中央泵房改造设计（机电部分）（审核）

牛西矿业分公司

420中央泵房排水设备及供电验算

设计验算机电科长机电矿长总工程师安全矿长矿 长资 料

牛西矿业分公司 二0一一年七月

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第一节、主排水泵房现状

牛西矿是由原涿鹿煤矿牛西井二OO六年开始技改建设的。技改设计正常涌水量为108.49m3/h，最大涌水量为143.21m3/h。中央排水泵房设置在标高+420m井底车场，矿井水由此沿副斜井排至地面标高+687m。中央排水泵房内装备4台水泵，其中2台水泵型号MD155-30*10电机功率220KW，一台工作，一台备用；另装有2台水泵MD85-67*5电机功率132KW，相当于一台MD155-30*10用作检修泵。副斜井中铺设有两趟8寸φ219*6主排水管，长度2*695米，一工一备。由于矿井涌水量逐步增多，为安全起见，又在420中央排水泵房增设了1台型号MD155-30*10电机功率220KW的水泵。

第二节、原因及目的

尽管在420中央排水泵房又增设了1台型号MD155-30*10电机功率220KW的水泵，但根据当前中央泵房的排水设计能力以及矿技术部门提供的矿井涌水资料，其已经不能满足《煤矿安全规程》之相关规定（包括排水设备能力及水仓容积等）。

为确保矿井生产安全，根据目前涌水情况以及矿技术部门提供的相关资料，对+420中央排水泵房排水设施进行如下验算，并根据验算结果，提出相应的技术方案。

第三节、排水设备的验算

一、验算依据

按照矿技术部门提供资料：目前矿井涌水量在208 m3/h左右（经

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过实际测量和工况点验算）。最近计划继续要探放北翼420集中回风巷的顶板安山岩含水层的水，水量还要增加，矿井最大涌水量应该在275 m3/h左右。矿井的设防能力应该为686 m3/h左右。

1、正常涌水量208m3/h，最大涌水量275m3/h; 2、排水高度267米，排水管斜长：L=630m 3、排水管路敷设角度α=25.4°。 二、排水系统

排水系统不变，仍由+420中央泵房采用一级排水方式排至地面+687m标高。 三、水泵选型验算

1、水泵排水能力

根据《煤矿安全规程》规定，工作水泵的能力应能在20h内排出矿井24h的正常涌水量。

正常涌水期 QB≥1.2qz=1.2×208=249.6 m3/h 式中： QB--正常涌水期工作水泵最小排水能力，m3/h; 最大涌水期 Qmax≥1.2qmax=1.2×275=330 m3/h

式中： Qmax --最大涌水期工作水泵最小排水能力，m3/h; 2、水泵所需扬程的估算

根据矿井技改设计资料，估算水泵所需扬程H=K（Hh+Hx）=1.2×(267+5.5)=327m

3、初选水泵

选取MD280-43*7，其额定流量为280 m3/h，额定扬程He=301米，

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电动机功率355KW，效率77%，汽蚀余量4.7米。

根据《煤矿安全规程》规定，必须有工作、备用和检修的水泵，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能在应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。

1）正常涌水时工作水泵台数 n1=

QB249.6==0.89 取 n1=1台 280Qe式中： n1--工作水泵台数，台；取偏大整数

QB--正常涌水期工作水泵最小排水能力，m3/h;

Qe—所选水泵额定流量，m3/h；

2）备用水泵台数

n2=70%×n1=70%×1=0.7 取 n2=1台 式中： n2--备用水泵台数，台；取偏大整数 3）最大涌水时水泵工作台数 n3=

QBm330==1.17 取 n3=2台 Qe280式中： n2--工作水泵台数，台；取偏大整数

QBm—最大涌水期工作水泵最小排水能力，m3/h;

