礦山排水設備及污水處理設計論文(DOC 17頁).doc

某職業(yè)技術學院機電工程系畢業(yè)設計摘要礦山進入凹陷開采后，必然面對如何解決排水的問題。永平露天礦結(jié)合礦山采掘工作面的實際情況，設計出組合式浮船泵站，解決了雨季礦山凹陷排水問題，使采區(qū)生產(chǎn)得以正常進行。分析了煤炭給排水的現(xiàn)狀及存在問題，從給水水源選擇、井下供水、礦井工業(yè)場地的循環(huán)冷卻用水及煤礦污水處理等方面探討了煤礦給排水設計存在的問題及改進方向，論述了合理利用礦井排水資源，合理配置給排水及循環(huán)水系統(tǒng)，提出煤礦污水處理必須聯(lián)系實際選擇可行性方案。煤礦給水設計的基本任務是滿足礦井建設生產(chǎn)對水量、水壓和水質(zhì)的要求。主要包括礦井工業(yè)廣場的生產(chǎn)、生活及消防用水；各類工業(yè)設備的冷卻循環(huán)用水；礦井住宅區(qū)的生活及消防用水；礦井井下給水。 煤礦排水設計的基本任務是將礦井工業(yè)廣場及居住區(qū)產(chǎn)生的各類生產(chǎn)廢水、生活污水及雨水有組織的、符合環(huán)境保護要求排入地面水體。 煤礦給排水設計與城市給排水設計相比較有許多相似之處但又有其特殊性。一方面生產(chǎn)生活需要大量用水，另一方面煤礦開采又大大破壞地下水資源。在煤礦建設過程中，怎樣才能符合市場經(jīng)濟規(guī)律，進行商業(yè)化、城市化給排水設計，怎樣合理利用水資源，保護地面水環(huán)境，是煤礦給排水設計工作者必須重視的問題。本文結(jié)合多年從事煤礦設計的實踐，對煤礦建設給排水設計存在的若干問題提出自己的看法。 關鍵詞：礦山設備 排水 污水處理 排水設計 目 錄摘要1緒論3第一章礦山排水設備4 1.1 礦山排水設備的組成4 1.2 礦山排水系統(tǒng)4 第二章排水設備的選型設計6 2.1設計題目 62.2設計資料 62.3設計要求 62.4選型的計算及步驟7第三章 煤礦排水存在的問題13.3.1煤礦生活污水處理設施重復建設現(xiàn)象普遍143.2污水處理設計參數(shù)選擇不合理15總結(jié)16參考文獻17緒 論在礦井建設和生產(chǎn)過程中，從各種渠道來的水源源不斷地涌入礦井，如果不及時排除，必將影響煤礦的安全生產(chǎn)。因此，必須設置水泵，把涌入礦井的水及時從井下排至地面。另外，由于煤礦地質(zhì)條件復雜，有可能遭到突然大量涌水而淹沒礦井，這時需要排水設備搶險排水，以盡快恢復礦井生產(chǎn)?？傊?，礦井排水始終伴隨著煤礦建設好生產(chǎn)，直至礦井報廢，才能完成它的歷史使命。因此，礦井排水是煤礦建設和生產(chǎn)中不可缺少的一部分，它對保證礦井正常生產(chǎn)起著非常重要的作用。在煤礦地下開采過程中，由于地層含水的涌出，雨雪和江河水的滲透，水砂充填和水力采煤的井下供水，使得大量的水晝夜不停的匯集于井下。這些水給礦井的正常生產(chǎn)帶來了很大的危險，為保證礦井的正常生產(chǎn)必須隨時將涌入礦井的水排出，這項任務是由礦井排水設備來完成的。第一章礦山排水設備1.1 礦山排水設備的組成 礦山排水設備一般由水泵、電動機、啟動設備、管路、管路附件和儀表組成。1.2 礦山排水系統(tǒng)1.1.1礦水在煤礦開采過程中，隨時有礦水涌入礦井，礦井水來自大氣降水，地表水，地下水，這些水通過各種途徑涌入礦井。涌入礦井的水統(tǒng)稱為礦水。單位時間涌入礦井水倉的礦水總量稱為礦井涌水量。由于涌水量受地質(zhì)構(gòu)造、地理特征氣候條件、地面積水和開采方法等多種因素的影響，因此各礦涌水量極不相同。一個礦在不同季節(jié)涌水量也是變化的，通常在雨季和涌水期出現(xiàn)涌水高峰，此期間的涌水量稱為最大涌水量，其他時間的涌水量變化不大，一年內(nèi)持續(xù)時間較長，此期間的涌水量稱為正常涌水量。