一种矿井沉淀池清理设备的研发与应用

马 平，石 鹏，侯建伟

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

水仓是煤矿集中排水的重要场所，在煤矿生产中发挥着至关重要的作用。采掘工作面涌出的地下水经过长距离巷道流入水仓，其中携带了大量煤渣、粉尘及其他杂质。为减小水仓负荷，在流向水仓之前通常会设置沉淀池，将较大颗粒物予以沉淀后流入水仓。每个矿依据涌水量的大小设置少则2～3个多则7～8个沉淀池。由于沉淀池多为长2 m，宽2 m，深2～5 m，空间所限，无法使用大型设备。若使用泥浆泵清理，由于沉淀池中煤泥颗粒较大，沉淀后含水量较低，对泥浆泵的损伤较大。多年来对沉淀池的清理一直采用人工挖掘的方式。工人劳动强度大，作业环境极为恶劣，且存在极大地安全隐患。沉淀池如不及时清理，较大的颗粒物会直接流入水仓，对水仓的清理造成极大的不便。

1 方案设计

1.1 传统清理方案

传统清理方案为人工清理。在沉淀池煤泥厚度达1 m左右时，即由人下到沉淀池中，用铁锹、水桶等将煤泥运送至地面，装入矿车。如煤泥厚度超过1 m，人在沉淀池中不便作业，且存在极大的安全隐患。人在深2 m、长2 m、宽2 m的空间作业，属有限空间作业，空气极其污浊，安全隐患及劳动强度极大，劳动效率极其低下，且沉淀池的利用率仅为设计能力的50%。

有的矿井也曾尝试采用泥浆泵用于沉淀池的清理。但由于沉淀池中杂质较多，含有大颗粒煤渣，且含水量较低，使用泥浆泵时需要加水稀释，使得泥浆泵磨损严重，故障频繁，反而降低了清理效率，增加了清挖成本。

1.2 沉淀池机械化清理方案

由上所述，传统的清理方案已经不能满足现代化矿井的生产需求。现针对宁夏煤业有限公司梅花井矿一具有典型示范性沉淀池狭窄有限空间提出一种矿井沉淀池清理设备，利用螺旋运输机清理沉淀池中的煤泥，可有效输送沉淀池中的较大颗粒物及其杂质，可靠性高。

沉淀池及设备设计尺寸简图如图1所示，沉淀池边有400 mm高工作台。

图1 沉淀池及设备尺寸简图

图1简图中l1为连接杆长度，l2为螺旋运输机长度，l为连接杆端部与工作台边缘距离。工作时连接杆与螺旋运输机铰接，实现θ的变化，连接杆固定于工作台上，操作可使α变化。

螺旋运输机需要在沉淀池中清理煤泥，故需要满足：

l≤l1cosα+l2sinθ≤l+1500

0≤l2cosθ-l1sinα≤2400

为避免螺旋运输机与工作台碰撞，则：

由于沉淀池上方空间限制，其高度为3 m，则：

0

其中α和θ为过程变化角，结合上述公式后得到：

取l为1 300 mm，l1为1 300 mm，l2为3 500 mm，满足上述条件。在工作工程中，需控制α，θ满足以下条件：

上述计算确定了设备主要尺寸，在满足沉淀池狭小空间的基础上，可实现设备的正常运行，完成对沉淀池中煤泥的清理。

1、5—液压马达；2—螺旋运输机；3、6—升降液压缸； 4—主螺旋运输机；7—搅拌头 图2 矿井沉淀池清理设备现场示意

如图2所示，清理设备置于工作台上，主螺旋运输机斜插入沉淀池中，运输机尾部安装有搅拌头，便于将沉淀池中沉淀的煤泥搅拌均匀。由两组液压缸支撑主螺旋运输机，主螺旋运输机采用圆筒式，将煤泥通过螺旋摩擦运输至工作台，工作台放置有水平螺旋运输机，两个螺旋运输机以液压马达驱动，水平螺旋运输机采用U型运输机，上部不封闭，用来接收主运输机的煤泥，尾端下部开口，为出料口。

2 液压控制原理

如图3所示，三联齿轮泵(CBGj1032/1010/1010)由三相异步电动机带动，输出带有流速和压力的压力油。压力油注入多路液压阀(ZL20H-OW-J)后，分别控制液压马达CMZ40、液压马达BM3-160和液压油缸。系统中，液压马达CMZ40带动主螺旋运输机将煤泥输送到由液压马达BM3-160的水平螺旋运输机后被输送到停放在巷道中的矿车内。系统中的上部升降缸、下部升降缸和回转缸，由多路液压阀(ZL20H-OW-J)分别控制，以实现主螺旋输送机上、下及左、右回转的精准控制。

图3 液压控制原理示意

3 方案实施

根据宁夏煤业有限公司梅花井矿现场实际情况，在保证正常清理煤泥的情况下，考虑到方便施工，操作便利，且安全可靠，因此将设备置于工作台上。两组液压缸的行程分别为500 mm与800 mm，能够满足工作时狭窄空间的要求，可避免磕碰以致损坏零部件，影响清理效率。

清理设备设置有两种控制模式，分为单体手动操作和自动控制运行两种方式。在单体手动操作中，需对系统中执行元件进行手动控制，控制液压缸与液压马达，调整主螺旋运输机的位置。自动控制运行采用PLC控制，将单体手动操作步骤程序化，通过程序的方式来实现一键清理，无需进行繁琐的操作，设备使用电磁换向阀，能够与PLC连接，继而控制执行元件的动作。

电控系统选择西门子公司的s7-200系列的PLC编程控制。电控箱上设置有急停按钮，能够在设备出现故障时立即切断电源，防止发生事故。设备电控系统满足一键启停，当设备到达预定位置，按下启动键，设备自动根据程序控制清理，无需手动操作，当清理完成后触动警报铃声，提示工作人员清理完毕，并控制主螺旋运输机回到初始位置，准备下一次清理工作。若工作过程中按下停止键，则设备会直接控制主螺旋运输机回到初始位置。

工艺流程如下：

(1)首先，将水平螺旋运输机等设备与工作台固定，确保设备不发生倾斜；

(2)开启水平螺旋运输机控制马达，避免带负载启动，启动主螺旋运输机，带动其尾部搅拌头转动；

(3)控制两组液压缸，将主螺旋运输机尾部搅拌头插入沉淀池中的沉淀煤泥，将沉淀池中的煤泥搅拌均匀，方便下一步的运输；

(4)操控主螺旋运输机向下运动，逐渐深入沉淀池中，将其中的煤泥通过与筒壁的摩擦作用，在螺旋叶片的推动下沿输送机的底部向上运动，直至在出料口掉落；

(5)主螺旋运输机的出料口位于水平螺旋运输机的上方，由于水平螺旋运输机为U型，所以出料口的煤泥能够直接落入水平螺旋运输机上，由其将煤泥运至巷道矿车内。

4 结 语

(1)该沉淀池清理设备采用液压驱动设备运行，结构合理、操作简单、安全可靠，有效解决了狭窄空间沉淀池的煤泥及其杂质的清理；

(2)采用螺旋运输机为主要运输工具，减少了设备的故障率，延长了使用寿命；

(3)清仓过程一人即可完成操作，操作简单，可长期投入使用；

(4)工作人员无须进入沉淀池底部即可完成清理工作，杜绝安全隐患；

(5)沉淀池可在煤泥充满后开始清挖，提高利用率50%。