劉凱飛，郭洋波，蔡青峰，趙驚民

(河南省煤科院科明機電設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450001)

井下水倉是煤礦防止礦井水災的重要設(shè)施，每一個礦井必須配備的生產(chǎn)系統(tǒng)；水倉來水主要有地下水滲透、涌水、設(shè)備用水和礦井降塵用水4個來源。井下自然涌水與采煤工作用水排泄等產(chǎn)生廢水排泄會攜帶的煤粉、煤粒形成煤泥水。煤泥水經(jīng)過水溝，流入水倉經(jīng)過沉淀形成高黏稠狀的水倉煤泥；水倉由于煤泥長時間沉積，繼續(xù)淤積層厚度可達數(shù)米，影響礦井的正常排水。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第 311—314條要求(水倉的空倉容量必須經(jīng)常保持在總?cè)萘康?0%以上，水倉、沉淀池和水溝中的淤泥，應及時清理，每年雨季前必須清理1次)，如果不加以清理煤泥厚度隨著積累不斷增加，占有水倉有效容積，存在安全隱患。

1 煤礦水倉清淤現(xiàn)狀

為了礦井安全運行，消除水倉安全隱患，需要對水倉進行清理。但是由于在井下作業(yè)空間要求嚴苛以及煤泥的特殊黏結(jié)性，水倉煤泥清理成為困擾煤礦企業(yè)多年的難題。導致目前，水倉煤泥主要采用人工清挖的方式，工人勞動強度大、效率低、清挖周期長、礦車運輸煤泥泄漏嚴重，使運輸路線又臟又亂，達不到文明施工要求[1-9]；也有一些煤礦企業(yè)嘗試使用機械清挖然后壓濾處理方式，該方法存在設(shè)備繁多、工藝復雜、故障發(fā)生率高、設(shè)備維護量大等弊端，在實際使用中具有較多的局限性，并沒有得到廣泛的推廣[10-14]。

鑒于以上原因?qū)τ诿旱V水倉的清理，急需尋找一種實用性強、操作簡單的工藝來替代人工和機械清淤，解決現(xiàn)實問題。

2 水倉煤泥特性

煤泥粒度檢測如下：樣本取樣地點為副水倉口斜坡處，測試儀器選用標準篩，選擇尺寸分別為0.054、0.100、0.200、0.300、 0.450、0.600 mm ，測試方法選用濕篩。

測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果Tab.1 Test results

送檢試樣粒徑統(tǒng)計結(jié)果如下：①粒度+0.600 mm，占4.6%；②粒度+0.450 mm，占25.4%；③粒度+0.300 mm，占63.5%；④粒度+0.200 mm，占74.4%；⑤粒度+0.100mm，占91.5%；⑥粒度+0.054 mm，占100%。

粒徑測試結(jié)果分析：①本次取樣地點在副水倉口斜坡處取樣，送檢煤泥樣本所含粒徑在0.600 mm以上的占比較少近4.6%，0.300～0.450 mm顆粒占比最多為38.1%。所含粒徑在0.300 mm以上的較多，占比達63.5%；所含粒徑在0.200 mm以上的較多，占比達74.4%。②若采用0.100 mm篩分精度，煤泥樣本理論篩分效率為91.5%；若采用0.200 mm篩分精度，煤泥樣本理論篩分效率為74.4%；若采用0.300 mm篩分精度，理論篩分效率為63.5%；適合采用0.100、0.200、0.300 mm篩分精度。粒徑分布如圖1所示，粒徑統(tǒng)計如圖2所示。

3 技術(shù)選擇與設(shè)計依據(jù)

選用一種工藝簡單、實用性強的造漿清淤系統(tǒng)，前端通過泵送平臺造漿，后端使用新型的固液分離技術(shù)對煤泥進行脫水，滿足運輸要求。實現(xiàn)大于0.100 mm級別顆粒的煤水分離，小于0.100 mm顆粒經(jīng)充分攪動后以懸濁液形式通過水泵外排，實現(xiàn)水倉煤泥快速清理的目的。工藝流程如圖3所示。