為了比較各礦涌水量的大小，常用在同一時間內(nèi)，相對于單位煤炭產(chǎn)量的涌水量作為比較的參數(shù)，稱為含水系數(shù)，用Ks表示，則Ks=24q/Ar式中：q-礦井涌水量，m3/h Ar-同一期內(nèi)煤炭日產(chǎn)量。 礦水在穿過巖層和沿坑道流動過程中，溶入了各種物質(zhì)，因此礦水的密度比一般清水大，約為10151025kg/ m3。由于礦水中懸浮狀固體顆粒容易磨損水泵零件，因此必須經(jīng)過沉淀池和水倉沉淀后再由水泵排出。 由于溶解在水中的物質(zhì)不同，礦水有酸性，中性和堿性之分，當?shù)V水中氫離子濃度的PH值等于7時為中性水，PH7時為堿性水，酸性礦水對金屬有腐蝕作用，因此當?shù)V水的PH5時應根據(jù)情況加石灰中和或采用耐酸的排水設備。 根據(jù)統(tǒng)計，每開采1t煤要排出27t礦水，甚至多達3040t。礦山排水設備的電動機功率小的幾千瓦，大的幾百千瓦或上千瓦，因此保證礦山排水設備運轉(zhuǎn)的可靠性（安全性）與經(jīng)濟性（高效率低能耗）。具有重要的意義。1.1.2排水系統(tǒng)對于巷道低于地面的礦井，涌入礦井中的水需要排水設備將水排到地面。目前我國大多數(shù)礦井采用這種方法。根據(jù)開采水平以及各水平涌水量大小的不同，礦井排水課采用不同的排水系統(tǒng)。豎井單水平開采時，可采用直接排水系統(tǒng)將井下全部涌水集中于底車場的水倉內(nèi)，并用排水設備將其排到地面。兩個或多個水平同時開采時，可有多種方案供選用，就兩個水平而言有三種方案。（1） 直接排水系統(tǒng)，如個水平涌水量都很大，各水平分別設置水倉，泵房和排水裝置，將個水平的水直接排到地面。此方案的優(yōu)點：上下水平互不干擾。缺點：井筒內(nèi)管路多。（2） 集中排水系統(tǒng)，當水平的涌水量較小時，可將上水平的水下放到下水平而后由下水平的排水裝置直接拍到地面。此方案的優(yōu)點：只需一套排水設備。缺點：上水平的水下放后在上提損失了位能，增加了 電耗。（3） 分段排水系統(tǒng)。若下水平的水量較小或井過深，則可將下水平的水排至上水平的水倉內(nèi)，然后集中一起排至地面。 采用哪一種方案，要經(jīng)過技術好經(jīng)濟的綜合比較后才能確定。1.13水倉用來專門儲存礦水的巷道叫水倉，水倉有兩個主要作用，一是儲存集中礦水排水設備可以將水從水倉排至地面。為了防止斷電或排水設備發(fā)生故障被迫停止運行時淹沒巷道，主泵房的水倉應有足夠大的容積，必須能容納8h正常的涌水量。二是沉淀礦水，因在從采掘工作面到水倉的流動過程中，礦水夾帶有大量懸浮物和固體顆粒，為防止排水系統(tǒng)阻塞和減輕排水設備磨損，在水倉中要進行沉淀，根據(jù)顆粒沉降理論，為了達到能把大部分細微顆粒沉淀于倉底水在水倉中流動的速度必須小于0.005m/s，而且流動時間要大于6h，因此水倉巷道長不得小于100m。未了在清理水倉沉淀物的同時，又能保證排水設備正常工作，水倉至少要有一個主水倉和一個副水倉，以便清理時輪換使用，水倉可以布置在水泵房的一側(cè)，也可以布置在水泵房的兩側(cè)，在水泵房一側(cè)的布置方式適用于單翼開采，礦水從一側(cè)流入水倉，在水泵房的兩側(cè)的布置方式適用于雙翼開采，礦水從兩側(cè)流入水倉。由于礦水中固體顆粒的沉淀，水倉容量逐漸減少，為了保證水倉的容水能力容納涌水高峰的全部礦水，每次雨季到來前，必須徹底清理一次主泵房的水倉。為了便于清掃水倉的淤泥，水倉和分水井靠管路連接，管路上裝有閘閥，關閉時可以清掃水倉。為了便于運輸水倉底板一般都敷設軌道。1.14水泵房水泵房是轉(zhuǎn)為安裝水泵，電機等設備而放置的硐室，大多數(shù)主水泵房布置在井底車場附近，其原因如下：（1） 運輸巷道的坡度都向井底車場傾斜，便于礦水沿排水溝流向水倉。（2） 排水設備運輸方便。