Qe—所选水泵额定流量，m3/h；

4）检修水泵台数

N4=25%×n1=0.25 取n3=1台

5）按照工作水泵台数和备用水泵台数之和，应大于或等于最大涌水时水泵工作台数，验算最大涌水时水泵的工作台数。

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最大涌水时水泵工作台数n3=2

工作水泵台数和备用水泵台数之和n1+n2 =2

n3=n1+n2 满足要求。

6）确定水泵总台数 n=n1+n2+ n3=3台

根据以上计算，工作水泵能在20h内排出采区24h的正常涌水量，工作水泵和备用水泵同时工作能在20h内排出采区24h的最大涌水量，所以安装3台水泵即可满足要求。 四、管路的选择验算

《煤矿安全规程》规定：必须有工作和备用管路，其中工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h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内排出矿井24h的最大涌水量。

1、根据采区涌水量和排水能力，选用两趟排水管路，一趟管路工作，一趟管路备用，正常涌水时，工作水泵通过一趟管路排水，最大涌水时，工作水泵及备用水泵同时工作分别通过两趟管路排水，从而可知每趟管内流量等于泵的流量。

2、管路材料

由于泵房垂直高度267m，确定采用无缝钢管。 3、排水管内径

d?p?0.0188Q280=0.0188=0.258～0.212m vp1.5?2.2(vp=1.5～2.2m/s)

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式中： d’p—排水管径，m；

Q—工作水泵额定流量，m3/h;

vp—排水管内经济流速，一般取vp =1.5～2.2m/s；

预选φ273*7，则排水管内径dp=(273-2×7)mm=259mm 4、吸水管径

d’x = d’p +25=259+25=284mm

根据选择的排水管径，吸水管选用标准无缝钢管，管路型号为φ299mm×7.5。 五、工况点的确定

1、管路系统 管路布置图如下：

选用两趟φ273 ×7型无缝钢管，即3泵2管路形式。

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井口地面MD280-43*7型水泵MD280-43*7型水泵MD280-43*7型水泵420排水泵房

2、估算管路长度

排水管路长度可估算为lp=Hsy+45=630+65=695m,吸水管长度可估算为5m。（Hsy=副斜井斜长）

3、水泵工况的确定 管道阻力系数 R?H?(Hp?Hx)Qe2=

327?(267?5.5)-4

=6.59×10 2280式中： R—管道阻力系数; 管道特性方程

Hg?Hp?Hx?RQ2=272.5+6.59×10Q

-4

2

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不同的Q值，求得相应H值列表如下 管道特性参数表

Q，m3/h H,m H/7 0 30 60 90 120 150 180 210 272.5 273.09 274.87 277.84 281.99 287.33 293.85 301.56 38.93 39.01 39.27 39.69 40.28 41.05 41.98 43.08 水泵性能曲线如下

MD280-43n=1480r/min50H(m）HηM8070605050P(Kw）4030P6NPSHr(m）403040302042NPSH201000502510015050200250Q(m3/h）75Q(L/S）300350100400125

水泵工况点确定

Q(m3/h) H(m) 250

314 ηm% 86 (NPSH)R(m) 轴功率(Kw) 4.0 301 8

六、校验计算

1、校验排水时间及排水管中实际流速 正常涌水时一昼夜排水时间

Tn=

24QB24*208==19.9h＜20h 1*250n1QM式中： Tn—昼夜排水时间，h； QB—矿井正常涌水量，m3/h;

QM—水泵工况流量，m3/h；

最大涌水量一昼夜排水时间

Tm=

24Qmax24*275==13.2h＜20h 2*250n2QM式中： Tn—昼夜排水时间，h； Qmax—矿井最大涌水量，m3/h;

QM—水泵工况流量，m3/h；

排水管内实际流速

Vp=

QM900?dp2=

250=1.48m/s 2900*3.14*0.259式中： Vp—排水管内实际流速，m/s ； dp—所选标准排水管内径，m;

