煤矿应急救援潜水电泵现状与发展趋势研究

王 磊

(安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京 100013)

水害是煤矿“五大”灾害之一，在重特大事故中仅次于瓦斯事故[1]。近年来，随着我国煤矿开采向深部不断延深，受水害的威胁日趋严重，煤矿水害事故因排水设备大而笨重、可靠性差、事故现场安装不及时等影响事故救援工作的现象时有发生，引起各方的高度关注和重视。针对我国煤矿应急救援潜水电泵重量和体积大、适应性不强、可靠性和配套性差等问题，研究攻克设计、材料、关键部件技术瓶颈，降低重量、减小体积、提高可靠性和可移动性，将有效提升煤矿水害应急救援排水能力，为煤矿安全生产保驾护航。

1 煤矿应急救援潜水电泵现状

煤矿潜水电泵作为机电一体化新型排水设备，按照用途及潜水深度分为浅潜水电泵、应急潜水电泵和强排系统用潜水电泵[2]。浅潜水电泵潜水深度不超过5m，主要用于采掘工作面、巷道井底水涡排水，煤矿受水淹灾害后的抢险排水或复矿排水等井下排水。应急潜水电泵和强排系统用潜水电泵潜水深度5～70m，应急潜水电泵主要用于水害初期抢险救援。强排系统用潜水电泵井上独立供电，可作为主排水设备工作，同时也是水害救援和矿井恢复的重要排水设备。

1.1 生产现状

目前，我国取得煤矿用潜水电泵安全标志证书的企业共50余家，获证产品的流量10～1500m3/h、扬程10～1700m、功率1.1～5000kW，电压等级为380V、660V、1140V、6kV和10kV，产品规格型号、种类繁多，基本满足了煤矿安全生产需求。生产煤矿用潜水电泵主要参照执行《煤矿用隔爆型潜水电泵》(MT/T 671—2005)[3]、《井用潜水异步电动机》(GB/T2818—2014)[4]、《爆炸性环境设备》(GB/T 3836—2021)[5]、《潜水电泵 试验方法》(GB/T 12785—2014)[6]、《三相异步电动机试验方法》(GB/T 1032—2012)[7]等标准。浅潜水电泵和应急潜水电泵生产企业以小型私营企业为主，设计研发能力不强、生产设备比较落后、员工素质偏低，产品质量整体水平不高；强排系统用潜水泵制造企业的生产、检验能力已接近国际水平，但产品可靠性与使用寿命落后于国际先进水平。

1.2 使用现状

我国具有煤矿排水设备和排水能力的救援队伍，主要集中在23个国家矿山应急救援队、36个地方矿山应急救援队及部分煤矿专业排水站。此外，一些煤矿也配备了潜水电泵及配套装备，一旦发生水灾，及时安装投入使用。目前，国家矿山应急救援队配备潜水电泵约300台，扬程100～1000m；地方矿山应急救援队配备潜水电泵300余台，扬程100～800m；煤矿专业排水站配备潜水电泵近100台，扬程100～800m。据调查，全国约有962处煤矿配备了潜水电泵2503台，其中，扬程小于150m占57.97%，扬程大于600m占4.71%[8]。

1.3 技术现状

1)基本原理。利用电机旋转带动第一级叶轮旋转产生离心力，通过第一级导叶使水产生势能、形成压力，再经过第二级叶轮提高势能、增加压力，逐级递增。水从进水节进入，通过第一级叶轮进口，经叶轮旋转加压后从叶轮出口切向流出，进入导叶后使水有序流向下一级叶轮进口，最后一级经导叶后流向泵出口流出。

2)运行工况特点。煤矿水害应急救援现场环境条件复杂，井下正常供电系统可能已经瘫痪，而且潜水电泵安装受水害现场环境限制。潜水电泵在深水中运行，水位变化大，当水位下降时，泵的扬程逐渐增加，要达到预期排水效果，需按最高扬程配置潜水电泵，而抢险开始排水时的扬程很低，远远偏离高效区运行，并且电机输入功率很大，电机运行电流远大于额定电流，要求电机超负载正常运行。煤矿水害发生后，水流冲击流动携带大量煤、泥、沙石和各种杂物，有时会有温度异常、腐蚀性等危害特征[9-11]。

