煤矿应急救援排水装备技术发展现状及趋势

康迎春

(安标国家矿用产品安全标志中心有限公司,北京 100013)

0 引 言

目前,由于我国煤矿水文地质条件极为复杂,重特大透水事故仍时有发生,矿山水灾事故已成为仅次于瓦斯爆炸的第二大灾害[1],给人民生命财产安全造成重大威胁。随着国内排水装备研发制造水平的不断提升,应急救援排水技术装备有了长足的进步,基本实现了所有应急救援排水装备的自主生产。但现有应急救援排水装备安装时间长、环境适应性差、使用寿命低等问题仍未得到有效解决,严重影响抢险救援的时效性,与最大限度减少人员伤亡和财产损失的目标还有差距[2]。

1 排水救援装备现状

目前,煤矿应急救援排水装备主要以矿用隔爆型潜水电泵为主,少量多级离心泵作为应急使用[3]。配套电缆、管路、接头、电控装置、追排水装备等,结合运输系统、吊装系统、供电启动系统共同完成应急排水救援工作[4]。随着相关应急救援排水技术装备的发展,其结构设计和工作方式呈现多样化趋势,从组成形式及救援方式来看,可分为单机排水设备、追排水装备和排水配套设备3个方面。下面,对各类排水装备及快速配接设备目前的技术现状进行介绍。

1.1 单机排水设备

单机排水设备主要为矿用隔爆型潜水(排沙)电泵,多用于煤矿井下日常排水和应急排水,根据安标国家中心对矿用潜水电泵安标持证情况统计,其技术现状如下:

(1)矿用隔爆型潜水电泵流量:10～1 500 m3/h;扬程:7～ 1 700 m;功率:1.5～4 200 kW[5]。

(2)潜水电泵用电动机分为干式和充水式2种,有矿用一般型、矿用隔爆型和矿用增安型3种型式[6];电压等级有380 V、660 V、1 140 V、6 k V和10 k V,基本覆盖了煤矿的供电电压等级。

(3)潜水电泵安装方式分为立式、卧式和倾斜3种。透水事故应急救援排水和矿井恢复性排水大多采用立式或倾斜安装方式[7]。

1.2 追排水装备

1.2.1 履带式应急追排水装备

履带式应急追排水装备分为坦克底盘排水车和橡胶履带排水车2类,可用于斜巷和平巷,主要由潜水电泵或多级离心泵、管路、履带部、钢丝绳、辅助设备等组成快速排水系统,一般可使用履带快速行走或钢丝绳垂吊方式进行追排水。通过履带快速行走实现追排水,可避免人工移泵,减少劳动强度,提高救援效率。

1.2.2 轮轨式追排水装备

目前,轮轨式追排水装备分为轨道式和轮式2类。轨道式追排水装备利用井下原有轨道,将排水装备置于轨道上,实施追排水作业;轮式排水装置利用滚轮在固定轨道或无轨轨道承载潜水泵运输移动,底部滚轮在井筒底板移动时为滚动摩擦,该种移动方式对底板配套要求相对较低,大大增加了应对不同工况的灵活性,但底板承载强度不能太低。

1.2.3 浮漂式应急追排水装备

浮漂式应急追排水装备分为浮漂式抢险浮艇泵、充气抢险排水艇和折叠式浮漂运输装置3类,是在单机水泵的基础上增加了支撑悬浮充气部件,利用浮力作用携带排水设备,随水位下降来实现自动追排水。

1.3 配套设备现状

排水救援配套设备一般包括管路、接头、运输吊装装备、配电系统等设备,主要配合排水设备完成快速排水救援工作,因此,排水配套设备的成套性、匹配性、适用性和便捷性对救援工作效果起到了非常重要的作用。

1.3.1 管路系统

管路系统一般由排水管路、管路接头、转换阀门等部件连接而成。

排水管路分为钢制管、塑料管和复合材料管。其中,复合材料管具有柔性好、可盘卷、可剪裁和安装方便等优势,具有重量轻、运输方便、抗静电、阻燃等性能,工作压力为4.2 MPa,爆破压力达到8.4 MPa,可满足井下垂直高度500～700 m 的排水要求。

目前,国内企业已研发出了用于钢管或软管的快速接头,每个接头的连接时间仅需几十秒,承载能力大,可以满足竖井和斜井远距离排水要求,是目前世界上最先进的快速连接头。

1.3.2 运输吊装装备

应急救援运输吊装装备主要是用来运输、吊装大型救援装备到指定地点,减少人工搬运,提高时效的机械装备。主要有平板车、无轨胶轮车、履带运输车、绞车提升、起重机械等,在煤矿抢险救灾中运输吊装装备可携带潜水泵,能有效解决人工搬运带来的困难,实现快速移泵到指定位置,大幅降低劳动强度,节省救援时间,提高救援效率。

1.3.3 配电系统

配电系统一般由开关柜、变压器、软起动和配电线路等共同构成,分为地面配电系统和井下配电系统。地面配电系统在地面合适位置设应急强排配电室,应急强排配电室内设高压开关柜,采用高压开关设备或软启动装置供电;井下配电系统从井下变压配电所引两回低压电源,采用阀门电控装置供电。