（3） 由于靠近井筒，縮短了管路長度，不僅節(jié)約管材，而且減少了管路水頭損失，同時增加了排水工作的可靠性。（4） 在井底車場附近，通風條件好，改善了泵與電機的工作環(huán)境。（5） 水泵房以中央變電所為鄰，供電線路短，減少了供電損耗，這對耗電量很多，運轉(zhuǎn)時間又長的排水設備而言，具有不容忽視的經(jīng)濟意義。水泵房排水設備的布置方式主要取決于泵和管路的多少，通常情況下，應盡量減少泵房斷面，水泵在水泵房內(nèi)順著水泵房長度方向軸向排列，泵房輪廓尺寸應根據(jù)安裝設備的最大外形，通道寬度和檢修條件等確定。一般泵房的長、寬、高由下述公式確定。1：水泵房長度L=nL0+L1(n+1)式中 n-水泵臺數(shù) L0-水泵機組（泵和電動機）的基礎長度m; L1-水泵機組的凈空距離，一般為1.52.m;在礦井的涌水量有增加的可能時，應考慮泵房的長度有增加的可能，井筒內(nèi)也應考慮有相應的管道安裝位置。2水泵房的寬度B=b0+b1+bz 式中 b0-水泵的基礎寬度m b1-水泵基礎邊到軌道一側(cè)墻壁的距離，以通過泵房內(nèi)最大設備為原則，一般為1.52m. bz-水泵基礎另一邊到吸水井一側(cè)墻壁的距離，一般為0.81.0m. 3水泵房的高度 水泵房的高度應滿足檢修時起重的要求，根據(jù)具體情況確定，一般為3.04.5m,或根據(jù)水泵葉輪直徑確定：在D350mm時取4.5m，并應設有能承受起重質(zhì)量為3-5t的工字梁；在d350mm時取3m可不設起重梁。水泵基礎的長和寬應比水泵底座最大外形尺寸每約大200-300m，大型水泵基礎應高于泵房地板200m.第二章排水設備的選型設計2.1 設計題目排水設備的選型設計2.2 必備的資料1、 單水平開采，井深625m；2、 正常涌水量qz760（m3/h），正常涌水期rz320（d）；3、 最水涌水量qmax1500（m3/h），最大涌水期rmax45（d）；4、 礦水中性，密度1020（kg/m3）；5、 礦井電壓（6000V）；6、 礦井主排水設備泵房設在井底車場附近；7、 屬低沼氣礦井；8、 礦井年產(chǎn)量4106（t）；2.3 設計要求：選擇排水設備1 擬定排水系統(tǒng)2 選泵的型式及臺數(shù)3 選泵管路并作管路布置4 計算管路特性5 確定排水裝置的排水工況，驗算排水時間6 計算必須的電動機容量及電能耗量7 經(jīng)濟核算頁8 繪制所需的圖形2.4 選型的計算及步驟2.4.1選擇排水系統(tǒng)排水系統(tǒng)分為兩種：一是直接排水，二是分段排水。因考慮到礦井較深，可采用壁厚不等的管道分段安裝。所以采用分段排水姣好。2.4.2選泵的型式及臺數(shù)1 工作水泵必須的排水能力根據(jù)有關規(guī)定，要求投入工作的水泵的排水能力能在20小時內(nèi)排完24小時的正常涌水量。即 B24qz /20 則 Qb1.2 qz = 1.2 760 = 912 (m3 / h )又工作泵與備用泵的總能力，能在20小時內(nèi)排完24小時的最大涌水量。即 Qmax 24 qz / qmax則 Qmax 1.2 1500 =1800 (m3 / h )其中qz 為正常涌水量， qmax 為最大涌水量 Qb 為工作水泵必須排水能力 Qmax 為工作與備用水泵必須的排水總能力2. 水泵必須揚程利用管路效率概念，用HB = Hc / g （ m ）則HB = Hc / g =630/（0.90.89） =700707.9 （ m ） 其中Hc =井深 + 井底車場與最低吸水面標高差 + 排水管高出井口高度 = 625 + 4 + 1 = 630 （ m ） 式中 g 為管路效率，對于豎直敷設的管路 g = 0.9 0.89，對于傾斜敷設的管路，當傾角 30時 取 g =0.830.8 ， = 30 20時 ，取 g = 0.80.77 ， 20時 取 g =0.77 0.74 。因井為豎井，所以 取 g = 0.90.89.3. 