煤礦井下輔助排水車的設(shè)計(jì)與研究

羅偉剛

（山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)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(xiǎn)源，不僅不利于煤礦的安全生產(chǎn)，還會(huì)嚴(yán)重威脅到礦工的生命安全。當(dāng)煤礦井下發(fā)生事故時(shí)，高效排水能夠?yàn)榫仍疇?zhēng)取到足夠多的時(shí)間，但是現(xiàn)有的煤礦排水條件相對(duì)不足，在生產(chǎn)和管理方面比較薄弱，井下的排水設(shè)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(cè)問題，更重要的是井下排水方面的問題。傳統(tǒng)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(jìn)行，但是在排水過程中需要大量的工人搬運(yùn)管道，并且需要保證管道口時(shí)刻在水面下，才能夠?qū)崿F(xiàn)排水，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)也有可能伴隨著其他危險(xiǎn)事故的發(fā)生[1-5]。為此，本文根據(jù)煤礦的主要特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)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(duì)排水泵的性能進(jìn)行了研究，為避免煤礦事故提供新的機(jī)械設(shè)備。

1 煤礦排水問題與設(shè)計(jì)要求

排水設(shè)備的可靠性是實(shí)現(xiàn)煤礦井下排水的基本要求。在礦井發(fā)生透水事故后，礦井原有的排水系統(tǒng)將會(huì)失效，此時(shí)就需要重新布置新的排水設(shè)備。當(dāng)煤礦井下發(fā)生透水事故時(shí)，井下的積水往往比較渾濁，內(nèi)部含有大量的泥沙和細(xì)小的碎石，救援人員無法進(jìn)入深水區(qū)進(jìn)行排水作業(yè)，采用傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)容易因管道內(nèi)部泥沙過多，堵塞管道，造成排水不暢。

1.1 應(yīng)急排水車總體技術(shù)要求和設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的排水車要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積相對(duì)較小，能夠在較為狹小的空間內(nèi)移動(dòng)，滿足實(shí)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(dòng)調(diào)整管道口的位置，自動(dòng)追排水。

1.2 兼顧可行性和實(shí)用性

設(shè)計(jì)的煤礦輔助排水車的結(jié)構(gòu)要能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能，在滿足排水車結(jié)構(gòu)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(fā)生率，盡量縮小整體的尺寸，提高整車的機(jī)動(dòng)性能。由于在煤礦井下事故發(fā)生后，水中含有大量的泥沙、水質(zhì)混濁，要保證排水設(shè)備能夠適應(yīng)復(fù)雜水質(zhì)，減少故障率。

1.3 適應(yīng)性和運(yùn)行可靠性

由于煤礦井下地質(zhì)條件比較復(fù)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(jī)進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不適合煤礦井下的環(huán)境，不能選用足式行走。在設(shè)計(jì)的過程中要考慮結(jié)構(gòu)的可靠性和整車系統(tǒng)的穩(wěn)定性，盡可能實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，比如本次設(shè)計(jì)的排水車初步提出了采用軌陸行走切換機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(zhì)條件。

2 煤礦輔助排水車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)化建模

根據(jù)煤礦對(duì)排水車的設(shè)計(jì)要求，在深入分析了排水車的功能設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，明確排水車的設(shè)計(jì)目的和原則。利用SolidWorks 2019 采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，對(duì)排水車結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過初步估計(jì)大型水泵和電控柜的尺寸，設(shè)計(jì)了排水車底盤結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的排水車行走機(jī)構(gòu)包括履帶式行走機(jī)構(gòu)和軌道式行走輪，利用伸縮液壓缸將行走輪推出，同時(shí)抬高行走機(jī)構(gòu)，將履帶離開地面，軌道輪下降，實(shí)現(xiàn)軌道式行走。附加設(shè)備包括電控柜、驅(qū)動(dòng)泵和支撐座等結(jié)構(gòu)，將所有的零部件按照零件之間的配合和接觸關(guān)系進(jìn)行了總體裝配。本次設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了如圖1 所示的兩套行走機(jī)構(gòu)，一套是適用于在煤礦井下復(fù)雜條件下的履帶式行走機(jī)構(gòu)，另外一套是可以在軌道上行走，便于在靠近地面上的轉(zhuǎn)運(yùn)，兩套行走機(jī)構(gòu)可以自由切換，增強(qiáng)了排水車的行走能力和通過能力，提高了排水效率。整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)留足夠大的吊裝水泵的余量，要求能夠滿足不同煤礦對(duì)不同排水量的需求，以應(yīng)對(duì)不同的緊急突發(fā)事故。

圖1 排水車整體模型方案

追排水車的操作規(guī)程如下：

1）液壓泵站水泵電機(jī)通過變壓器（380 V/660 V)連接電源。

2）通過手動(dòng)操作閥將支腿完全升起。

3）通過手動(dòng)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(dòng)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(guān)閉閥門、斷開排水管，然后再移動(dòng)排水車。

3 排水車管路連接分析

在煤礦井下輔助排水系統(tǒng)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(zhuǎn)換法蘭。

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

4）焊接測(cè)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(jì)安裝于管道。

5）將液壓泵站水泵電機(jī)接通電源。

6）斷開排水管道，測(cè)試排水車液壓系統(tǒng)壓力和流量。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)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(biāo)。實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備有：排水車（帶水泵）、帶測(cè)壓端口的蝶閥、1.5 m 帶DN150 法蘭的鋼絲編織軟管2 節(jié)、25 m帶DN150 法蘭的聚氨酯軟管2 節(jié)、3 m 帶DN150 法蘭的聚氨酯軟管1 節(jié)、螺栓30 個(gè)、2 根50 m 電纜線、5060 液壓系統(tǒng)壓力流量測(cè)試儀器（帶壓力傳感器、導(dǎo)線）、超聲波流量計(jì)以及卷尺等附加檢測(cè)裝置。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過連接管路，使用檢測(cè)儀器對(duì)排水車管道水壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，設(shè)置檢測(cè)時(shí)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(shí)間變化的曲線圖。

圖3 排水車連接管道壓力與流量結(jié)果圖

從圖3 中可以看出，管道水壓力從0～5 s 內(nèi)處于上升狀態(tài)，壓力逐漸由0 變?yōu)?.0075 MPa，隨后在5 s 后基本穩(wěn)定在0.0075 MPa，但是存在壓力波動(dòng)，在20 s 時(shí)出現(xiàn)壓力脈動(dòng)，從壓力值為0.0075 MPa變?yōu)?.025 MPa，此時(shí)的壓力波動(dòng)較大，在維持了5 s之后壓力值從0.025 MPa 變?yōu)? MPa，回歸到初始位置。管道流量表現(xiàn)較為平穩(wěn)，在大約30 s 后恢復(fù)初始狀態(tài)。從以上的結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的這套水泵和管道連接合理，壓力波動(dòng)較小，且系統(tǒng)整體流量過渡平穩(wěn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

5 結(jié)語

為了解決傳統(tǒng)的煤礦井下排水困難問題，設(shè)計(jì)煤礦井下輔助排水車代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工方式，完成井下自動(dòng)追排水作業(yè)，排水效率提高。通過對(duì)管道連接和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的排水車可以滿足煤礦井下斜井、直井等不同環(huán)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(yè)負(fù)擔(dān)，具有一定的推廣價(jià)值。