圖1 粒徑分布Fig.1 Particle size map

圖2 粒徑統(tǒng)計Fig.2 Particle size statistics

以清理主水倉為例對該工藝流程進行說明(主副水倉交替清理)。清理水倉前先筑起防水壩將主副水倉完全隔離開，再將主水倉清水抽干，并確保通風等其他安全措施符合清倉安全制度要求方可清倉。該工藝流程圖大致分為4個功能區(qū)，分別為造漿區(qū)、抽排區(qū)、篩分區(qū)、外運區(qū)。具體功能如下：①造漿區(qū)。將沉積煤泥稀釋。利用大壩圍巖等形式將水倉內(nèi)5～10 m設(shè)定為1個工作區(qū)段，利用礦井靜壓水通過高壓泵加壓后對水倉內(nèi)沉積煤泥打散、造漿，漿液目標含固量為20%～40%。在清理完該工作區(qū)段后，依次向水泵房內(nèi)方向延伸清理，直至全部完成。②抽排區(qū)。BQS20-28-4型泥漿泵將造漿區(qū)稀釋后的煤泥(含固量為20%～40%)抽起，通過進水管(DN65管道)輸送到礦用多維固液分離機。③篩分區(qū)。對稀釋后的煤泥水(含固量為20～40%)進行固液分離。煤泥水通過進水管流入固液分離機后使用多維固液分離機實現(xiàn)大于0.100 mm級別顆粒的煤水分離；分離后煤泥含水量<40%，完全符合運輸要求。④外運區(qū)。將固液分離機分離后的篩上煤泥和篩下水外運。篩上物煤泥從多維固液分離機出料口掉落到礦車(1.5 t)實現(xiàn)外運；篩下水通過出水管(DN65管道)管道途徑水倉水溝流入副水倉。

圖3 工藝流程Fig.3 Process flow

3.1 系統(tǒng)總體布置方案

3.1.1 不同清淤地點處煤泥清理情況分析

斜坡處清理如圖4所示。在清理斜坡處煤泥時，需使用絞車或者自身制動裝置控制升降泥漿泵平臺，防止溜車、掉軌傷人等事件發(fā)生；泥漿泵平臺后端有操作平臺，方便斜坡清理時人員安全操作。最終安全措施嚴格按照礦方斜巷運輸安全管理相關(guān)制度執(zhí)行。

圖4 斜坡處清理Fig.4 Schematic diagram of slope cleaning

水平處清理如圖5所示。在水平處清理時泥漿泵后端需增加圍巖，以水倉內(nèi)5～10 m設(shè)定為1個工作段；每段內(nèi)煤泥清理結(jié)束時圍巖及時交替向前移動，防止煤泥涌倉。

圖5 水平處清理示意Fig.5 Indication of horizontal cleaning

3.1.2 設(shè)備布置方案示意

設(shè)備布置方案如圖6所示。

圖6 設(shè)備布置方案示意Fig.6 Schematic diagram of device layout

3.2 系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計與選型

造漿設(shè)備(高壓水泵)、抽排設(shè)備(泥漿泵、泵送車)、篩分設(shè)備(礦用多維固液分離機)、外運設(shè)備(礦車)以及電控設(shè)備組成，以上設(shè)備關(guān)聯(lián)組成水倉清淤系統(tǒng)。

3.2.1 泥漿泵的選型設(shè)計

(1)泥漿泵的流量按要求定為Q=20 m3/h。

(2) 泥漿泵的揚程計算。流量20 m3/h，DN65管道，流速v=4Q/3 600πd2=1.68 m/s，沿程損失hf1=λLV2/2gd=16.59 m，局部損失hf2=∑ξV2/2g=3.07 m，管路總的揚程損失hf=hf1+hf2=19.66 m，管路垂直落差為h=4.0 m，管路裝置揚程Hz=23.66 m，泵的揚程為H=28.39 m (考慮到煤泥漿體黏度對性能的影響，安全系數(shù)取1.2)。泵的流量定在20 m3/h，揚程定為28 m。

(3)泥漿泵主要技術(shù)參數(shù)。該泵水陸兩用，可下接帶底閥濾網(wǎng)的吸水軟管，也可潛水使用；當水被排光，泵允許斷水空轉(zhuǎn)，當水位恢復時，又可自動排水；安全可靠，全揚程無過載，允許在全揚程范圍內(nèi)使用;易損部件采用合金材料制造，使用耐磨壽命長。BQS20-28-4泥漿泵主要技術(shù)參數(shù)：流量為20 m3/h；揚程為28 m；功率為4 kW；出口管徑DN40變徑為DN65；電壓為660 V/1 140 V；允許漿體含固比40%以下；允許通過固體粒徑為10 mm。

3.2.2 泵送平臺設(shè)計

為方便泥漿泵在水倉移動，設(shè)計了一個簡易平臺，主要由以下部分組成：軌輪、泥漿泵、升降框架、制動裝置(圖7)。泥漿泵平臺具備移動、手動升降、操作平臺等功能。操作人員可以在操作平臺上完成造漿工序，保證操作人員的安全和便捷。根據(jù)水位的高低通過手動升降適當調(diào)節(jié)泥漿泵進口面距離煤泥水液面相對位置，提高煤泥水抽排工作適應性。在斜巷移動時除增加軌道制動裝置外，必須嚴格按照礦方斜巷運輸安全管理相關(guān)制度執(zhí)行。