預選水泵型式及臺數(shù)選能滿足Qb 和HB 的水泵，最好是一臺就能達到所需要求的排水能力，優(yōu)先選擇工作可靠、性能良好、體積小、重量輕而且便宜的產(chǎn)品， 當?shù)V水的PH 5 時，應采用防酸水泵.級額定揚程 Hei =100 （ m ） ，單級平均特性如圖 （1）通過比較Qb、Qmax、和 Qe，在正常涌水時期需要水泵臺數(shù) n1 = Qb/Qe = 912/ 450 = 2 臺，在最大涌水期需要水泵臺數(shù)n1 + n2 = Qmax / Qe = 1800 / 450= 4 臺.此之外需n3 =1臺檢修,所以必須的水泵臺數(shù)n = n1 + n2 + n3 =5臺.由特性曲線可以查得Q =B/2 =456 (m3 / h ) = 126.6 (L / s)時的揚程Hi =100.0 m. 所需泵的級數(shù) i =HB/Hi = （700-707.9）/100 = 77.08 =7級綜上所述，預選DS 4501007的水泵5臺。 H（m） 圖(1) （%） 130 120 110 100 90 80 700 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 Q（L/s）2.4.3 選擇管路并作管路布置根據(jù)規(guī)程及工作水泵臺數(shù)可選布置方式,可選三條管路,正常涌水期兩臺水泵各用一條管路排水.最大涌水期四臺泵工作啟用備用管路,共用三條管路并聯(lián)排水.1計算管路并取材. 取經(jīng)濟流速Vp =1.52.2 (m/s)則 排水管內(nèi)徑 dp =(4Q /3600Vp)1/2 代入數(shù)據(jù)得, dp =0.327-0.270 (m), 由標準YB 231-70 查得外徑 Dp =325 ()的無縫管壁厚中有 8 . 10.14()等.取壁厚= 14 () dp =325 214 = 297 ().所需壁厚 = 0.5 dp (z + 0.40.011HP)/( z 1.30.011 HP)1/2-1+ C =0.529.7 (z + 0.40.011625)/( z 1.30.011625 )1/2-1 + 0.2 =1.37 ( )與所取壁厚正好吻合,其中HP排水高度, C為附加厚度.所以分段采用YB231-70 32514 32510 3258的無縫管作排水管.采用3518的無縫管作吸水管.1. 管路系統(tǒng)由流體機械11-1方案宜采用e方案,其中吸水井為各泵一口井,這里只作其中一臺泵的管路布置,其他四臺布置如此圖.排水管路系統(tǒng)圖2管路長度的計算LP = Hc + (4050) = 670680 ( m),取LP =680 ( m) 吸水長度為LX = 8( m)2.4.4 計算管路特性1.計算沿程阻力系數(shù)x =0.021 /dx0.3 =0.021 /（0.335）0.3 =0.0291p =0.021 /dp0.3 =0.021 /（0.297）0.3 =0.03022.局部阻力損失系數(shù)排水管局部損失的當量管長:L dp =(p + 1) dp /p =( 5.628 + 1)0.297/0.0302 =65.2 ( m )吸水管局部損失的當量管長:Ldx =x dx /x =3.306 0.335/0.0291 =38( m )3.管路阻力損失系數(shù)RT = 8 x(LX + Ldx)/ dx5 +p(LP + L d5p)/ dp/ 2g = 80.0291( 8 + 38)/(0.335)5 + 0.0302(680 +65.2)/(0.297)5/(3.14)29.8 = 8( 317.268 + 9738.623)/(3.14)29.8 =831.7 (s2/m5)4.