煤礦水倉(cāng)清挖泵送機(jī)研制

文|徐臘兒 北京建工資源循環(huán)利用投資有限公司

一、前言

目前，煤礦井下水倉(cāng)是防止礦井水災(zāi)確保煤礦安全生產(chǎn)的重要設(shè)施，用于礦井水外排的緩沖儲(chǔ)存，暫時(shí)容納礦井在開(kāi)采過(guò)程中所出現(xiàn)的涌水和工程用水，防止排水設(shè)備發(fā)生故障或突然大量涌水時(shí)而發(fā)生水災(zāi)，同時(shí)還能夠沉淀水中的固體顆粒，凈化水質(zhì)。一般情況下，礦井的每個(gè)水平必須設(shè)置內(nèi)環(huán)和外環(huán)2個(gè)水倉(cāng)，長(zhǎng)度在300～1000m,交替清理和使用，以確保煤礦生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行。由于水倉(cāng)內(nèi)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(jié)。導(dǎo)致水倉(cāng)有效容積減小，喪失或部分喪失儲(chǔ)水功能，造成煤礦生產(chǎn)的安全隱患。

為確保煤礦生產(chǎn)的安全，必須定期對(duì)水倉(cāng)進(jìn)行清挖。國(guó)內(nèi)煤礦井下水倉(cāng)大多都是采用由動(dòng)力機(jī)車或是人力或是在水倉(cāng)內(nèi)部鋪設(shè)軌道的方法，將水倉(cāng)中的煤泥運(yùn)至水倉(cāng)口，再用絞車?yán)蟻?lái)。該工藝效率非常低，同時(shí)存在安全隱患。解決煤礦水倉(cāng)機(jī)械化清理問(wèn)題的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)裝和運(yùn)的連續(xù)性，而在其他輸送行業(yè)，輸送半流體的設(shè)備和工藝已經(jīng)非常成熟，基于這些原因，提出新型水倉(cāng)清挖泵送機(jī)，實(shí)現(xiàn)既能機(jī)械提裝又能直接將煤泥輸運(yùn)送到水倉(cāng)上的新型設(shè)備。

二、水倉(cāng)清挖泵送機(jī)的功能

煤礦水倉(cāng)結(jié)構(gòu)和環(huán)境較為復(fù)雜，水倉(cāng)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(nèi)還安裝有鐵軌。由于水倉(cāng)中沉積泥沙主要是由水流淤積成的，其組成和形態(tài)呈現(xiàn)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(lái)越淺，淤積物粒徑越來(lái)越小，黏度越來(lái)越大、泌水性越來(lái)越差。淤積表面還分布著大量的魚(yú)鱗狀積水坑，容易在清挖過(guò)程中對(duì)進(jìn)行清挖作業(yè)的人員和設(shè)備構(gòu)成威脅。

因此，水倉(cāng)清挖設(shè)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(qiáng)的爬坡能力和路面的適應(yīng)性，能夠適應(yīng)巷道寬度的變化，能進(jìn)行不同淤積高度的清挖作業(yè)，并滿足礦井的防爆要求。

三、主要技術(shù)參數(shù)

水倉(cāng)清挖泵送機(jī)的方案是在許多次調(diào)研和搜集以往成功與失敗的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平而產(chǎn)生的,其主要技術(shù)參數(shù)：

（1）平均生產(chǎn)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(jī)寬度460mm；

刮板機(jī)輸送鏈速0.785-1.18 m/s；

刮板機(jī)輸送傾角32°；

刮板機(jī)有效長(zhǎng)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(jī)45kW防爆控制開(kāi)關(guān)。

（6）機(jī)器外形尺寸：5600mm×2766mm×1680mm。

（7）機(jī)器重量：4100kg。

四、水倉(cāng)清挖泵送機(jī)的結(jié)構(gòu)

新型水倉(cāng)清挖泵送機(jī)主要包括行走部、螺旋清挖部、刮板上料部、儲(chǔ)料斗和泵送部，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型水倉(cāng)清挖泵送機(jī)結(jié)構(gòu)示意

（1）行走部是水倉(cāng)清挖輸送機(jī)的牽引和承載機(jī)構(gòu)，用于承載整機(jī)，并在水倉(cāng)內(nèi)移動(dòng)行走，以實(shí)現(xiàn)清挖作業(yè)的連續(xù)推進(jìn)。行走部采用履帶底盤，地面抓附力大、爬坡能力強(qiáng)、牽引力大以及在進(jìn)出水倉(cāng)的坡道行走時(shí)不打滑，能夠適應(yīng)巷道內(nèi)復(fù)雜的地面環(huán)境且不陷坑。

（2）螺旋清挖部用于清挖、收集水倉(cāng)內(nèi)的淤積物并將其送入上料刮板內(nèi)，其通過(guò)旋轉(zhuǎn)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(gè)相同結(jié)構(gòu)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(cè)，兩個(gè)清挖螺旋的螺旋軸與刮板上料部的改向鏈輪軸通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器相聯(lián)，使之能與改鏈輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并可進(jìn)行左右擺動(dòng)，以改變清掃幅度，適應(yīng)巷道寬度的變化和轉(zhuǎn)彎的要求。