圖7 泥漿泵泵送平臺Fig.7 Pumping platform of mud pump

為了防止泥漿泵泵送平臺在清理傾斜處煤泥時發(fā)生溜車、掉軌等，在泥漿泵泵送平臺兩側(cè)增加制動裝置(圖8)，利用杠桿原理按下手柄時抓手緊緊地鎖緊軌道；保證泥漿泵泵送平臺牢固地鎖定在軌道。

圖8 泵送平臺制動裝置Fig.8 Braking device of pumping platform

3.2.3 礦用固液分離機設(shè)計選型

篩分測試中發(fā)現(xiàn)樣本煤泥顆粒較細、易堵塞篩網(wǎng)，研制的KFS-15/1.1和KFS-15/22礦用固液分離機均可實現(xiàn)煤水分離。

KFS-15/1.1礦用多維固液分離機原理：由直立式振動電機作為激振源，振動電機上、下兩端安裝有偏心塊，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、垂直和切向的三次元運動，形成3個維度的振動動作，帶動篩盤振動，繼而帶動物料與滑環(huán)的振動。其中，滑環(huán)的振動是對篩網(wǎng)底面的反向拍擊，以避免或減少油性煤泥粘網(wǎng)堵網(wǎng)的可能。調(diào)節(jié)上、下偏心塊的質(zhì)量及其相位角，可以改變物料在篩面上的運動速度及軌跡。

KFS-15/1.1礦用多維固液分離機結(jié)構(gòu)由激振電機、篩體、支承裝置、排水口、排料口、底座等組成(圖9)。借助電機軸兩端偏振塊，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楹Y體的水平、垂直、傾斜運動，進而使篩網(wǎng)上物料向前移動實現(xiàn)排料、卸料功能。

圖9 KFS-15/1.1礦用固液分離機結(jié)構(gòu)Fig.9 KFS-15/1.1 structure of mine solid-liquid separator

KFS-15/1.1礦用固液分離機具體參數(shù)：①處理能力15～30 m3/h；②外形尺寸(長×寬×高)1 800 mm×1 245 mm×1 150(±20) mm；③篩網(wǎng)有效尺寸(直徑)1 100 mm；④噪聲85 dB(A)；⑤驅(qū)動電機功率1.1 kW；型號YBZU20-4；電壓660/1 140 V；⑥安全標志編號/MCM210032。

3.2.4 電控設(shè)備設(shè)計與選型

采用1臺多回路電磁啟動器(QJZ-60/1140(660))拖動礦用固液分離機。主設(shè)備控制系統(tǒng)包括：低壓礦用隔爆兼本質(zhì)安全型低壓電磁起動器等。QJZ系列礦用隔爆兼本質(zhì)安全型低壓電磁起動器，額定電壓：660/1 140 V。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型低壓電磁起動器具備以下功能：真空接觸器、電壓(電流)互感器，一體式安裝；具有接地、欠壓、過壓、三相不平衡、過載短路、斷相、絕緣監(jiān)視等功能。

4 現(xiàn)場應用情況

現(xiàn)場設(shè)備布置情況如圖10所示，固液分離效果如圖11所示，工藝對比見表2。

圖10 現(xiàn)場設(shè)備布置情況Fig.10 Layout conditions of equipment on site

圖11 固液分離效果Fig.11 Effect of solid-liquid separation

表2 工藝對比Tab.2 Craft contrast

該系統(tǒng)體現(xiàn)如下技術(shù)特征：①清理周期短?？焖偾謇?，大大縮短清淤時間、清理效果好。②實用性強。工藝簡單便于組織管理、用工少。③節(jié)約成本。實現(xiàn)就近處理、方便設(shè)備安裝維護簡單；既解放了清倉工人的勞動力，又產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

開發(fā)的新系統(tǒng)工藝簡單、實用性強的造漿清淤工藝。前端通過泵送平臺造漿，后端使用新型的固液分離技術(shù)對煤泥進行脫水；固液分離設(shè)備配套的防堵網(wǎng)組件反向拍擊篩網(wǎng)，可有效解決細顆粒粘接篩網(wǎng)、細小顆粒堵塞篩網(wǎng)現(xiàn)象，提高篩網(wǎng)通透性，滿足運輸要求。實現(xiàn)大于0.100 mm級別顆粒的煤水分離，小于0.100 mm顆粒經(jīng)充分攪動后以懸濁液形式通過水泵外排，實現(xiàn)水倉煤泥快速清理的目的。