水仓清淤技术分析及清淤系统总体方案设计

水仓清淤技术分析及清淤系统总体方案设计
郑庚昊
【摘要】煤矿开采过程中，在水仓内形成的煤泥对正常排水及煤矿安全都有重大
影响，研究新型井下煤泥清仓系统十分必要。

通过对比分析当前水仓清淤技术的类型，提出以水仓结构局部优化和清淤机械系统相互配合的方案，并研究拦截坝系统的结构设计、相关材料的选择以及拦截坝系统的设置方法。

在开滦集团的应用推广效果表明，新型水仓清挖系统与传统的人工清仓相比，效率提高了8倍以上，该
系统可靠性高，各子系统配合良好，效果显著。

【期刊名称】《水力采煤与管道运输》
【年(卷),期】2016(000)002
【总页数】5页(P5-9)
【关键词】水仓;煤泥;清淤;系统设计
【作者】郑庚昊
【作者单位】中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山 063000
【正文语种】中文
【中图分类】TD74
目前，国内外井下水仓的清淤仍然是水仓治理的难点与重点之一[1-2]。

但在实际
应用中，也摸索和创造出了许多可行的水仓清淤技术，但其适用范围较窄，存在较多的缺点与局限性，难以应对水仓复杂多变的环境，故清仓效果不够理想[3-4]。

国外水仓清淤机械较国内先进，大多数清仓机械的自动化程度很高，结构十分复杂，
造价昂贵，且维修、维护要求高，因此，在国内推广受到了一定限制[5]。

目前，国内主流的水仓清淤方式主要有三种，分别为水仓清理装置、泥浆泵及射流泵联合清淤、中央排污水泵清淤等[6-8]。

另外，国内水仓治理的相关研究还包括了水仓水位的实时监控与预警技术以及水仓结构优化等。

在此，提出以水仓结构局部优化和水仓清淤机械系统相互配合的清淤方案，主要内容为拦截坝系统的结构设计、相关材料的选择以及拦截坝系统的设置方法研究等。

1.1 人工水仓清淤
人工清淤是最简单也是最早的水仓清淤方法，通过在水仓内部铺设轨道，用矿车输送煤泥的形式进行清理。

这种人工清淤的方式效率低下，按照常规水仓清淤3人一班的工作制来计算，平均每小时清理煤泥不足14t，只能应对小型水仓的清淤，而对于中型水仓清淤则需耗费2个月的时间。

因此，人工清淤的低效率已经成为很多煤矿生产中水仓清淤的瓶颈，限制了煤矿正常的生产潜力，同时，人工清淤作业环境差，劳动强度极大，作业的人工成本很高。

1.2 挖装清淤法
挖装清淤法主要是机械作业代替了人工挖泥装车作业，一台小型的挖装机械工作效率比人工高数倍，这就大大减轻了水仓清仓工人的劳动强度，大大加快了水仓的清理速度。

而且通过挖装清淤与人工清淤相结合的方式，还能够大大克服水仓清淤不彻底的弊端。

该类水仓清理机械较人工清理工作效率提高了8倍以上，有较好的经济效益与社会效益，但设备的一次性购置费用和维护成本较高。

1.3 水仓清理机
水仓清理机的种类有很多，如气力输送水仓清理机、液压水仓清理机、链斗输送水仓清理机、螺旋水仓清理机等。

在此，将以液压水仓清理机为例进行介绍。

QCJ-22全液压自行式水仓清淤机是一种结构新颖、节能高效、自动运输、连续挖
排的新型水仓清理机。

由于同时具备挖泥、排淤、输送三大功能，其作业效率在同类设备中较为出色，运行作业的综合成本较低，是我国当前诸多煤矿生产中，大、中型水仓清淤的理想装置。

该设备能够进行全机械化作业，仅需单人操作，不但降低了劳动强度，改善了劳动作业环境，其工作效率也大大提升。

全机械式作业的QCJ-22清淤机能根据煤泥的深度、巷宽自动调整设备，可持续作业，效率高，保证了水仓的水容量、排水泵的运行寿命，提高矿井抵抗灾害的能力。

1.4 泥浆泵和射流泵联合清理
泥浆泵和射流泵联合清淤的方式是通过高压水流使得淤泥稀释，能够形成泵送的泥浆，将稀释后的泥浆输送到搅拌罐中，然后再加压经管道输送到过滤设备中，煤泥经过过滤、脱水处理，形成煤泥饼，最后用矿车将其输送到地面。

上述泥浆泵配合射流泵联合清淤的方式与机械挖装式的清淤方式在原理上有所差异，后者主要是淤泥以固体的形态进行清理，而前者则是以流体的形式来清理。

相较于而，由于水仓中的煤泥本身就具有一定的流动性，下层沉淀的煤泥也可以经过搅动之后具备流动性，因此，采用泥浆泵与射流泵联合清淤的效率在水仓清淤前期比机械挖装的方式效率高很多。

但这种泥浆泵与射流泵联合清淤的方式也有短板，主要在于泥浆泵送之后的一系列排水处理技术目前仍然不够先进，脱水过程效率也不高，因此，水仓清淤技术很难形成整套的系统。

1.5 中央排污水泵清淤
中央排污泵法清淤是通过中央排污泵以及相应的配套管道设施将水仓泥浆从矿井直接排放到外部。

中央排污泵清淤方法在鹤岗矿业集团的应用中取得成功，其使用的泥浆潜水泵及其排污系统主要有如下几个方面的优点：
(1) 泥浆泵的使用寿命较长，且配备了专门的运行监控系统，能够实现对泵的智能化远程控制。

