缝钢管、焊接钢管和铸铁管。 对于D450-60 水泵， 对于D500-57水泵， 表2.4 热轧无缝钢管
32、（YB231-70）（mm）外径壁厚外径壁厚外径壁厚外径壁厚323842455054576063.56870732.58.02.58.02.510.02.510.02.510.03.011.03.013.03.014.03.014.03.016.03.016.03.019.0768389951021081141211271331401463.019.03.524.03.524.03.524.03.528.03.528.04.028.04.032.04.032.04.032.04.536.04.536.0 152 159 168180194203219245273299325 3514.536.
33、04.536.05.045.05.045.05.045.06.050.06.050.07.050.07.050.08.075.08.075.08.075.03774024264594654805005305505606006309.075.09.075.09.075.09.075.09.075.09.075.09.075.09.025.09.025.09.025.09.025.09.025.0自表2.4中查得的无缝钢管如下新疆工程学院|机械工程系 第四章 设备的选型壁厚系列2.53.03.54.04.55.05.5677.583.599.510111213141516171819202224
34、25 26 28293034353638404245485056 60 63 657075对于D450-60水泵选取 管2998或 管3258对于D500-57水泵选取 管2998或 管3258 4.2.2吸水管直径确定计算根据规范第2138条,管径常按经济流速计算:式中 吸水管内径(计算),m. 额定流量，m3/h。 对于D450-60水泵， a）由上述可知，对应管2998水泵吸水管选为： 管3258 b）由此对应管32510水泵吸水管选为： 管3518对于D500-57水泵选取 新疆工程学院|机械工程系 第四章 设备的选型 c）对应管2998水泵吸水管选为： 管3258 d）对应管3258
35、水泵吸水管选为： 管3519绘制管道系统图图2.4 管道系统图估算管道长度排水管道长度可估算为： 取；吸水管长度 水流经泵房内排水管的长度，一般取； 管子道中的管子长度，一般取=2030m； 井口出水管长度，一般取=。4.3 水泵装置的工况 求管路特性方程式并绘制管路特性曲线由上计算可知排水管和吸水管的长度，不计管径差异，近似地按排水管径计算其特性，则： a）.计算道的局部阻力系数：排水管道管件局部阻力系数如表2.5所示表2.5 管件局部阻力系数名 称简 图局 部 阻 力 系 数 闸板阀x/d1/82/83/84/85/86/87/8197.8175.522.060.810.260.070.01止回阀1520253040455055607090624230149.56.64.63.21.7滤水器（带底阀）mm40507510015020025030012108.57.66.05.24.43.7无底阀时=0.1渐缩管0.1扩大管 以下0.20.50.60.70.80.9弯头0.40