QM—水泵工况流量，m3/h；

2、校验电动机功率 N=k

?QMHM10000*250*314=1.1*=276.16 kW

1000*3600*0.84*0.941000*3600*?M?g式中：N—电动机功率，kW；

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k—富裕系数，当QM＞300 m3/h时，取1.1；

?—矿井水重度，取10000N/m；

3

QM—水泵工况流量，m3/h； HM—水泵工况扬程，m； ηM—水泵工况效率，取0.84（查阅水泵说明书）； ηg—传动效率，一般取0.95～0.98；

查所选排水泵规格表，所配电动机功率355kW。满足要求。 七、计算经济指标

1、全年排水电耗 E=1.05*=1.05*

?QMHM(n1Tnzn?n3Tmzm)

1000*3600*?M?e?d10000*250*314(1*19.9*305?2*13.2*60)

1000*3600*0.84*0.94*0.95=1994601.94kW.h/a

式中：E—全年排水电耗，kW.h/a ；

k—富裕系数，当QM＞300 m3/h时，取1.05；

?—矿井水重度，取10000N/m；

3

QM—水泵工况流量，m3/h； HM—水泵工况扬程，m； ηM—水泵工况效率，0.84

ηd—电动机效率，大容量一般取0.9～0.94； ηg—传动效率，一般取0.95～0.98； zn—矿井正常涌水天数； zm—矿井最大涌水天数；

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2、排1m3水的电耗 em3==

E

QM(n1Tnzn?n3Tmzm)1994601.94=1.04Kw.h/m3

250*(1*19.9*305?2*13.2*60)3、吨煤排水电耗 et==

E1994601.094=5.7Kw.h/t

A350000式中： et—吨煤排水电耗，Kw.h/t ； A—矿井年产量，t/a;

八、校验原φ219×6无缝钢管与所选水泵运行是否可行 1、估算管路长度

排水管路长度可估算为lp=Hsy+45=630+65=695m,吸水管长度可估算为5m。（Hsy=副斜井斜长） 2、水泵工况的确定 管道阻力系数 R?H?(Hp?Hx)Qe2=

327?(267?5.5)-4

=6.59×10 2280式中： R—管道阻力系数; 管道特性方程

Hg?Hp?Hx?RQ2=272.5+6.59×10Q

-4

2

不同的Q值，求得相应H值列表如下 管道特性参数表

Q，m3/h 0 30 60 90 120 150 180 210 11

H,m H/7 272.5 273.09 274.87 277.84 281.99 287.33 293.85 301.56 38.93 39.01 39.27 39.69 40.28 41.05 41.98 43.08 水泵性能曲线如下

MD280-43n=1480r/min50H(m）HηM8070605050P(Kw）4030P6NPSHr(m）403040302042NPSH201000502510015050200250Q(m3/h）75Q(L/S）300350100400125

水泵工况点确定

Q(m3/h) H(m) 250 314 ηm% 86 (NPSH)R(m) 轴功率(Kw) 4.0 301 目前，副斜井铺设的排水管路φ219*6，管路内径φ207mm 在排高达到267m时，根据水泵特性曲线，可知流量达335m3/h 管路实际流速vs=

QM900?dp2335==2.76m/s 900*3.14*2072按照《矿山固定设备选型使用手册》中规定为φ200时，最大流量为

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299.88m3/h，最大流速2.69m/s。从排水经济流速（vp =1.5～2.2m/s）考虑，造成管路扬程损失，并减少了排水管路及水泵的使用年限，不符合要求。

副斜井按照设计铺设两趟φ276*7排水管路，工程量及费用太高。如果在原来基础上铺设φ276*7排水管路，没有铺设空间，占用用人行道，受现场条件限制。

第四节、供电系统验算

一、简要介绍

随着井下420区域矿井涌水量增大，现有主排水泵无法满足矿井排水要求，经过对420中央泵房排水设备进行验算需选用装设3台MD280-47*3型主排水泵。由于主排水泵电动机容量的增大，需要对其启动设备选型以及对供电系统进行相应验算，以保证供电安全之需求。