3)技术特点。应急潜水电泵及电机在深水中运行，具备以下技术特点：应急潜水电泵应适合任何污水介质，流道宽阔，避免堵塞；配用功率按1.5倍普通排水泵进行配置，防止过载现象发生；电机壳体机械强度应保证电机在深水中不受水的挤压影响，能够安全工作；确保转子、轴承机械密封等运动部件正常运转，深水状态电机电磁性能及导电性能符合运行要求；电机的电气性能应保证电机在深水中安全运行，电机定子的绝缘电阻、绕阻耐高压、匝间耐电压、电机温升等应符合安全运行要求；水泵部件的承压能力应符合泵扬程要求，使用过程中不能发生泵泄漏。

4)技术标准及检测验证方法。煤矿应急潜水电泵生产、检验主要参照标准中，MT/T 671—2005规定了矿用隔爆型潜水电泵的技术要求、检验项目、试验方法、检验规则等内容，GB/T 2818—2014规定了潜水深度不大于70m的干式、冲水式等结构型式的电动机，GB/T 3836—2021规定了爆炸性环境电气设备与元件的结构、试验和标志要求，GB/T 12785—2014规定了潜水电泵性能试验和验收(或评定)方法，GB/T 1032—2012规定了三相异步电动机试验要求与试验方法。

我国已建立了国家级潜水电泵性能验证实验室，试验能力功率达到5000kW，流量可达1500m3/h，扬程可达2500m，排出压力最大25MPa，并为大型立式潜水电泵专门建立15m试验深井，能够满足应急潜水电泵各项目验证需求。但针对深水潜水电泵(潜水深度大于70m) 整机水压试验仍然没有有效可行的试验方法及试验装置，仅仅依据积累的经验对其质量的可靠性进行简单的评判，未形成有效科学的可靠性评估方法[12]。

2 应急救援潜水电泵存在主要问题

1)执行标准局限性。我国煤矿应急救援潜水泵没有专门的标准或规范性技术文件，主要参照执行标准均有不同的局限性，MT/T 671—2005仅适用于潜水深度不超过5m的潜水电泵，而且规定的功率偏小(220kW以下)，电压偏低(1140V及以下)，不能满足现有产品生产、使用要求[13]；GB/T 2818—2014适用于功率500kW以下，电压660V及以下的小型潜水电动机，潜水深度不大于70m，不能满足大型深水潜水电泵的要求；GB/T 3836—2021是我国修改采用国际标准的推荐性国家标准，主要针对爆炸性气体环境和爆炸性粉尘环境的电气与非电气设备，而潜水电泵基本上采用充水式(湿式)潜水电机，与标准不完全配套[14]；GB/T 12785—2014不适用于潜水深度大于5m的潜水电泵，与MT/T 671—2005的判定指标有所不同；GB/T 1032—2012对矿用潜水电动机的特殊特性没有相应检验规定，如充水电机电磁线耐磨、承压检验要求、潜水电泵电缆要求等。

2)质量重、体积大。受材料质量与强度、电泵转速、轴承质量、结构设计水平等因素综合影响，煤矿应急救援潜水电泵存在质量重、体积大、移动安装困难等问题[15，16]，特别是水泵安装、运输受到水害现场复杂环境的限制，在救援过程中耗费大量的人力和时间成本，不能形成快速排水能力，从而措施了最佳救灾时间。

3)运行效率偏低。应急救援潜水电泵与正常排水电泵本质区别在于工作稳定性要求更高，水泵在高效区运行属于最佳工作状态，煤矿水害抢险过程中，水泵效率过低直接影响救援效果。我国潜水电泵受设计、加工工艺、机械磨损、介质腐蚀、叶轮汽蚀等因素影响，水泵运行效率偏低，对煤矿水害救援效果产生一定影响。

4)可靠性不高。应急救援潜水电泵配用电动机的功率不适应救援现场环境条件，造成水泵使用不可靠，经常出现过载问题。由于水害救援现场排送介质变化幅度较大，潜水电泵配用电动机必须加大配用功率系数，确保短时满负荷运行时电机不超载。另外，潜水电泵救援过程中，往往超出工况条件使用，造成水泵启动和运转不可靠。

5)寿命较短。煤矿水害现场排水介质复杂，含有煤渣、沙粒、污泥等杂质，浓度变换不定。而且部分矿井由于岩层土壤原因，水中还含有酸性物质，对应急救援潜水电泵耐磨、耐腐性能要求较高。受设计、材料、制造、工艺等因素影响，我国应急救援潜水电泵对各种水质环境的适应性差，耐磨、耐腐蚀性差，使用寿命短[17，18]。