（3）刮板上料部用于淤積物的提升上料，其通過(guò)上料刮板在中部槽中的移動(dòng)推送和拋射淤積物，使之進(jìn)入儲(chǔ)料斗。刮板上料部的上端與儲(chǔ)料斗聯(lián)成一體，并鉸接于行走部的機(jī)架上，刮板上料部可在升降油缸的作用下，上下擺動(dòng)，帶動(dòng)螺旋清挖部進(jìn)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(guò)進(jìn)出水倉(cāng)入口的坡道時(shí)抬升，以防和地面碰撞。

（4）儲(chǔ)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(chǔ)料斗上設(shè)有泵送吸料口，并通過(guò)泵送吸料口與輸送泵相接。儲(chǔ)料斗中還設(shè)有攪拌軸，用于防止物料沉淀板結(jié)，這是由于水倉(cāng)淤積物中顆粒成分多，泌水性好，極易沉降板結(jié)，而一旦發(fā)生板結(jié)，不僅儲(chǔ)料斗的有效容積會(huì)大幅降低，而且還會(huì)堵塞泵送吸料口。攪拌軸與刮板上料部的主鏈輪軸通過(guò)鏈傳動(dòng)相聯(lián)接，并由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。

（5）泵送部為液壓驅(qū)動(dòng)的柱塞泵，出料壓力大，能夠滿足大型水倉(cāng)清挖的長(zhǎng)距離輸送需求。當(dāng)然泵送部也可采用渣漿泵等泵送設(shè)備，其目的是將儲(chǔ)料斗中的淤泥通過(guò)管道泵出水倉(cāng)或者裝車，以便進(jìn)行下一步的處置，例如，通過(guò)固液分離機(jī)脫水后用于充填或通過(guò)礦車提升到地面，或者通過(guò)二級(jí)高壓泵送設(shè)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(chuàng)新技術(shù)

新型水倉(cāng)清挖泵送機(jī)借鑒了現(xiàn)有水倉(cāng)清理技術(shù)與清理機(jī)的研究和應(yīng)用成果，克服了現(xiàn)有水倉(cāng)清理機(jī)的不足和缺陷，主要研發(fā)或采用了以下創(chuàng)新技術(shù)。

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

（2）可調(diào)清挖幅度擺動(dòng)螺旋技術(shù)。由于巷道內(nèi)各處的寬度不同，而且還有轉(zhuǎn)彎。現(xiàn)在水倉(cāng)清理設(shè)備，通常采用單軸長(zhǎng)螺旋作為清挖部，為了能夠在巷道內(nèi)通行，螺旋的長(zhǎng)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(cāng)一次行程的清理率大幅降低，影響了清理效果。而該機(jī)的兩個(gè)清挖螺旋可在水平面內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)，改變清挖幅度，以適應(yīng)巷道的寬度變化和彎道行進(jìn)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(shù)。現(xiàn)有的刮板上料水倉(cāng)清理設(shè)備，上料刮板的輸送距離長(zhǎng)，刮板和中部槽之間存在較大縫隙，返流和漏料嚴(yán)重，上料效率極低，當(dāng)淤積物較稀時(shí)甚至無(wú)法上料。該機(jī)通過(guò)以下技術(shù)，解決了上料的效率問(wèn)題：一是加快刮板的運(yùn)行速度，形成對(duì)淤積物的拋射，（能夠?qū)⒂俜e物象潑水一樣潑入儲(chǔ)料斗），即使在沒(méi)有中部槽的情況下，也能將淤積物拋入儲(chǔ)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(dòng)技術(shù)。現(xiàn)有的上料刮板輸送機(jī)都是采用兩側(cè)鏈輪的雙鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，在清挖螺旋向中間上料刮板輸送機(jī)的推送淤積物時(shí)，兩側(cè)的鏈輪成為阻擋淤積物進(jìn)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(jī)將兩側(cè)鏈輪合成一個(gè)雙鏈輪，并置于刮板中間，使淤積物能夠無(wú)阻礙地進(jìn)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(shù)。由于水倉(cāng)中通風(fēng)條件較為惡劣，對(duì)設(shè)備的防爆要求較高，而液壓元件和控制系統(tǒng)是主要爆源。液壓邏輯控制傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括行走部分、螺旋清挖機(jī)構(gòu)擺動(dòng)及升降部分、刮板機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和泵送部分。其中，泵送部分液壓系統(tǒng)采用邏輯液壓回路，通過(guò)邏輯閥拾取液壓缸位置信號(hào)，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到一端時(shí)，裝在液壓缸該端的邏輯閥閥芯開(kāi)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(tǒng)，滿足了井下的防爆要求。

