刘凯飞，郭洋波，蔡青峰，赵惊民

(河南省煤科院科明机电设备有限公司，河南 郑州 450001)

井下水仓是煤矿防止矿井水灾的重要设施，每一个矿井必须配备的生产系统；水仓来水主要有地下水渗透、涌水、设备用水和矿井降尘用水4个来源。井下自然涌水与采煤工作用水排泄等产生废水排泄会携带的煤粉、煤粒形成煤泥水。煤泥水经过水沟，流入水仓经过沉淀形成高黏稠状的水仓煤泥；水仓由于煤泥长时间沉积，继续淤积层厚度可达数米，影响矿井的正常排水。根据《煤矿安全规程》第 311—314条要求(水仓的空仓容量必须经常保持在总容量的50%以上，水仓、沉淀池和水沟中的淤泥，应及时清理，每年雨季前必须清理1次)，如果不加以清理煤泥厚度随着积累不断增加，占有水仓有效容积，存在安全隐患。

1 煤矿水仓清淤现状

为了矿井安全运行，消除水仓安全隐患，需要对水仓进行清理。但是由于在井下作业空间要求严苛以及煤泥的特殊黏结性，水仓煤泥清理成为困扰煤矿企业多年的难题。导致目前，水仓煤泥主要采用人工清挖的方式，工人劳动强度大、效率低、清挖周期长、矿车运输煤泥泄漏严重，使运输路线又脏又乱，达不到文明施工要求[1-9]；也有一些煤矿企业尝试使用机械清挖然后压滤处理方式，该方法存在设备繁多、工艺复杂、故障发生率高、设备维护量大等弊端，在实际使用中具有较多的局限性，并没有得到广泛的推广[10-14]。

鉴于以上原因对于煤矿水仓的清理，急需寻找一种实用性强、操作简单的工艺来替代人工和机械清淤，解决现实问题。

2 水仓煤泥特性

煤泥粒度检测如下：样本取样地点为副水仓口斜坡处，测试仪器选用标准筛，选择尺寸分别为0.054、0.100、0.200、0.300、 0.450、0.600 mm ，测试方法选用湿筛。

测试结果见表1。

表1 测试结果Tab.1 Test results

送检试样粒径统计结果如下：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%。

粒径测试结果分析：①本次取样地点在副水仓口斜坡处取样，送检煤泥样本所含粒径在0.600 mm以上的占比较少近4.6%，0.300～0.450 mm颗粒占比最多为38.1%。所含粒径在0.300 mm以上的较多，占比达63.5%；所含粒径在0.200 mm以上的较多，占比达74.4%。②若采用0.100 mm筛分精度，煤泥样本理论筛分效率为91.5%；若采用0.200 mm筛分精度，煤泥样本理论筛分效率为74.4%；若采用0.300 mm筛分精度，理论筛分效率为63.5%；适合采用0.100、0.200、0.300 mm筛分精度。粒径分布如图1所示，粒径统计如图2所示。

3 技术选择与设计依据

选用一种工艺简单、实用性强的造浆清淤系统，前端通过泵送平台造浆，后端使用新型的固液分离技术对煤泥进行脱水，满足运输要求。实现大于0.100 mm级别颗粒的煤水分离，小于0.100 mm颗粒经充分搅动后以悬浊液形式通过水泵外排，实现水仓煤泥快速清理的目的。工艺流程如图3所示。