管路特性方程式 由H =Hc + KRTQ2 可得H = 630 +831.710-6Q2 其中Q以(L/s)計參照水泵的流量范圍,選取九個流量值,再分別算出排水所需揚程和七級泵相應七分之一揚程值,如下表：Q(L/s)20406080100120140160180H (m)H(m)630.3390.05 631.3390.19632.9990.42635.3290.76638.3291.18641.9891.71646.3092.32651.2993.04656.9593.84最大涌水時期,三條管路并聯(lián)的管路損失系數(shù):RT=RT /9 =831.710-6/9 =92.410-6 (m. s2/L2)則管路特性方程為 H =630 + 92.410-6 Q2仍取九個流量,但是取泵的流量范圍為單臺泵的四倍,可的如下表數(shù)據(jù):Q(L/s)80160240320400480560640720H (m)H/(m)630.5990.08632.3790.33635.3290.76639.4691.35644.7892.11651.2993.04658.9794.13667.8495.41677.996.84利用上表可繪制出管路特性曲線,如圖(2)H（m） （%） 0 80 160 240 320 400 480 560 640 720 0 Q（L/s）排水管局部阻力損失系數(shù)和,即p,其各管件的系數(shù)如下表:排水管：名稱數(shù)量系數(shù)90彎頭45彎頭30彎頭三 通斜流三通閘 閥止 回 閥+） 擴 大 管622111110.2066=0.8240.1032=0.2060.0692=0.1381.50.50.261.7 0.5p5.628 吸水管局部阻力損失系數(shù)之和,即x,其各部件的系數(shù)如下:吸水管名稱數(shù) 量系數(shù)底 閥90彎頭+) 收 縮 管11130.2060.1x 3.3062.4.5 確定工況,驗算排水時間 1.確定工況將管路特性曲線繪在泵特性曲線圖上,它與泵揚程特性曲線的交點即為工況點,以Q . H. N . 和 Hs分別表示其流量.揚程.軸功率.效率和允許吸上真空度 (1).在正常涌水時期,工況點為單臺泵與一條管路特性交點,如圖(1).圖中K即為所求.該點工況參數(shù)為QK =147 (L /s) =0.147 ( m3/s ) =529.2( m3/h)HK =92.57 =647.5 () .(2)在最大涌水時期,工況點為四臺泵與三條并聯(lián)管路特性的交點, 如圖(2)K即為聯(lián)合工作中各泵的工況點,K4為聯(lián)合工作的等效工況點.Q4K=570 (L /s) = 0.57( m3/h)QK= Q4K/4 =142.5(L /s) =513( m3/h)H4K=HK=94.07 =658()4K =K =0.75(3).允許吸水高度Hx =Hs(10Pa/9.8103) + (0.24Pn/9.8103) 8 QKx LX/ dx5 +(x +1 )/ dx4/ 2g取Pa =0.98105 Pn=0.24104由泵的特性可得,Hs =5.2()則 Hx =5.280.02918/(0.335)5+(3.306+1)/(0.148)4/(3.14)29.8 =4.50()2.驗算排水時間根據(jù)所提供及所求的數(shù)據(jù),可以求得正常涌水每天必須的排水時間:Tz =24qz/n1 QK =24760/(2529.2) =17.23 (h)最大涌水時期每天必須的排水時間：Tmax =24qmax/( n1 + n2) QK=241500/(4513)=17.54(h)由上得知,每晝夜的排水時間T20(h),符合規(guī)程規(guī)定。2.4.6驗算電動機容量及耗電量1根據(jù)工況參數(shù)，求出電機必需的容量Nd = K g QK HK/（10003600K c） c為傳動效率則Nd =1.110209.8529.2647.5/（100036000.750.98） =1294 （KW）所以，可配JKZ1600（KW）-2P的電動機.2.