二、验算依据

1、420中央泵房排水设备验算后拟选用排水泵数据。 2、420中央泵房原供电方案不变，仅对其供电电气设备设施进行相应验算。

3、原矿井技改设计相关技术数据、图纸等。

图纸资料：供电系统图、短路电流计算图、短路系统等值电路图、泵房设备布置图；

技术参数：高压电缆、软启动器、主排水泵、高爆开关。 三、420中央泵房高压电网短路电流计算

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矿井技改设计提供供电系统至牛西35kV变电站6kV母线短路阻抗相对值为：Z大=7.187+j27.2495

Z小=7.056+j29.1981

式中：Z大——最大运行方式下阻抗相对值；

Z小——最小运行方式下阻抗相对值。

1、计算短路回路中的各元件阻抗，见短路电流计算图及等值电路图。

(1)、L1线路阻抗相对值

X*1?x0?LSda10000.08?0.89?==1.79 26.32UdaR*1?S8901000L?==4.397 ?da22?esAUda42.5?1206.3式中：Sda——基准容量，取1000MVA； Uda——基准电压，6.3KV； L——L1电缆长度，890m；

?es——电导率，42.5m/(Ω〃mm);

x0——线路电抗，0.08Ω/Km;

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(2)、L2线路阻抗相对值

X?2?x0?LLSda10000.08?0.03?==0.06 226.3UdaR?2?Sda301000?==0.36 242.5?506.32?esAUda?(3)、L3线路阻抗相对值与L2相同 (4)、L4线路阻抗相对值

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X?3?x0?LLSda10000.08?0.015?==0.03 226.3UdaR?3?Sda151000?==0.18 242.5?506.32?esAUda?2、计算短路点电流 (1)、D1点短路电流 ①系统最大运行方式

D1点总电抗相对值：?X?1大?X??X?1=27.2495+1.79=29.0395 D1点总电阻相对值：?R?1大?R??R?1=7.187+4.397=11.584 D1点总阻抗相对值：

2?Z?1大?(X?1大)2?(R?1大)2=29.0395?11.5842=31.265

短路电流计算：

D1点三相短路电流周期分量相对值：I*D1点三相短路电流周期分量：Ida(3)D1大?11==0.032 ?R?1大31.265Sda1000?106?==91646A 33Uda3?6.3?10(3)D1大(3)D1点三相短路电流：I?D1大?Ida?I*=91646×0.032=2932.67A

D1点三相短路冲击电流：

iimD1大?2.25?ID1大=2.55×2932.67=7478.31A

(3)D1点三相短路冲击电流最大有效值：

IimD1大?1.52?ID1大=1.52×2932.67=4457.66A

(2)D1点两相短路电流：ID1大?0.87?I(3)D1大(3)=0.87×2932.67=2551.42A

②系统最小运行方式 总阻抗

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?X?1小?X??X?1=29.1981+1.79=30.9881 ?R?1小?R??R?1=7.056+4.397=11.453

?Z(X2?1小??1小)2?(R?1小)2=30.9881?11.4532=33.037

短路电流计算：

I(3)11*D1小??R==0.03 ?1小31.265I(3)(3)?D1小?Ida?I*D1小=91646×0.03=2749.38A

i(3)imD1小?2.25?ID1小=2.55×2749.38=7010.92A I(3)imD1小?1.52?ID1小=1.52×2749.38=4179.06A

I(2)3)D1大?0.87?I(D1大=0.87×2749.38=2391.96A

D2、D3、D4计算方法和D1点一样，不再列出详细计算过程，其计算结果列下表：

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短 路 电 流 计 算 汇 总 表 最大运行方式（A） 编号 名称 最小运行方式（A） 冲击电流三相短路两相短路短路冲击冲击电流三相短路两相短路短路冲击最大有效电流 电流 电流 最大有效电流 电流 电流 值 值 I∞(3) I2) iim Iim I∞(3) I2) iim Iim 变电所2932.67 2551.42 7478.31 4457.66 2749.38 2391.96 7010.92 4179.06 D1 6KV母线 D2 一号泵 2914.34 2535.48 7431.57 4429.80 2749.38 2391.96 7010.92 4179.06 D3 二号泵 2914.34 2535.48 7431.57 4429.80 2749.38 2391.96 7010.92 4179.06 D4 三号泵 2905.18 2527.51 7408.21 4415.87 2749.38 2391.96 7010.92 4179.06 注：因为L2、L3、L4的高压线较短，阻抗相对值较小，使得计算过程中最大、最小运行方式数值几乎相同，所以全部保留两位。

