煤礦井下輔助排水車的設計與研究

羅偉剛

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

近年來，隨著煤礦開采深度的逐漸增加，煤礦開采事故逐漸增多。煤礦坑水是一種非常重要的危險源，不僅不利于煤礦的安全生產，還會嚴重威脅到礦工的生命安全。當煤礦井下發生事故時，高效排水能夠為救援爭取到足夠多的時間，但是現有的煤礦排水條件相對不足，在生產和管理方面比較薄弱，井下的排水設備比較落后，所以引起煤礦透水事故的主要原因不僅僅是礦井水的探測問題，更重要的是井下排水方面的問題。傳統的排水方式是直接引入一條管道，管道一端連接水泵，通過抽排水的方式進行，但是在排水過程中需要大量的工人搬運管道，并且需要保證管道口時刻在水面下，才能夠實現排水，工人勞動強度大，同時也有可能伴隨著其他危險事故的發生[1-5]。為此，本文根據煤礦的主要特點，設計了一款可實現行走的礦井輔助排水車，利用SolidWorks 建立了整車三維模型方案，并對排水泵的性能進行了研究，為避免煤礦事故提供新的機械設備。

1 煤礦排水問題與設計要求

排水設備的可靠性是實現煤礦井下排水的基本要求。在礦井發生透水事故后，礦井原有的排水系統將會失效，此時就需要重新布置新的排水設備。當煤礦井下發生透水事故時，井下的積水往往比較渾濁，內部含有大量的泥沙和細小的碎石，救援人員無法進入深水區進行排水作業，采用傳統的排水系統容易因管道內部泥沙過多，堵塞管道，造成排水不暢。

1.1 應急排水車總體技術要求和設計方案

設計的排水車要結構簡單，體積相對較小，能夠在較為狹小的空間內移動，滿足實際的排水需求，代替人工完成井下排水，并且能夠隨著水面的下降，自動調整管道口的位置，自動追排水。

1.2 兼顧可行性和實用性

設計的煤礦輔助排水車的結構要能夠實現預期的功能，在滿足排水車結構使用性能的前提下，充分考慮排水車的功能和排水效果，提高排水量、減少故障發生率，盡量縮小整體的尺寸，提高整車的機動性能。由于在煤礦井下事故發生后，水中含有大量的泥沙、水質混濁，要保證排水設備能夠適應復雜水質，減少故障率。

1.3 適應性和運行可靠性

由于煤礦井下地質條件比較復雜，路面上常常伴隨著大塊的石頭以及沙土，需要充分考慮排水車的行走問題，可以采用履帶式行走、輪式行走以及足式行走。但是采用足式行走需要大量的舵機進行控制，結構比較復雜，不適合煤礦井下的環境，不能選用足式行走。在設計的過程中要考慮結構的可靠性和整車系統的穩定性，盡可能實現模塊化設計，比如本次設計的排水車初步提出了采用軌陸行走切換機構，實現雙重行走模式，能夠保證比較好的通過能力以及行走的適用性，滿足不同的地質條件。

2 煤礦輔助排水車結構設計與參數化建模

根據煤礦對排水車的設計要求，在深入分析了排水車的功能設計方案的基礎上，明確排水車的設計目的和原則。利用SolidWorks 2019 采用自上而下的設計方法，對排水車結構進行設計。通過初步估計大型水泵和電控柜的尺寸，設計了排水車底盤結構。設計的排水車行走機構包括履帶式行走機構和軌道式行走輪，利用伸縮液壓缸將行走輪推出，同時抬高行走機構，將履帶離開地面，軌道輪下降，實現軌道式行走。附加設備包括電控柜、驅動泵和支撐座等結構，將所有的零部件按照零件之間的配合和接觸關系進行了總體裝配。本次設計的排水車整體三維模型總裝圖如圖1 所示。

輔助排水車的尺寸符合煤礦巷道的工況要求，設計了如圖1 所示的兩套行走機構，一套是適用于在煤礦井下復雜條件下的履帶式行走機構，另外一套是可以在軌道上行走，便于在靠近地面上的轉運，兩套行走機構可以自由切換，增強了排水車的行走能力和通過能力，提高了排水效率。整車結構設計預留足夠大的吊裝水泵的余量，要求能夠滿足不同煤礦對不同排水量的需求，以應對不同的緊急突發事故。

圖1 排水車整體模型方案

追排水車的操作規程如下：

1）液壓泵站水泵電機通過變壓器（380 V/660 V)連接電源。

2）通過手動操作閥將支腿完全升起。

3）通過手動操作閥將水泵起吊油缸完全收起。

4）將履帶行走高、低速閥切換至低速。

5）通過手動控制閥控制履帶車的行走，注意電纜線的收放。

6）追排水完成后，要先關閉閥門、斷開排水管，然后再移動排水車。

3 排水車管路連接分析

在煤礦井下輔助排水系統中，最主要的工作量就是連接管道，水泵端管道連接示意圖如圖2 所示。

圖2 管路連接圖

管路連接步驟如下：

1）將200 T-25660 V/1140 V 的水泵吊裝于排水車上。

2）焊接好DN200/DN150 水泵轉換法蘭。

3）將水泵、2 節鋼絲編織軟管、DN150 蝶閥（帶測壓接口）和聚氨酯膠管連接起來。

4）焊接測試水管水壓、流量的法蘭管道，將壓力傳感器和超聲波流量計安裝于管道。

5）將液壓泵站水泵電機接通電源。

6）斷開排水管道，測試排水車液壓系統壓力和流量。

4 現場實驗與應用

4.1 實驗目的和實驗設備

本次實驗目的是檢測排水車管道水壓力，水壓力是表征排水車水泵性能和管道連接性能的指標。實驗的主要設備有：排水車（帶水泵）、帶測壓端口的蝶閥、1.5 m 帶DN150 法蘭的鋼絲編織軟管2 節、25 m帶DN150 法蘭的聚氨酯軟管2 節、3 m 帶DN150 法蘭的聚氨酯軟管1 節、螺栓30 個、2 根50 m 電纜線、5060 液壓系統壓力流量測試儀器（帶壓力傳感器、導線）、超聲波流量計以及卷尺等附加檢測裝置。

4.2 實驗結果與分析

通過連接管路，使用檢測儀器對排水車管道水壓力進行實驗檢測，設置檢測時間周期為40 s，可得到如圖3 所示的管道水壓力與流量隨時間變化的曲線圖。

圖3 排水車連接管道壓力與流量結果圖

從圖3 中可以看出，管道水壓力從0～5 s 內處于上升狀態，壓力逐漸由0 變為0.0075 MPa，隨后在5 s 后基本穩定在0.0075 MPa，但是存在壓力波動，在20 s 時出現壓力脈動，從壓力值為0.0075 MPa變為0.025 MPa，此時的壓力波動較大，在維持了5 s之后壓力值從0.025 MPa 變為0 MPa，回歸到初始位置。管道流量表現較為平穩，在大約30 s 后恢復初始狀態。從以上的結果表明，設計的這套水泵和管道連接合理，壓力波動較小，且系統整體流量過渡平穩，系統穩定性好。

5 結語

為了解決傳統的煤礦井下排水困難問題，設計煤礦井下輔助排水車代替傳統人工方式，完成井下自動追排水作業，排水效率提高。通過對管道連接和現場進行實驗表明：設計的排水車可以滿足煤礦井下斜井、直井等不同環境條件下的排水需求，排水效率提高，有效減輕了工人的作業負擔，具有一定的推廣價值。