煤礦水倉清挖泵送機研制

文|徐臘兒 北京建工資源循環利用投資有限公司

一、前言

目前，煤礦井下水倉是防止礦井水災確保煤礦安全生產的重要設施，用于礦井水外排的緩沖儲存，暫時容納礦井在開采過程中所出現的涌水和工程用水，防止排水設備發生故障或突然大量涌水時而發生水災，同時還能夠沉淀水中的固體顆粒，凈化水質。一般情況下，礦井的每個水平必須設置內環和外環2個水倉，長度在300～1000m,交替清理和使用，以確保煤礦生產的連續運行。由于水倉內的礦井水中夾雜大量的煤粉、黏土、矸渣和混凝土渣,日積月累促使淤積層不斷增厚、膠結。導致水倉有效容積減小，喪失或部分喪失儲水功能，造成煤礦生產的安全隱患。

為確保煤礦生產的安全，必須定期對水倉進行清挖。國內煤礦井下水倉大多都是采用由動力機車或是人力或是在水倉內部鋪設軌道的方法，將水倉中的煤泥運至水倉口，再用絞車拉上來。該工藝效率非常低，同時存在安全隱患。解決煤礦水倉機械化清理問題的關鍵，是實現裝和運的連續性，而在其他輸送行業，輸送半流體的設備和工藝已經非常成熟，基于這些原因，提出新型水倉清挖泵送機，實現既能機械提裝又能直接將煤泥輸運送到水倉上的新型設備。

二、水倉清挖泵送機的功能

煤礦水倉結構和環境較為復雜，水倉口一般有較大坡度（一般為16o～18o）巷道彎直寬窄不一，地面凹凸不平，并覆蓋著大量的淤泥，極易打滑，有的巷道內還安裝有鐵軌。由于水倉中沉積泥沙主要是由水流淤積成的，其組成和形態呈現出淤積的特征，靠近入口處，淤積層厚，淤積物粒徑大，黏度小、泌水性好，隨著距入口距離的增大，淤積深度越來越淺，淤積物粒徑越來越小，黏度越來越大、泌水性越來越差。淤積表面還分布著大量的魚鱗狀積水坑，容易在清挖過程中對進行清挖作業的人員和設備構成威脅。

因此，水倉清挖設備須具備以下性能：不粘煤泥、不遺灑、不堵料、防水淹并具有較強的爬坡能力和路面的適應性，能夠適應巷道寬度的變化，能進行不同淤積高度的清挖作業，并滿足礦井的防爆要求。

三、主要技術參數

水倉清挖泵送機的方案是在許多次調研和搜集以往成功與失敗的基礎上，結合當前技術發展水平而產生的,其主要技術參數：

（1）平均生產能力：10m3/h。

（2）行走部分：

履帶寬度300mm；

行走速度150m/h。

（3）上料裝置：

刮板機寬度460mm；

刮板機輸送鏈速0.785-1.18 m/s；

刮板機輸送傾角32°；

刮板機有效長度1340mm。

（4）輸送裝置：

采用單缸球閥泵φ200mm×500mm；

管道收放裝置可收放36000mm。

（5）電器部分：防爆電機45kW防爆控制開關。

（6）機器外形尺寸：5600mm×2766mm×1680mm。

（7）機器重量：4100kg。

四、水倉清挖泵送機的結構

新型水倉清挖泵送機主要包括行走部、螺旋清挖部、刮板上料部、儲料斗和泵送部，結構如圖1 所示。

圖1 新型水倉清挖泵送機結構示意

（1）行走部是水倉清挖輸送機的牽引和承載機構，用于承載整機，并在水倉內移動行走，以實現清挖作業的連續推進。行走部采用履帶底盤，地面抓附力大、爬坡能力強、牽引力大以及在進出水倉的坡道行走時不打滑，能夠適應巷道內復雜的地面環境且不陷坑。

（2）螺旋清挖部用于清挖、收集水倉內的淤積物并將其送入上料刮板內，其通過旋轉螺旋刮削堆積的煤泥并向中間的刮板上料部推送，螺旋清挖部包括左右兩個相同結構的清挖螺旋，分別鉸接安裝在刮板上料部的底部入料口的兩側，兩個清挖螺旋的螺旋軸與刮板上料部的改向鏈輪軸通過萬向聯軸器相聯，使之能與改鏈輪同步轉動，并可進行左右擺動，以改變清掃幅度，適應巷道寬度的變化和轉彎的要求。