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四、电气设备选型校验

1、电缆

电缆采用原有矿用聚氯乙烯高压电缆，《涿鹿矿初步设计》有详细计算说明过程，所以此项省略。

2、高压配电装置选型

依据图纸资料，只对0003#和0006#校验。其他详见《涿鹿矿初步设计》。

2.1、控制二号、三号主排水泵0003#高爆开关选型。 根据《煤矿安全规程》相关规定，装置应具有欠压保护；绝缘监视及选择行漏电保护；短路和过负荷保护。因此，选用矿用隔爆型智能化高压真空配电装置，型号为PBG12-100/6，其主要技术参数如下表。 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 性 能 额定电压 最高工作电压 额定电流 额定开断电流 额定频率 额定关合电流 额定稳定电流 额定热稳定电流 额定热稳定时间 额定断流容量 参 数 6 6.9 100 10（有效值） 50 25（峰值） 25（峰值） 10（有效值） 2 100 单 位 KV KV A KA HZ KA KA KA S MVA (1)、按正常工作电压校验高爆开关额定电压 上表中给出装置的额定电压为Ue=6,线路电压Ux=6,即

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Ue=Ux 符合要求。 (2)、选择额定电流

所选开关的额定电流应满足所控设备的最大负荷电流，（环境温度按40℃）。

IZ?Pe3?Ue?cos?=

555?1033?6?10?0.83=66.76A

取Ie=100A。

Ie=100A＞66.76A,符合要求。 (3)、按短路条件验算稳定性 ①用极限通过峰值电流验算

由短路电流计算汇总表得最大短路冲击电流值为井下变电所母线，iim=7.479KA。

ieim=25KA＞7.479KA,符合要求。 ②用额定断流容量校验

Sdmax=3?Up?I?=3?6.3?2933=32MVA Sed=100MVA＞32MVA,符合要求。 ③按短路条件校验热稳定性

出现短路故障时为速断保护，速断保护动作时间为0.25S，故：IRW?I?tjtRW=2.933

0.25=1.037KA 210KA＞1.037KA，符合要求

综上所述，所选配电装置型号为PBG12-100/6，经过各项选型校验，完全符合要求。

2.2、控制一号主排水泵0006#高爆开关选型

(1)、开关型号、额定电压、动、热稳定性校验与0003#开关相同，符合要求

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(2)、额定电流选择 ①正常工作电流

IZ?Pe3?Ue?cos?=

355?1033?6?10?0.83=42.7A

取Ie=100A。

Ie=100A＞42.7A,符合要求。

②额定电流为100A的开关，过载保护分档调节最低标称值为开关额定容量电流的0.2倍，故过载保护装置整定值刻在其标称值范围内选择。

所选配电装置型号为PBG12-100/6，经过各项选型校验，完全符合要求。

3、隔爆高压软启动控制器选型 (1)、开关性能参数

型号：KBRG11-50/6B；额定电压：6KV；额定电流：50A；具有过载、漏电、短路、欠压、过压、绝缘监视、断相、三相不平衡等保护。

(2)、用途及负荷技术数据 用途：3#主排水泵电磁起动器。

负载：额定功率为355KW；额定电压6KV；额定电流42.5A。 (3)、所控电路保护范围内最小两相短路电流I2)=2391.96A（由短路电流汇总表查得）

(4)、过流保护 ①短路

动作电流整定计算值由公式：

Iai?1.2~1.41.4Ieq??6?42.5=17.82A Ki100/5 20

Iaj=17.85/5=3.57,取IZ=4Iek 式中：

Izj—整定计算值； Ki—电流互感器变比； Ieq—额定启动电流； 1.4—可靠系数； 6----起动电流倍数；

