康迎春

(安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司,北京 100013)

0 引 言

目前,由于我國煤礦水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜,重特大透水事故仍時有發(fā)生,礦山水災(zāi)事故已成為僅次于瓦斯爆炸的第二大災(zāi)害[1],給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅。隨著國內(nèi)排水裝備研發(fā)制造水平的不斷提升,應(yīng)急救援排水技術(shù)裝備有了長足的進(jìn)步,基本實(shí)現(xiàn)了所有應(yīng)急救援排水裝備的自主生產(chǎn)。但現(xiàn)有應(yīng)急救援排水裝備安裝時間長、環(huán)境適應(yīng)性差、使用壽命低等問題仍未得到有效解決,嚴(yán)重影響搶險救援的時效性,與最大限度減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的目標(biāo)還有差距[2]。

1 排水救援裝備現(xiàn)狀

目前,煤礦應(yīng)急救援排水裝備主要以礦用隔爆型潛水電泵為主,少量多級離心泵作為應(yīng)急使用[3]。配套電纜、管路、接頭、電控裝置、追排水裝備等,結(jié)合運(yùn)輸系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)、供電啟動系統(tǒng)共同完成應(yīng)急排水救援工作[4]。隨著相關(guān)應(yīng)急救援排水技術(shù)裝備的發(fā)展,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作方式呈現(xiàn)多樣化趨勢,從組成形式及救援方式來看,可分為單機(jī)排水設(shè)備、追排水裝備和排水配套設(shè)備3個方面。下面,對各類排水裝備及快速配接設(shè)備目前的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

1.1 單機(jī)排水設(shè)備

單機(jī)排水設(shè)備主要為礦用隔爆型潛水(排沙)電泵,多用于煤礦井下日常排水和應(yīng)急排水,根據(jù)安標(biāo)國家中心對礦用潛水電泵安標(biāo)持證情況統(tǒng)計(jì),其技術(shù)現(xiàn)狀如下:

(1)礦用隔爆型潛水電泵流量:10～1 500 m3/h;揚(yáng)程:7～ 1 700 m;功率:1.5～4 200 kW[5]。

(2)潛水電泵用電動機(jī)分為干式和充水式2種,有礦用一般型、礦用隔爆型和礦用增安型3種型式[6];電壓等級有380 V、660 V、1 140 V、6 k V和10 k V,基本覆蓋了煤礦的供電電壓等級。

(3)潛水電泵安裝方式分為立式、臥式和傾斜3種。透水事故應(yīng)急救援排水和礦井恢復(fù)性排水大多采用立式或傾斜安裝方式[7]。

1.2 追排水裝備

1.2.1 履帶式應(yīng)急追排水裝備

履帶式應(yīng)急追排水裝備分為坦克底盤排水車和橡膠履帶排水車2類,可用于斜巷和平巷,主要由潛水電泵或多級離心泵、管路、履帶部、鋼絲繩、輔助設(shè)備等組成快速排水系統(tǒng),一般可使用履帶快速行走或鋼絲繩垂吊方式進(jìn)行追排水。通過履帶快速行走實(shí)現(xiàn)追排水,可避免人工移泵,減少勞動強(qiáng)度,提高救援效率。

1.2.2 輪軌式追排水裝備

目前,輪軌式追排水裝備分為軌道式和輪式2類。軌道式追排水裝備利用井下原有軌道,將排水裝備置于軌道上,實(shí)施追排水作業(yè);輪式排水裝置利用滾輪在固定軌道或無軌軌道承載潛水泵運(yùn)輸移動,底部滾輪在井筒底板移動時為滾動摩擦,該種移動方式對底板配套要求相對較低,大大增加了應(yīng)對不同工況的靈活性,但底板承載強(qiáng)度不能太低。

1.2.3 浮漂式應(yīng)急追排水裝備

浮漂式應(yīng)急追排水裝備分為浮漂式搶險浮艇泵、充氣搶險排水艇和折疊式浮漂運(yùn)輸裝置3類,是在單機(jī)水泵的基礎(chǔ)上增加了支撐懸浮充氣部件,利用浮力作用攜帶排水設(shè)備,隨水位下降來實(shí)現(xiàn)自動追排水。

1.3 配套設(shè)備現(xiàn)狀

排水救援配套設(shè)備一般包括管路、接頭、運(yùn)輸?shù)跹b裝備、配電系統(tǒng)等設(shè)備,主要配合排水設(shè)備完成快速排水救援工作,因此,排水配套設(shè)備的成套性、匹配性、適用性和便捷性對救援工作效果起到了非常重要的作用。

1.3.1 管路系統(tǒng)