（3）刮板上料部用于淤積物的提升上料，其通過上料刮板在中部槽中的移動推送和拋射淤積物，使之進入儲料斗。刮板上料部的上端與儲料斗聯成一體，并鉸接于行走部的機架上，刮板上料部可在升降油缸的作用下，上下擺動，帶動螺旋清挖部進行升降，使之即能滿足各種淤積厚度的清挖要求，又可在通過進出水倉入口的坡道時抬升，以防和地面碰撞。

（4）儲料斗安裝在刮板上料部上端，并與刮板中部槽形成封閉的箱體，儲料斗上設有泵送吸料口，并通過泵送吸料口與輸送泵相接。儲料斗中還設有攪拌軸，用于防止物料沉淀板結，這是由于水倉淤積物中顆粒成分多，泌水性好，極易沉降板結，而一旦發生板結，不僅儲料斗的有效容積會大幅降低，而且還會堵塞泵送吸料口。攪拌軸與刮板上料部的主鏈輪軸通過鏈傳動相聯接，并由液壓馬達驅動。

（5）泵送部為液壓驅動的柱塞泵，出料壓力大，能夠滿足大型水倉清挖的長距離輸送需求。當然泵送部也可采用渣漿泵等泵送設備，其目的是將儲料斗中的淤泥通過管道泵出水倉或者裝車，以便進行下一步的處置，例如，通過固液分離機脫水后用于充填或通過礦車提升到地面，或者通過二級高壓泵送設備泵送至地面等。

五、工藝流程圖

工藝流程圖如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

六、創新技術

新型水倉清挖泵送機借鑒了現有水倉清理技術與清理機的研究和應用成果，克服了現有水倉清理機的不足和缺陷，主要研發或采用了以下創新技術。

（1）無軸螺旋不沾料清挖技術。由于淤積特性的原因，水倉中不同位置淤積物的粒度和黏度有很大差別，靠近水倉入口處，粒度大、黏度小及不易粘料，而在水倉深處；淤積物的黏度很大、極易粘料?，F有設備的清挖螺旋多采用有軸形式，淤積物極易粘結在螺旋軸上，增加清挖部的工作負荷，影響清挖效果，嚴重時甚至粘結形成一個煤泥圓柱體，使之失去清挖和集料作用，而無軸螺旋徹底避免粘軸并有良好的自清潔性能，能夠適應水倉中不同部位淤積物的清理。

（2）可調清挖幅度擺動螺旋技術。由于巷道內各處的寬度不同，而且還有轉彎?，F在水倉清理設備，通常采用單軸長螺旋作為清挖部，為了能夠在巷道內通行，螺旋的長度必須小于巷道的最小寬度，一般要比最小寬度小500～1 000mm，使水倉一次行程的清理率大幅降低，影響了清理效果。而該機的兩個清挖螺旋可在水平面內進行擺動，改變清挖幅度，以適應巷道的寬度變化和彎道行進的需求，減少一次清理的殘留，提高清理效率改善清理效果。

（3）防泄漏拋物上料刮板輸送技術?，F有的刮板上料水倉清理設備，上料刮板的輸送距離長，刮板和中部槽之間存在較大縫隙，返流和漏料嚴重，上料效率極低，當淤積物較稀時甚至無法上料。該機通過以下技術，解決了上料的效率問題：一是加快刮板的運行速度，形成對淤積物的拋射，（能夠將淤積物象潑水一樣潑入儲料斗），即使在沒有中部槽的情況下，也能將淤積物拋入儲料斗中；二是在刮板上安裝橡膠防漏板，提高刮板與中部槽的密封效果，減少泄漏量。

（4）低阻攔并列鏈輪傳動技術?，F有的上料刮板輸送機都是采用兩側鏈輪的雙鏈傳動結構，在清挖螺旋向中間上料刮板輸送機的推送淤積物時，兩側的鏈輪成為阻擋淤積物進入提升刮板的障礙，影響了清挖螺旋的輸送喂料效果和刮板的提升效率。該機將兩側鏈輪合成一個雙鏈輪，并置于刮板中間，使淤積物能夠無阻礙地進入上料刮板，改善了清挖和上料效果。

