機器人在礦井水力清管工作中的研究與應用

文/周廣宇 趙中棟

（作者單位：1.伊犁新礦煤業有限責任公司，2.山東華新建筑工程集團有限責任公司）

（責任編輯：龐永厚）

礦井主排水管道內壁容易混入介質顆粒、流沙、污泥等雜質，使管道有效過流截面積減小，排水能力下降，電能消耗上升，威脅礦井生產安全。常規的化學清洗法、通球法、高壓水射流法以及更換管道路法，均不能有效解決管道阻塞問題。對此，經過科研攻關，研究采用管道機器人水力清理技術，在水力的作用下，管道機器人攜帶一種或多種刀具沿管道內部旋轉可達到除垢的目的，能安全、經濟、全面地解決上述問題，有效破解管路堵塞難題，杜絕安全隱患。實踐表明，這是目前礦井管道清理優選的解決方法之一。

一、研究背景與意義

礦井主排水系統是礦井水害防治的主要手段和措施，其安全可靠性直接關系到礦井有關作業人員的安全。礦井下排水系統耗電量一般會占到礦井總耗電量的25%～35%，有的礦井甚至會超過40%。

礦井排水管路由于長期使用造成管道淤積堵塞，排水能力降低，并使能耗增加。礦井中涌出的水，在井下流動的過程中，混入和溶解了許多礦物質，含有一定數量的介質顆粒、流沙、污泥等雜質，這些雜質在排水管道內流動的過程中，部分粘附在管道內壁，形成軟質結垢層，使排水管道過流直徑減小，進而使管道有效過流斷面減小，排水能力下降，電能消耗上升，長時間積累，則會造成巨大的電能浪費。

圖1中顯示的是管道公稱直徑為定值時能耗損失情況。可以看出，隨著結垢厚度的增加，能耗隨之增加。

圖1 管路公稱直徑為定值時能耗損失變化示意圖

二、研究原理與思路

管道嚴重結垢影響管道的可靠性、運行的經濟性、礦井的安全性，尤其是已經使用多年、水質差的管道，此問題更加突出。

目前，國內外清理主排水管路結垢的方法主要有化學清洗法、通球法、高壓水射流法以及更換管道路法等。采用上述方法清理管道時，由于施工現場情況千變萬化等因素，上述方法均存在局限性。具體而言，化學清洗法存在污染問題；通球法除垢效果不佳；高壓水射流法對長距離管道無法實施；更換管道路法不經濟。

管道機器人水力清管技術是指用排水管道內水壓力（泵）來推動機器人在管道內運動，機器人內部攜帶一種或多種刀具，形成與管壁的摩擦、刮擦和切削運動，將垢體除下后經管道隨水排出，一般適用于直徑100mm以上的管道。在清管過程中，對于管道不同的實際管徑（污垢）和工序選擇不同規格尺寸的機器人，進行多次清管工序。由小直徑的機器人開始逐漸增加機器人的直徑，直至到標稱內徑。由于管道結垢的內壁不規整，所以，機器人是柔性設計，主要是徑向與軸向柔性。在過彎頭時，則需要軸向柔性設計，做成不同直徑規格。機器人的剛柔度設計，要根據各個地區的水質狀況進行調整。

利用管道機器人在線清理技術是解決管路堵塞問題的一種較好的方法和途徑，可大大縮短施工周期，避免在生產中因存在安全隱患而造成重大經濟損失。

三、工作原理及技術優勢

研制的管道清理機器人依據結垢的軟硬程度分為鋼刷式機器人、鋼釘式機器人和刮刀式機器人。

1.結構組成

如圖2所示，清管機器人結構由射流孔、機器人主體、旋轉刀具、保險裝置組成。

圖2 管道機器人結構示意圖

2.清管原理

（1）在主排水泵處取一段與主排水管道相連的同管徑泵組管道作為機器人入口，放入根據管徑和結垢厚度而選取的機器人。如圖3所示，機器人在水泵壓力作用下前進，前進的同時，旋轉刀具切削管道上的結垢，達到清理結垢的目的。

圖3 清理機器人工作示意圖

（2）如圖4所示，當遇到管路彎頭和管徑小幅變化時，由于機器人本體是軟體材料，可以擠壓變形通過。

圖4 清理機器人通過彎道示意圖

（3）如圖5所示，當管路結垢太厚或者遇到其他情況造成堵塞時，機器人可以自動判斷壓力變化。壓力差大于1MPa的情況下，機器人保險裝置發揮作用，機器人本體解體隨水流排出，不會造成管道堵塞。

圖5 機器人自動解體示意圖

（4）經過管道除垢前后對比，除垢效果理想。除垢后的排水管道減小了排水阻力，增加了有效排水面積，在礦山同等涌水量情況下，降低了排水時間和電耗，增強了礦井安全性。

3.技術優勢

礦井管道機器人清理技術具有以下技術優勢。

（1）不用停產。施工時只要關停對應的泵組，其余泵組可以繼續運轉，保證正常生產的安全。

（2）施工時間短。一般施工周期只需要2天至5天左右。

（3）清理效果好。相比傳統的化學清理和物理清理方法，管道清理技術不會對管道本身和周邊環境造成任何影響。可以清理85%～95%的積垢，達到標稱管徑的95%以上，使管路過流截面積基本達到設計要求。

（4）節能效果好。動力設備能耗比未清管前節能20%左右。

四、小結

實踐表明，研發的管道機器人在清理長距離管道內結垢上，具有很好的實用性和創新性。目前已在山東淄博、新汶、棗莊、臨沂，河北峰峰、邯鄲，徐州大屯等十多個礦業集團應用，可以有效解決管路堵塞難題，安全性能良好，節能效果明顯，受到廣泛好評，具有較大推廣應用價值。