計算耗電量 （1）.全年耗電量根據(jù)各泵工作涌水期不同時，其年耗電量為：由E=1.05 g n QK HK ri Ti/（10003600K c d w）可求其中QK為工況流量，HK為工況揚程，d 為電機效率， w為電網(wǎng)效率ri為工作日數(shù)，Ti為每晝夜工作小時數(shù)則正常涌水期Ez =1.0510209.82529.2647.517.23320/（100036000.750.980.90.95）=1.75107（KW/h）最大涌水期 Emax =1.0510209.8451365817.5445/（100036000.750.980.90.95）=4.95106（KW/h）全年耗電總量:E =Ez +Emax =2.25107（KW/h）余兩(2)排1 m3的電耗: e1 m3 =E /24(qz rz + qmax rmax ) =2.25107/24(760320+150045) =3.02（KW h/ m3）(3).產(chǎn)出1t煤的排水電耗:根據(jù)e =E/A 可以求得,其中A代表年產(chǎn)煤量,則e =E/A =2.25107/4106 =5.63（KW h/t）2.4.7 經(jīng)濟核算1.設備及安裝費整個排水系統(tǒng)的設備及安裝費用共分為三部分,一是機械設備部分,其余兩部分是電氣設備和管路系統(tǒng),根據(jù)流體機械書表29及電氣,管路的估算得大約需用1300000元2.建筑費建筑主要是在泵房尺寸和管子道尺寸的估算,并根據(jù)井底車場的布置統(tǒng)計水倉長度和斷面,估算開拓量14477m3,取開拓費即建筑費1600(元/m3),建筑費約為23163200元3.噸煤排水耗費 (1).年耗電費,取工業(yè)用電價0.1元,則年耗 S1 =Cd E =2.251070.1=2.25106(元) (2) .設備折舊費 S2 =1.31055=6.5104(元) (3) .建筑折舊費 S3 =231632005=1158160(元) (4) 工人工資: 取S4=8500(元) (5). 維修費: 取設備的6,則S5=7050006=42300(元)(6).其他費用: 可取工人工資的15,則S6=850015=1275(元)由以上數(shù)據(jù)得噸煤排水耗費為:S =( S1+ S2 + S3 + S4 + S5 + S6)/A =0.92(元/t)即開采一噸煤排水費用約在0.92元.備注：噸煤排水電耗在管子掛垢后，將增加電耗，所以當管子使用一段時間后，就應清理水管或采用管路并聯(lián)的方法以始終保持水泵的經(jīng)濟運行。第三章 煤礦排水設計存在問題煤礦排水設計的難點是生活污水處理設計，煤炭系統(tǒng)新建礦井非常重視環(huán)保建設，并投入了大量的環(huán)保建設資金。煤炭設計部門也對生活污水處理進行了多工藝、多方案比較與探索。如淮南地區(qū)，潘二礦的生物曝氣工藝、潘三礦的生物轉(zhuǎn)盤工藝、謝橋礦的表面曝氣工藝、新集礦的氧化溝工藝。但從投入使用的實際效果及資金利用率來看均不理想。下面對煤礦生活污水處理作一些分析與探討。 3.1煤礦生活污水處理設施重復建設現(xiàn)象普遍 目前部分煤礦礦井工業(yè)場地和居住區(qū)各建一座污水處理廠，這樣兩處征地，重復建設，投資大大增加，運行能耗高，管理費用高，技術力量分散，噸水處理成本高。一般來說，礦井工業(yè)場地和居住區(qū)相距不是很遠，合建一座污水處理廠更合理，考慮從居住區(qū)向工業(yè)場地排水，管道埋設太深，可在中間設置污水提升泵站，或者在工業(yè)場地與居住區(qū)中間地段征地建設污水處理廠。采取合建方式，不但可節(jié)省投資，更主要可大大降低運行成本。 3.2污水處理設計參數(shù)選擇不合理 進行煤礦生活污水處理