（5）高壓柱塞泵邏輯型全液壓控制技術。由于水倉中通風條件較為惡劣，對設備的防爆要求較高，而液壓元件和控制系統是主要爆源。液壓邏輯控制傳動系統主要包括行走部分、螺旋清挖機構擺動及升降部分、刮板機驅動部分和泵送部分。其中，泵送部分液壓系統采用邏輯液壓回路，通過邏輯閥拾取液壓缸位置信號，當活塞運動到一端時，裝在液壓缸該端的邏輯閥閥芯開啟，邏輯控制口油壓升高，并作用于液控兩位四通換向閥上，使液壓缸換向，省略了電磁換向閥和電控系統，滿足了井下的防爆要求。

七、試驗及過程

在河北礬山磷礦-400水倉內、濟寧許廠煤礦-430清淤巷內進行了工業試驗， 現場水倉設有內、外兩個倉（有的兼有第三個倉），倉的高度為2.5～3m，寬度為3～3.5m，如圖3所示，入倉口下坡斜度16o～18o，如圖4所示,在水倉引巷入口及水倉坡道一側，有寬為0.6～0.9m，深0.7～1.0m的入水槽,在整個巷道內鋪有寬度為900mm鋼軌，鋼軌超出地面0～100mm不等，水泥地面個別路段變形鼓起，鋼軌外側鼓裂有時高出鋼軌，其他個別路段無水泥地面，軌道及枕木高出地面200～300mm。其中一個倉內有約60o～100o拐彎。倉內一側1.6m高處有Φ300mm的排水管道，如圖5所示。

圖3 水倉尺寸圖

圖4 入倉口下坡斜度圖

設備運行情況：

（1）集料螺旋及刮板機

螺旋及刮板機共用一個液壓馬達進行驅動，運行時能夠正常運轉。螺旋機在巷道內對于可堆積的物料有很好的集料效果，對流動性好（不可堆積）的物料（由于物料自然的流動性）不易集料；刮板機輸送效率較高，刮板與殼體的密封效果良好，在二分鐘內充滿集料斗（容積0.15m3）；刮板機輸送28m3/h（理論計算）。

（2）升降油缸和擺動油缸

升降油缸安裝于底盤總成前部，缸徑Φ63mm，可將集料螺旋及刮板機整體升降，運行平穩；擺動油缸安裝于刮板機兩側，與左右螺旋相連接，實現向前擺動，運行平穩。

圖5 排水管位置圖

（3）行走機構

由兩條履帶（含液壓馬達）及連接架組成，履帶寬度300mm，底盤整機寬度1500mm，能夠進行直線和轉彎的正常行走，行走速度830m/h（理論計算）。

（4）球閥泵

球閥泵即單缸柱塞泵，安裝于底盤的中上部，入料口通過彎管與刮板集料斗連接，通過Φ102mm內徑的鋼絲橡膠軟管，能夠輸送沙泥（磷礦）及煤泥（煤礦）。

（5）運行數據

◎ 刮板機油泵出口壓力11 MPa，轉速45 r/min，線速0.58m/s

◎ 集料螺旋，轉速45 r/min。

◎ 料缸往復頻率10次/min。

◎ 推料時油泵出口壓力11 MPa。

◎ 輸送距離82m，高度5～6m。

◎ 履帶，行走馬達液壓壓力17MPa，可調，行走正常。

八、存在的問題和改善措施

現場存在的問題有：

（1）液壓系統溫升較快，受結構限制，油箱難以做大，影響散熱。

（2）設備外形尺寸偏大。

（3）履帶軌道內行走時，受軌道高度的影響，不易轉彎，鋪墊木板至軌道高時可轉彎。

（4）在不平路面，地面易碰觸底盤。

水倉清理泵送機改進計劃：

（1）完善液壓系統設計優化配置。

（2）為了適應在水倉坡道（一側有入水溝）及洞內不同寬度位置行走，對設備作如下改進：

◎ 縮小履帶底盤寬度。

◎ 縮小刮板機寬度，減小過多輸送余量。

◎ 縮短螺旋長度，滿足不同洞寬的物料收集。

（3）配套具有較強爬坡能力的履帶底盤，提高剛度和可靠性。

（4）提高設備的整機性能。

九、結論

通過上述工業試驗，該機能夠適應水倉復雜的地面狀況，行走平穩。清挖幅度與水倉兩側壁間距小，清理殘留少，上料無遺灑和輸送無泄漏，避免了對水倉的二次污染，管道輸送距離遠，可直接將淤積物泵出水倉。