2 目前存在问题

结合近年来发生的几起重大水害事故救援情况,水害事故救援设备及技术有了较大的提高和发展,但远不能满足目前复杂多变条件下的安全救援需求,更不能满足矿山安全条件发展变化的需要,存在的主要问题如下:

(1)应急排水装备重量重、体积大,运输、系统安装困难,耗费大量时间,造成应急救援追排水延误。在应急排水救援过程中,除了要具备稳定、良好的排水能力,还应保证设备下得去、移动跟得上、部件装得快。我国中小型煤矿斜巷断面尺寸仅2 m×2 m 左右,拐弯处允许通过的长度不超过4 m,救援时,可用运输及安装空间更为有限,多数情况下缺乏机械化、自动化的运输与移泵装备,多为人力运输与追水移泵,极大影响了整体救援速度,降低了救援效率[8]。

(2)排水装备在复杂严苛环境下适应能力差、可靠性低、使用寿命短。应急救援潜水设备技术要求高,从参数计算(电磁、水力、寿命等)、结构设计、材料选择、到制造工艺技术专业化等要求都较高,特别是潜水电机技术和机泵配合技术,需要长期的技术研究和经验积累,同时还需真机试验才能保证其安全可靠性。但我国潜水电泵生产企业只有少数几家具备此能力,且能力参差不齐。

(3)排水救援装备在不同环境下的配套与适用性不足。随着对排水扬程需求的增加,扬水管安装长度增加,对扬水管安装要求及管路强度要求随之增加,开发新型材料扬水管,使之既能承受大的压力又能承受自身重量,切运输方便、安装快捷,是个迫在眉睫的新课题。同时,排水救援装备尚未实现系列化,各救援中心和生产企业储备的多是中大型设备,针对中小煤矿小型化、实用性强的救援设备储备并不完备[9]。

(4)应急救援排水装备自动化差,智能化程度低。应急排水装备技术研发难度大、要求高、耗时耗力、成果缓慢、市场小。企业研发积极性不高,使得排水救援一直依赖生产电泵的发展,缺乏救援专用装备的研发,普遍存在自动化差、智能化程度低的问题。比如,潜水电泵的启动和控制尚无法实现根据水情变化自动启停、故障自动报警、远程控制等;同时,对自身工作状态、内部温度等自行监测和故障反馈功能较差,发现故障时设备一般已报废[10]。

(5)科学有效地安装、使用、检验与维护等标准规范体系尚未有效建立。目前,针对生产用的潜水泵产品相关标准主要执行GB/T3836—2021《爆炸性环境》用设备防爆要求系列标准、GB/T12173—2008《矿用一般性电气设备》、GB/T2816—2014《井用潜水异步电动机》、MT/T671—2005《煤矿用隔爆型潜水电泵》等。部分标准多年未修订,不满足技术现状发展要求。同时,应急救援排水设备的安装、使用、检验与维护规范没有明确要求,也缺乏相关规定,无法指导装备生产企业、应用单位开展工作。

3 发展趋势及建议

综合分析应急排水装备现状、研究、以及救援过程中存在的问题,对我国煤矿应急救援排水设备发展趋势建议如下:

(1)针对工况复杂多变的特殊环境,应急救援排水设备未来发展趋势应该是轻量化、模块化、系列化的成套设备,应保证不同矿井、不同工况能下得去、装得上、排得出、跟得紧,用得久。

(2)目前,应急救援排水设备比较笨重,在追排水过程中移动困难,因此,轻型化设计是提高救援效率和研发重点方向之一。应急救援初期投入使用的应急潜水电泵应轻量化,建议流量100～300 m3/h;扬程100～400 m。水患后矿井水构成复杂,随水位变化含有的泥沙量不同,含有的酸性物质浓度也不同,且变化很大,电泵必须能够输送p H 值4～9、水中固体物质体积不低于3%的复杂介质。除进行结构优化外,应急潜水电泵必要时可选用特殊材料、高强度材料。

(3)介质适应能力过低,只能适应固体颗粒体积浓度4%以下甚至更低的水质,造成泵过流部件磨损过快,泵水力性能下降,水泵效率大幅降低引起电机超载进而烧毁电机,因此,设备可靠性还存在较大问题,提升空间较大。

(4)加快大流量、高扬程排水装备的研发。随着煤矿开展向深发展,对于大流量、高扬程排水装备需求较为突出,可尝试将变频、同步电机等技术应用在应急排水救援装备上。

(5)目前,抢险救援设备智能化程度还比较低,因此,自动化、智能化是其发展的一个必然趋势,自动控制、故障报警、故障诊断与预测、远程控制等是重要的发展方向。

(6)进一步研究矿用应急救援潜水电泵的试验装置、检验项目和试验方法,指导救援潜水电泵生产及验收。

(7)轻量化的应急救援潜水电泵,煤矿生产部门或救援部门应储备充足并维护保养,随时处于应急抢险状态。

在大力发展煤矿应急救援排水装备的同时,不断加强矿山应急救援人员的培训,熟练掌握相关装备的应用操作,提高应急救援综合能力,切实提升水害抢险救援整体效能。