(2) 泥浆泵安装方便，能够节省大量的管线，且回收煤泥效率高，能够带来良好的经济效益；能耗较低，该泵功率仅为几十千瓦，能够节约大量电能。

(3) 能够有效解决-250水仓清淤中出现的重复清淤问题，以及-350水仓中存在的泥浆排入问题，提高了水仓清淤效率，有效地保障了水仓的正常功能。

当然，中央排污泵法清淤不仅仅需要解决排污泵的问题，还需要解决管道的堵塞等多个方面的问题。

2.1 系统的组成
新型水仓治理机械系统的设计，选用目前应用较为成熟的清仓机械与配套脱水系统结合的方式，并根据水仓结构创新方面的思路，对传统水仓结构做了微调，以适应新型水仓治理机械系统方案。

在水仓清淤系统中设置了沉淀池，煤泥清淤主要在沉淀池中进行，因此，该系统有拦截坝、清淤系统两大部分。

煤矿水仓清淤系统如图1所示。

清仓系统工作原理为：清仓机在水仓内挖装物料，并由其泵送系统将物料通过机尾软管所联输送管道直接输送至用户指定地点，指定地点可为主运胶带、煤仓或直接进入矿车。

2.2 拦截坝系统
水仓设置拦截坝的研究已进行多年，但实际应用拦截坝的水仓并不多。

在此提出的是一种能够拦截煤泥过滤排水的拦截坝，配合清挖机械处理，主要作用是使煤泥在沉淀池中沉淀下来，利用清挖机械集中处理。

在水仓入口处，设置具有拦截煤泥、过滤泥水的拦截坝，使得煤泥在巷道中开始沉淀，这种沉淀的煤泥比水仓中沉淀的煤泥含水量低，基本形态都是松散状，容易清挖、装车和输送，减少了煤泥运输过程中的泥水泄漏、破坏绞车道清洁和煤泥堵仓事故的概率。

工艺流程如图2所示。

水仓拦截坝装置主要由钢筋混凝土、聚乙烯板材、工字钢、钢丝网滤布等几部分组
成，高度为3.5m，宽度为4m，拦截坝布置示意图如图3所示。

在拦截坝的各项组成中，聚乙烯板是其中的关键材料，其优势为：①不吸水，不易变形；②表面光滑，具有很小的摩擦系数，因此不会产生淤积；③耐腐蚀、耐磨损性能都极优，使用寿命长，成本低；④抗冲击性能良好。

正是由于聚乙烯板具有上述特性，选其作为初步过滤材料能够满足要求，钢丝网滤布过滤孔小，适合作为二次过滤材料。

在钢丝网滤布选型方面，由于煤泥水腐蚀性较高，环境也较为复杂，煤泥颗粒大小不一，为保证水仓的正常功能和对滤布较高的过滤精度要求，选用了0.037mm的不锈钢过滤网。

考虑到拦截坝宽4m，高2m，选择宽4.2m，高2.2m的滤布。

水坝系统的设置是将两个工字钢分别固定，依次放入五块聚乙烯板，两侧的聚乙烯板则用钢筋混凝土来固定，滤网则使用沉头螺钉固定在拦截坝上。

2.3 清淤机械系统
2.3.1 清仓机
清仓机的选择受制于多个方面的因素：①清仓机应能适应井下水仓的结构尺寸要求，对于不同结构尺寸的井下水仓，清仓机应有一定的适应能力，这就要求清仓机结构紧凑，能够在井下自行调运；②清仓机的清淤能力应能够适应矿井的生产要求，对于涌水较多，淤泥也较多的煤矿，清仓机应在生产能力上有一定富余，以保证井下水仓煤泥不至于淤积而影响水仓的正常排水；③对于不同含水量的煤泥，清仓机应能够有较大的适应范围，保持较高的清淤效率；④清仓机应能够方便地实现维护、维修，且作业可靠性程度高。

2.3.2 配套脱水系统
井下水仓淤泥配套脱水系统应尽量减少煤泥的输送过程，做到现场脱水，以实现干燥煤泥的方便运输。

除此之外，配套脱水系统还需要对煤泥的处理量有一定的缓冲功能，当由清仓机处理的淤泥量波动较大时，不应影响配套脱水系统正常的功能，
这就需要配套脱水系统设置相应的缓冲装置。

2.3.3 泵送及管道系统
管道泵送系统主要用于含水量较大淤泥的输送。

泵送机械应能够适应较大范围含水量淤泥的输送，有较强的抗磨损能力和抗腐蚀能力，不易堵塞，工作性能可靠，易维护、维修；对于管道系统，首先应该满足强度要求，淤泥在输送过程中，管道会产生振动、弯曲等现象，选择的管道应满足结构可靠性的要求；其次，在管径的选择上，应合理考虑泵的输送效率以及管道堵塞的情况，管道的选择不宜过大，但管道选择过小，容易引起淤泥堵塞，管道堵塞的清理难度较大，故管道尺寸的选用十分关键。

在此，主要设计了与水仓清淤机械配套的拦截坝系统，其中，拦截坝的拦截装置主要由钢筋混凝土、工字钢、钢丝网滤布、聚乙烯板等构成，有效地降低了煤泥的含水量，煤泥装车、运输也更为方便，应用效果良好。

在国内已有研究的基础上设计了新型水仓清挖系统，该水仓清淤系统是在参考国内已有的水仓清淤机械系统的基础上得来的，而各子系统的的最优化的组合还需要根据目标性能、设计成本等综合分析。

郑庚昊(1983—)，男，内蒙古自治区扎兰屯市人，助理研究员，从事清仓机和掘进机的研发与销售的工作。

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【相关文献】
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