图1 粒径分布Fig.1 Particle size map

图2 粒径统计Fig.2 Particle size statistics

以清理主水仓为例对该工艺流程进行说明(主副水仓交替清理)。清理水仓前先筑起防水坝将主副水仓完全隔离开，再将主水仓清水抽干，并确保通风等其他安全措施符合清仓安全制度要求方可清仓。该工艺流程图大致分为4个功能区，分别为造浆区、抽排区、筛分区、外运区。具体功能如下：①造浆区。将沉积煤泥稀释。利用大坝围岩等形式将水仓内5～10 m设定为1个工作区段，利用矿井静压水通过高压泵加压后对水仓内沉积煤泥打散、造浆，浆液目标含固量为20%～40%。在清理完该工作区段后，依次向水泵房内方向延伸清理，直至全部完成。②抽排区。BQS20-28-4型泥浆泵将造浆区稀释后的煤泥(含固量为20%～40%)抽起，通过进水管(DN65管道)输送到矿用多维固液分离机。③筛分区。对稀释后的煤泥水(含固量为20～40%)进行固液分离。煤泥水通过进水管流入固液分离机后使用多维固液分离机实现大于0.100 mm级别颗粒的煤水分离；分离后煤泥含水量<40%，完全符合运输要求。④外运区。将固液分离机分离后的筛上煤泥和筛下水外运。筛上物煤泥从多维固液分离机出料口掉落到矿车(1.5 t)实现外运；筛下水通过出水管(DN65管道)管道途径水仓水沟流入副水仓。

图3 工艺流程Fig.3 Process flow

3.1 系统总体布置方案

3.1.1 不同清淤地点处煤泥清理情况分析

斜坡处清理如图4所示。在清理斜坡处煤泥时，需使用绞车或者自身制动装置控制升降泥浆泵平台，防止溜车、掉轨伤人等事件发生；泥浆泵平台后端有操作平台，方便斜坡清理时人员安全操作。最终安全措施严格按照矿方斜巷运输安全管理相关制度执行。

图4 斜坡处清理Fig.4 Schematic diagram of slope cleaning

水平处清理如图5所示。在水平处清理时泥浆泵后端需增加围岩，以水仓内5～10 m设定为1个工作段；每段内煤泥清理结束时围岩及时交替向前移动，防止煤泥涌仓。

图5 水平处清理示意Fig.5 Indication of horizontal cleaning

3.1.2 设备布置方案示意

设备布置方案如图6所示。

图6 设备布置方案示意Fig.6 Schematic diagram of device layout

3.2 系统设备设计与选型

造浆设备(高压水泵)、抽排设备(泥浆泵、泵送车)、筛分设备(矿用多维固液分离机)、外运设备(矿车)以及电控设备组成，以上设备关联组成水仓清淤系统。

3.2.1 泥浆泵的选型设计

(1)泥浆泵的流量按要求定为Q=20 m3/h。

(2) 泥浆泵的扬程计算。流量20 m3/h，DN65管道，流速v=4Q/3 600πd2=1.68 m/s，沿程损失hf1=λLV2/2gd=16.59 m，局部损失hf2=∑ξV2/2g=3.07 m，管路总的扬程损失hf=hf1+hf2=19.66 m，管路垂直落差为h=4.0 m，管路装置扬程Hz=23.66 m，泵的扬程为H=28.39 m (考虑到煤泥浆体黏度对性能的影响，安全系数取1.2)。泵的流量定在20 m3/h，扬程定为28 m。

(3)泥浆泵主要技术参数。该泵水陆两用，可下接带底阀滤网的吸水软管，也可潜水使用；当水被排光，泵允许断水空转，当水位恢复时，又可自动排水；安全可靠，全扬程无过载，允许在全扬程范围内使用;易损部件采用合金材料制造，使用耐磨寿命长。BQS20-28-4泥浆泵主要技术参数：流量为20 m3/h；扬程为28 m；功率为4 kW；出口管径DN40变径为DN65；电压为660 V/1 140 V；允许浆体含固比40%以下；允许通过固体粒径为10 mm。

3.2.2 泵送平台设计

为方便泥浆泵在水仓移动，设计了一个简易平台，主要由以下部分组成：轨轮、泥浆泵、升降框架、制动装置(图7)。泥浆泵平台具备移动、手动升降、操作平台等功能。操作人员可以在操作平台上完成造浆工序，保证操作人员的安全和便捷。根据水位的高低通过手动升降适当调节泥浆泵进口面距离煤泥水液面相对位置，提高煤泥水抽排工作适应性。在斜巷移动时除增加轨道制动装置外，必须严格按照矿方斜巷运输安全管理相关制度执行。