4---开关整定的额定电流倍数； IZ—整定电流； IeK—开关额定电流。 灵敏度校验：

I(2)2931.96KS???14.66＞2

Ki?Iz100/5?2?5满足灵敏度要求。动作时间：速断。 ②过载

动作电流值由公式

Igj?Kk?KjKf?KiIe?1.2?1?42.5?3A

0.85?100/53/5=0.6，取IZ=0.6Iek。 式中：

KK---可靠系数；

Kj---接线系数，不完全Y为1； Kf—返回系数，0.85； Ki—变流比；

Iek—开关额定电流，0.6为整定分档。 ③零序电压整定

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取10档。 ④零序电流整定 取1.0A。 ⑤漏电延时 取0.5S。

注：因两台开关的使用、计算条件相同，便不再进行验算。 22

张矿集团牛西矿业分公司中央泵房供电系统图高压入井二MYJV22--3*120--890mMYJV22--3*120--890m高压入井一矿用高压电缆接地极短路点000100030005D1000600040002BGP-315/6PBG-100/612PBG-200/612PBG-100/612PBG-100/612BGP-315/6MYJV22-3*120-5mMYJV22-3*120-5mMYJV22-3*50-30m1#ZFMMYJV22-3*50-30m备 用001MYJV22-3*50-15m002003QJGR-150/6QBGZ-160/6QJGR-150/61#ZD2#ZD3#ZDD4D3D2三号主排水泵MD280-47X3 355KW二号主排水泵MD280-47X3 355KW一号主排水泵MD280-47X3 355KW高压隔爆配电装置

第五节 验算结论

1、按照上述验算，并根据《煤矿安全规程》相关规定要求，在420中央排水泵房需选用装设3台型号MD280-43*7的多级离心泵。其中1台工作，一台备用，一台作为检修水泵。

2、按照上述验算，主排水管路选用φ273*7无缝钢管两趟，共计1390米。

3、主排水泵启动装置，选用矿用隔爆高压软启动控制器，其型号为KBRG11-50/6B，共计3台。

4、因井下用电负荷并未增大，故地面35kV变电站6kV入井开关及电缆，不在进行验算（详见原矿井技改设计资料）。

第六节 最终改造结论

按照以上计算结果，结合牛西矿目前现状，需安装安装2MD155-30*10高压排水泵，安装2台MD280-43*7高压排水泵，还用原来φ219*6的排水管路，考虑新选MD280-43*7高压排水泵单台水泵双管路运行,再铺设一趟φ219*6无缝钢管作为备用排水管路。或者更换两趟φ276*7无缝钢管为排水管路。主排水泵启动装置，选用矿用隔爆高压软启动控制器，其型号为KBRG11-50/6B，共计2台。

第五节 验算结论

1、按照上述验算，并根据《煤矿安全规程》相关规定要求，在420中央排水泵房需选用装设3台型号MD280-43*7的多级离心泵。其中1台工作，一台备用，一台作为检修水泵。

2、按照上述验算，主排水管路选用φ273*7无缝钢管两趟，共计1390米。

3、主排水泵启动装置，选用矿用隔爆高压软启动控制器，其型号为KBRG11-50/6B，共计3台。

4、因井下用电负荷并未增大，故地面35kV变电站6kV入井开关及电缆，不在进行验算（详见原矿井技改设计资料）。

第六节 最终改造结论

按照以上计算结果，结合牛西矿目前现状，需安装安装2MD155-30*10高压排水泵，安装2台MD280-43*7高压排水泵，还用原来φ219*6的排水管路，考虑新选MD280-43*7高压排水泵单台水泵双管路运行,再铺设一趟φ219*6无缝钢管作为备用排水管路。或者更换两趟φ276*7无缝钢管为排水管路。主排水泵启动装置，选用矿用隔爆高压软启动控制器，其型号为KBRG11-50/6B，共计2台。

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