6)配套设备不齐全。潜水电泵的配套有动力电缆、控制电缆、逆止阀、水管、出口闸阀、压力表、流量计、启动柜、智能控制保护装置设备、水位控制器等[19]。煤矿水害事故救援时，应急救援队伍从周边救援队或库房中调用潜水电泵、排水管、电缆等配套设备，必要时需要搭建吊挂装备，现场通过人工紧固螺栓实现法兰对接，由于缺乏管路快速连接技术及装备，连接一套管路需要一天半左右的时间，严重影响排水设备快速投入使用。

3 应急救援潜水电泵发展趋势

3.1 创新水泵设计与结构

煤矿水害应急救援中影响救援效率的因素主要包括电机、水泵和管路三个方面，以及这些设备的运输、连接、起动和运行是否便捷可靠。提高煤矿水害应急排水效果，主要通过流道设计、结构改进、电机设计与管路配套等方面创新，不断提升应急救援能力。

3.2 应急潜水电泵轻量化

加强煤矿应急潜水电泵设计、新材料、效率、生产工艺、可靠性、稳定性等方面的深入研究，提高我国煤矿应急救援潜水电泵技术水平，研发适用于水害环境条件和特殊介质的轻型小型应急潜水电泵是必然趋势。

3.3 应急排水装备配套性

提高应急救援排水装备的配套性，研究应急排水配套管路的轻量化、适应性及快速连接技术，提高煤矿应急排水快速安装的技术水平，实现短时间完成安装、快速移动、快速排水，快速形成救援能力。

3.4 应急潜水电泵智能化

研发应急潜水电泵的自动化控制系统，实现水泵的软起软停、转速调节，并采集水泵的电流、有功、无功等信息瞬时变化情况，对水泵的堵转、空转等故障进行保护；实现水泵根据水情变化自动启停、故障自动诊断报警、远程控制等[20]。

3.5 应急潜水电泵系列化

1)救援初期或水害严重阶段，适合采用流量100～300m3/h、扬程100～400m、功率200～400kW的中型潜水电泵。该类潜水电泵配用电压一般为380V或660V或1140V，启动配电装置简单(一个电控柜即可)，水害救援现场取电方便。

2)水害恢复阶段，适合采用流量500～1000m3/h、扬程500～1000m、功率2000kW左右的高压大型潜水电泵。该类潜水电泵配用电压一般为6kV或10kV，具有广泛的适应性，可以实现泵站自动化和集中控制等。

3)救援末期阶段(水害局部排污)，适合采用流量20～50m3/h、扬程20～40m、37kW以下的小型潜水电泵。该类潜水电泵配用电压一般为380V或660V，适应排送巷道沉积的高浓度介质。

4 重点攻关领域及技术

对我国潜水电泵现状、存在问题及发展趋势研究与分析，煤矿应急救援潜水电泵重点攻关领域主要为中型水泵，即流量100～300m3/h、扬程100～400m、功率200～400kW的潜水电泵，重点攻关领域及技术如下：

1)加快推进煤矿应急救援潜水电泵标准制订工作，明确产品技术要求与检测验证方法，规范统一产品要求，解决煤矿应急潜水电泵无专用技术、检验标准的现状。

2)过流部件的流道尽量设计宽阔，提高水泵运行效率和介质适应能力，满足对固体颗粒体积浓度大于10%的污水进行抽排。

3)潜水电泵叶轮采用无过载设计，在整个水泵工作范围内，实现流量、扬程可在较大范围内变化，水泵功率不会超载，保证可靠运行。

4)研制、选择适用煤矿水害救援条件及满足潜水电泵性能要求的新材料，提高水泵耐磨性、抗耐腐蚀能力、绝缘性能和运转可靠性。

5)采用永磁电动机或变频技术，将水泵运行转速提高至3500～4000r/min，研制特种轻型电动机，并解决提高转速对水泵旋转部件及轴承寿命的影响。

6)研制承压能力高、重量轻、快速连接、互换性良好的配套管路，提高排水管路安装效率。

5 结 语

随着煤矿灾变条件下对高效应急救援先进设备的客观需求，国家鼓励矿用设备生产企业积极投入新产品研发工作。本文提出应急救援潜水电泵的发展趋势和重点攻关技术，为矿用设备生产企业研制适用于煤矿水害条件下的应急救援轻型专用潜水电泵提供指导，促进我国煤矿应急救援潜水电泵的技术发展，进一步提高煤矿水害应急救援能力和水平。