图7 泥浆泵泵送平台Fig.7 Pumping platform of mud pump

为了防止泥浆泵泵送平台在清理倾斜处煤泥时发生溜车、掉轨等，在泥浆泵泵送平台两侧增加制动装置(图8)，利用杠杆原理按下手柄时抓手紧紧地锁紧轨道；保证泥浆泵泵送平台牢固地锁定在轨道。

图8 泵送平台制动装置Fig.8 Braking device of pumping platform

3.2.3 矿用固液分离机设计选型

筛分测试中发现样本煤泥颗粒较细、易堵塞筛网，研制的KFS-15/1.1和KFS-15/22矿用固液分离机均可实现煤水分离。

KFS-15/1.1矿用多维固液分离机原理：由直立式振动电机作为激振源，振动电机上、下两端安装有偏心块，将电机的旋转运动转变为水平、垂直和切向的三次元运动，形成3个维度的振动动作，带动筛盘振动，继而带动物料与滑环的振动。其中，滑环的振动是对筛网底面的反向拍击，以避免或减少油性煤泥粘网堵网的可能。调节上、下偏心块的质量及其相位角，可以改变物料在筛面上的运动速度及轨迹。

KFS-15/1.1矿用多维固液分离机结构由激振电机、筛体、支承装置、排水口、排料口、底座等组成(图9)。借助电机轴两端偏振块，将电机的旋转运动转变为筛体的水平、垂直、倾斜运动，进而使筛网上物料向前移动实现排料、卸料功能。

图9 KFS-15/1.1矿用固液分离机结构Fig.9 KFS-15/1.1 structure of mine solid-liquid separator

KFS-15/1.1矿用固液分离机具体参数：①处理能力15～30 m3/h；②外形尺寸(长×宽×高)1 800 mm×1 245 mm×1 150(±20) mm；③筛网有效尺寸(直径)1 100 mm；④噪声85 dB(A)；⑤驱动电机功率1.1 kW；型号YBZU20-4；电压660/1 140 V；⑥安全标志编号/MCM210032。

3.2.4 电控设备设计与选型

采用1台多回路电磁启动器(QJZ-60/1140(660))拖动矿用固液分离机。主设备控制系统包括：低压矿用隔爆兼本质安全型低压电磁起动器等。QJZ系列矿用隔爆兼本质安全型低压电磁起动器，额定电压：660/1 140 V。矿用隔爆兼本质安全型低压电磁起动器具备以下功能：真空接触器、电压(电流)互感器，一体式安装；具有接地、欠压、过压、三相不平衡、过载短路、断相、绝缘监视等功能。

4 现场应用情况

现场设备布置情况如图10所示，固液分离效果如图11所示，工艺对比见表2。

图10 现场设备布置情况Fig.10 Layout conditions of equipment on site

图11 固液分离效果Fig.11 Effect of solid-liquid separation

表2 工艺对比Tab.2 Craft contrast

该系统体现如下技术特征：①清理周期短。快速清理，大大缩短清淤时间、清理效果好。②实用性强。工艺简单便于组织管理、用工少。③节约成本。实现就近处理、方便设备安装维护简单；既解放了清仓工人的劳动力，又产生了良好的经济效益。

5 结论

开发的新系统工艺简单、实用性强的造浆清淤工艺。前端通过泵送平台造浆，后端使用新型的固液分离技术对煤泥进行脱水；固液分离设备配套的防堵网组件反向拍击筛网，可有效解决细颗粒粘接筛网、细小颗粒堵塞筛网现象，提高筛网通透性，满足运输要求。实现大于0.100 mm级别颗粒的煤水分离，小于0.100 mm颗粒经充分搅动后以悬浊液形式通过水泵外排，实现水仓煤泥快速清理的目的。