七、試驗(yàn)及過(guò)程

在河北礬山磷礦-400水倉(cāng)內(nèi)、濟(jì)寧許廠煤礦-430清淤巷內(nèi)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)， 現(xiàn)場(chǎng)水倉(cāng)設(shè)有內(nèi)、外兩個(gè)倉(cāng)（有的兼有第三個(gè)倉(cāng)），倉(cāng)的高度為2.5～3m，寬度為3～3.5m，如圖3所示，入倉(cāng)口下坡斜度16o～18o，如圖4所示,在水倉(cāng)引巷入口及水倉(cāng)坡道一側(cè)，有寬為0.6～0.9m，深0.7～1.0m的入水槽,在整個(gè)巷道內(nèi)鋪有寬度為900mm鋼軌，鋼軌超出地面0～100mm不等，水泥地面?zhèn)€別路段變形鼓起，鋼軌外側(cè)鼓裂有時(shí)高出鋼軌，其他個(gè)別路段無(wú)水泥地面，軌道及枕木高出地面200～300mm。其中一個(gè)倉(cāng)內(nèi)有約60o～100o拐彎。倉(cāng)內(nèi)一側(cè)1.6m高處有Φ300mm的排水管道，如圖5所示。

圖3 水倉(cāng)尺寸圖

圖4 入倉(cāng)口下坡斜度圖

設(shè)備運(yùn)行情況：

（1）集料螺旋及刮板機(jī)

螺旋及刮板機(jī)共用一個(gè)液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行時(shí)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。螺旋機(jī)在巷道內(nèi)對(duì)于可堆積的物料有很好的集料效果，對(duì)流動(dòng)性好（不可堆積）的物料（由于物料自然的流動(dòng)性）不易集料；刮板機(jī)輸送效率較高，刮板與殼體的密封效果良好，在二分鐘內(nèi)充滿集料斗（容積0.15m3）；刮板機(jī)輸送28m3/h（理論計(jì)算）。

（2）升降油缸和擺動(dòng)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(jī)整體升降，運(yùn)行平穩(wěn)；擺動(dòng)油缸安裝于刮板機(jī)兩側(cè)，與左右螺旋相連接，實(shí)現(xiàn)向前擺動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)。

圖5 排水管位置圖

（3）行走機(jī)構(gòu)

由兩條履帶（含液壓馬達(dá)）及連接架組成，履帶寬度300mm，底盤整機(jī)寬度1500mm，能夠進(jìn)行直線和轉(zhuǎn)彎的正常行走，行走速度830m/h（理論計(jì)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(guò)彎管與刮板集料斗連接，通過(guò)Φ102mm內(nèi)徑的鋼絲橡膠軟管，能夠輸送沙泥（磷礦）及煤泥（煤礦）。

（5）運(yùn)行數(shù)據(jù)

◎ 刮板機(jī)油泵出口壓力11 MPa，轉(zhuǎn)速45 r/min，線速0.58m/s

◎ 集料螺旋，轉(zhuǎn)速45 r/min。

◎ 料缸往復(fù)頻率10次/min。

◎ 推料時(shí)油泵出口壓力11 MPa。

◎ 輸送距離82m，高度5～6m。

◎ 履帶，行走馬達(dá)液壓壓力17MPa，可調(diào)，行走正常。

八、存在的問(wèn)題和改善措施

現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題有：

（1）液壓系統(tǒng)溫升較快，受結(jié)構(gòu)限制，油箱難以做大，影響散熱。

（2）設(shè)備外形尺寸偏大。

（3）履帶軌道內(nèi)行走時(shí)，受軌道高度的影響，不易轉(zhuǎn)彎，鋪墊木板至軌道高時(shí)可轉(zhuǎn)彎。

（4）在不平路面，地面易碰觸底盤。

水倉(cāng)清理泵送機(jī)改進(jìn)計(jì)劃：

（1）完善液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化配置。

（2）為了適應(yīng)在水倉(cāng)坡道（一側(cè)有入水溝）及洞內(nèi)不同寬度位置行走，對(duì)設(shè)備作如下改進(jìn)：

◎ 縮小履帶底盤寬度。

◎ 縮小刮板機(jī)寬度，減小過(guò)多輸送余量。

◎ 縮短螺旋長(zhǎng)度，滿足不同洞寬的物料收集。

（3）配套具有較強(qiáng)爬坡能力的履帶底盤，提高剛度和可靠性。

（4）提高設(shè)備的整機(jī)性能。

九、結(jié)論

通過(guò)上述工業(yè)試驗(yàn)，該機(jī)能夠適應(yīng)水倉(cāng)復(fù)雜的地面狀況，行走平穩(wěn)。清挖幅度與水倉(cāng)兩側(cè)壁間距小，清理殘留少，上料無(wú)遺灑和輸送無(wú)泄漏，避免了對(duì)水倉(cāng)的二次污染，管道輸送距離遠(yuǎn)，可直接將淤積物泵出水倉(cāng)。