一種礦井沉淀池清理設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用

馬 平，石 鵬，侯建偉

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

水倉(cāng)是煤礦集中排水的重要場(chǎng)所，在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。采掘工作面涌出的地下水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離巷道流入水倉(cāng)，其中攜帶了大量煤渣、粉塵及其他雜質(zhì)。為減小水倉(cāng)負(fù)荷，在流向水倉(cāng)之前通常會(huì)設(shè)置沉淀池，將較大顆粒物予以沉淀后流入水倉(cāng)。每個(gè)礦依據(jù)涌水量的大小設(shè)置少則2～3個(gè)多則7～8個(gè)沉淀池。由于沉淀池多為長(zhǎng)2 m，寬2 m，深2～5 m，空間所限，無(wú)法使用大型設(shè)備。若使用泥漿泵清理，由于沉淀池中煤泥顆粒較大，沉淀后含水量較低，對(duì)泥漿泵的損傷較大。多年來(lái)對(duì)沉淀池的清理一直采用人工挖掘的方式。工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境極為惡劣，且存在極大地安全隱患。沉淀池如不及時(shí)清理，較大的顆粒物會(huì)直接流入水倉(cāng)，對(duì)水倉(cāng)的清理造成極大的不便。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)清理方案

傳統(tǒng)清理方案為人工清理。在沉淀池煤泥厚度達(dá)1 m左右時(shí)，即由人下到沉淀池中，用鐵鍬、水桶等將煤泥運(yùn)送至地面，裝入礦車。如煤泥厚度超過(guò)1 m，人在沉淀池中不便作業(yè)，且存在極大的安全隱患。人在深2 m、長(zhǎng)2 m、寬2 m的空間作業(yè)，屬有限空間作業(yè)，空氣極其污濁，安全隱患及勞動(dòng)強(qiáng)度極大，勞動(dòng)效率極其低下，且沉淀池的利用率僅為設(shè)計(jì)能力的50%。

有的礦井也曾嘗試采用泥漿泵用于沉淀池的清理。但由于沉淀池中雜質(zhì)較多，含有大顆粒煤渣，且含水量較低，使用泥漿泵時(shí)需要加水稀釋，使得泥漿泵磨損嚴(yán)重，故障頻繁，反而降低了清理效率，增加了清挖成本。

1.2 沉淀池機(jī)械化清理方案

由上所述，傳統(tǒng)的清理方案已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)需求?，F(xiàn)針對(duì)寧夏煤業(yè)有限公司梅花井礦一具有典型示范性沉淀池狹窄有限空間提出一種礦井沉淀池清理設(shè)備，利用螺旋運(yùn)輸機(jī)清理沉淀池中的煤泥，可有效輸送沉淀池中的較大顆粒物及其雜質(zhì)，可靠性高。

沉淀池及設(shè)備設(shè)計(jì)尺寸簡(jiǎn)圖如圖1所示，沉淀池邊有400 mm高工作臺(tái)。

圖1 沉淀池及設(shè)備尺寸簡(jiǎn)圖

圖1簡(jiǎn)圖中l(wèi)1為連接桿長(zhǎng)度，l2為螺旋運(yùn)輸機(jī)長(zhǎng)度，l為連接桿端部與工作臺(tái)邊緣距離。工作時(shí)連接桿與螺旋運(yùn)輸機(jī)鉸接，實(shí)現(xiàn)θ的變化，連接桿固定于工作臺(tái)上，操作可使α變化。

螺旋運(yùn)輸機(jī)需要在沉淀池中清理煤泥，故需要滿足：

l≤l1cosα+l2sinθ≤l+1500

0≤l2cosθ-l1sinα≤2400

為避免螺旋運(yùn)輸機(jī)與工作臺(tái)碰撞，則：

由于沉淀池上方空間限制，其高度為3 m，則：

0

其中α和θ為過(guò)程變化角，結(jié)合上述公式后得到：

取l為1 300 mm，l1為1 300 mm，l2為3 500 mm，滿足上述條件。在工作工程中，需控制α，θ滿足以下條件：

上述計(jì)算確定了設(shè)備主要尺寸，在滿足沉淀池狹小空間的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的正常運(yùn)行，完成對(duì)沉淀池中煤泥的清理。

1、5—液壓馬達(dá)；2—螺旋運(yùn)輸機(jī)；3、6—升降液壓缸； 4—主螺旋運(yùn)輸機(jī)；7—攪拌頭 圖2 礦井沉淀池清理設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)示意

如圖2所示，清理設(shè)備置于工作臺(tái)上，主螺旋運(yùn)輸機(jī)斜插入沉淀池中，運(yùn)輸機(jī)尾部安裝有攪拌頭，便于將沉淀池中沉淀的煤泥攪拌均勻。由兩組液壓缸支撐主螺旋運(yùn)輸機(jī)，主螺旋運(yùn)輸機(jī)采用圓筒式，將煤泥通過(guò)螺旋摩擦運(yùn)輸至工作臺(tái)，工作臺(tái)放置有水平螺旋運(yùn)輸機(jī)，兩個(gè)螺旋運(yùn)輸機(jī)以液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，水平螺旋運(yùn)輸機(jī)采用U型運(yùn)輸機(jī)，上部不封閉，用來(lái)接收主運(yùn)輸機(jī)的煤泥，尾端下部開(kāi)口，為出料口。

2 液壓控制原理

如圖3所示，三聯(lián)齒輪泵(CBGj1032/1010/1010)由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，輸出帶有流速和壓力的壓力油。壓力油注入多路液壓閥(ZL20H-OW-J)后，分別控制液壓馬達(dá)CMZ40、液壓馬達(dá)BM3-160和液壓油缸。系統(tǒng)中，液壓馬達(dá)CMZ40帶動(dòng)主螺旋運(yùn)輸機(jī)將煤泥輸送到由液壓馬達(dá)BM3-160的水平螺旋運(yùn)輸機(jī)后被輸送到停放在巷道中的礦車內(nèi)。系統(tǒng)中的上部升降缸、下部升降缸和回轉(zhuǎn)缸，由多路液壓閥(ZL20H-OW-J)分別控制，以實(shí)現(xiàn)主螺旋輸送機(jī)上、下及左、右回轉(zhuǎn)的精準(zhǔn)控制。

圖3 液壓控制原理示意

3 方案實(shí)施

根據(jù)寧夏煤業(yè)有限公司梅花井礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在保證正常清理煤泥的情況下，考慮到方便施工，操作便利，且安全可靠，因此將設(shè)備置于工作臺(tái)上。兩組液壓缸的行程分別為500 mm與800 mm，能夠滿足工作時(shí)狹窄空間的要求，可避免磕碰以致?lián)p壞零部件，影響清理效率。

清理設(shè)備設(shè)置有兩種控制模式，分為單體手動(dòng)操作和自動(dòng)控制運(yùn)行兩種方式。在單體手動(dòng)操作中，需對(duì)系統(tǒng)中執(zhí)行元件進(jìn)行手動(dòng)控制，控制液壓缸與液壓馬達(dá)，調(diào)整主螺旋運(yùn)輸機(jī)的位置。自動(dòng)控制運(yùn)行采用PLC控制，將單體手動(dòng)操作步驟程序化，通過(guò)程序的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)一鍵清理，無(wú)需進(jìn)行繁瑣的操作，設(shè)備使用電磁換向閥，能夠與PLC連接，繼而控制執(zhí)行元件的動(dòng)作。

電控系統(tǒng)選擇西門子公司的s7-200系列的PLC編程控制。電控箱上設(shè)置有急停按鈕，能夠在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)立即切斷電源，防止發(fā)生事故。設(shè)備電控系統(tǒng)滿足一鍵啟停，當(dāng)設(shè)備到達(dá)預(yù)定位置，按下啟動(dòng)鍵，設(shè)備自動(dòng)根據(jù)程序控制清理，無(wú)需手動(dòng)操作，當(dāng)清理完成后觸動(dòng)警報(bào)鈴聲，提示工作人員清理完畢，并控制主螺旋運(yùn)輸機(jī)回到初始位置，準(zhǔn)備下一次清理工作。若工作過(guò)程中按下停止鍵，則設(shè)備會(huì)直接控制主螺旋運(yùn)輸機(jī)回到初始位置。

工藝流程如下：

(1)首先，將水平螺旋運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備與工作臺(tái)固定，確保設(shè)備不發(fā)生傾斜；

(2)開(kāi)啟水平螺旋運(yùn)輸機(jī)控制馬達(dá)，避免帶負(fù)載啟動(dòng)，啟動(dòng)主螺旋運(yùn)輸機(jī)，帶動(dòng)其尾部攪拌頭轉(zhuǎn)動(dòng)；

(3)控制兩組液壓缸，將主螺旋運(yùn)輸機(jī)尾部攪拌頭插入沉淀池中的沉淀煤泥，將沉淀池中的煤泥攪拌均勻，方便下一步的運(yùn)輸；

(4)操控主螺旋運(yùn)輸機(jī)向下運(yùn)動(dòng)，逐漸深入沉淀池中，將其中的煤泥通過(guò)與筒壁的摩擦作用，在螺旋葉片的推動(dòng)下沿輸送機(jī)的底部向上運(yùn)動(dòng)，直至在出料口掉落；

(5)主螺旋運(yùn)輸機(jī)的出料口位于水平螺旋運(yùn)輸機(jī)的上方，由于水平螺旋運(yùn)輸機(jī)為U型，所以出料口的煤泥能夠直接落入水平螺旋運(yùn)輸機(jī)上，由其將煤泥運(yùn)至巷道礦車內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)該沉淀池清理設(shè)備采用液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，結(jié)構(gòu)合理、操作簡(jiǎn)單、安全可靠，有效解決了狹窄空間沉淀池的煤泥及其雜質(zhì)的清理；

(2)采用螺旋運(yùn)輸機(jī)為主要運(yùn)輸工具，減少了設(shè)備的故障率，延長(zhǎng)了使用壽命；

(3)清倉(cāng)過(guò)程一人即可完成操作，操作簡(jiǎn)單，可長(zhǎng)期投入使用；

(4)工作人員無(wú)須進(jìn)入沉淀池底部即可完成清理工作，杜絕安全隱患；

(5)沉淀池可在煤泥充滿后開(kāi)始清挖，提高利用率50%。