管路系統(tǒng)一般由排水管路、管路接頭、轉(zhuǎn)換閥門等部件連接而成。

排水管路分為鋼制管、塑料管和復(fù)合材料管。其中,復(fù)合材料管具有柔性好、可盤卷、可剪裁和安裝方便等優(yōu)勢,具有重量輕、運(yùn)輸方便、抗靜電、阻燃等性能,工作壓力為4.2 MPa,爆破壓力達(dá)到8.4 MPa,可滿足井下垂直高度500～700 m 的排水要求。

目前,國內(nèi)企業(yè)已研發(fā)出了用于鋼管或軟管的快速接頭,每個接頭的連接時間僅需幾十秒,承載能力大,可以滿足豎井和斜井遠(yuǎn)距離排水要求,是目前世界上最先進(jìn)的快速連接頭。

1.3.2 運(yùn)輸?shù)跹b裝備

應(yīng)急救援運(yùn)輸?shù)跹b裝備主要是用來運(yùn)輸、吊裝大型救援裝備到指定地點(diǎn),減少人工搬運(yùn),提高時效的機(jī)械裝備。主要有平板車、無軌膠輪車、履帶運(yùn)輸車、絞車提升、起重機(jī)械等,在煤礦搶險救災(zāi)中運(yùn)輸?shù)跹b裝備可攜帶潛水泵,能有效解決人工搬運(yùn)帶來的困難,實(shí)現(xiàn)快速移泵到指定位置,大幅降低勞動強(qiáng)度,節(jié)省救援時間,提高救援效率。

1.3.3 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)一般由開關(guān)柜、變壓器、軟起動和配電線路等共同構(gòu)成,分為地面配電系統(tǒng)和井下配電系統(tǒng)。地面配電系統(tǒng)在地面合適位置設(shè)應(yīng)急強(qiáng)排配電室,應(yīng)急強(qiáng)排配電室內(nèi)設(shè)高壓開關(guān)柜,采用高壓開關(guān)設(shè)備或軟啟動裝置供電;井下配電系統(tǒng)從井下變壓配電所引兩回低壓電源,采用閥門電控裝置供電。

2 目前存在問題

結(jié)合近年來發(fā)生的幾起重大水害事故救援情況,水害事故救援設(shè)備及技術(shù)有了較大的提高和發(fā)展,但遠(yuǎn)不能滿足目前復(fù)雜多變條件下的安全救援需求,更不能滿足礦山安全條件發(fā)展變化的需要,存在的主要問題如下:

(1)應(yīng)急排水裝備重量重、體積大,運(yùn)輸、系統(tǒng)安裝困難,耗費(fèi)大量時間,造成應(yīng)急救援追排水延誤。在應(yīng)急排水救援過程中,除了要具備穩(wěn)定、良好的排水能力,還應(yīng)保證設(shè)備下得去、移動跟得上、部件裝得快。我國中小型煤礦斜巷斷面尺寸僅2 m×2 m 左右,拐彎處允許通過的長度不超過4 m,救援時,可用運(yùn)輸及安裝空間更為有限,多數(shù)情況下缺乏機(jī)械化、自動化的運(yùn)輸與移泵裝備,多為人力運(yùn)輸與追水移泵,極大影響了整體救援速度,降低了救援效率[8]。

(2)排水裝備在復(fù)雜嚴(yán)苛環(huán)境下適應(yīng)能力差、可靠性低、使用壽命短。應(yīng)急救援潛水設(shè)備技術(shù)要求高,從參數(shù)計(jì)算(電磁、水力、壽命等)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、到制造工藝技術(shù)專業(yè)化等要求都較高,特別是潛水電機(jī)技術(shù)和機(jī)泵配合技術(shù),需要長期的技術(shù)研究和經(jīng)驗(yàn)積累,同時還需真機(jī)試驗(yàn)才能保證其安全可靠性。但我國潛水電泵生產(chǎn)企業(yè)只有少數(shù)幾家具備此能力,且能力參差不齊。

(3)排水救援裝備在不同環(huán)境下的配套與適用性不足。隨著對排水揚(yáng)程需求的增加,揚(yáng)水管安裝長度增加,對揚(yáng)水管安裝要求及管路強(qiáng)度要求隨之增加,開發(fā)新型材料揚(yáng)水管,使之既能承受大的壓力又能承受自身重量,切運(yùn)輸方便、安裝快捷,是個迫在眉睫的新課題。同時,排水救援裝備尚未實(shí)現(xiàn)系列化,各救援中心和生產(chǎn)企業(yè)儲備的多是中大型設(shè)備,針對中小煤礦小型化、實(shí)用性強(qiáng)的救援設(shè)備儲備并不完備[9]。

(4)應(yīng)急救援排水裝備自動化差,智能化程度低。應(yīng)急排水裝備技術(shù)研發(fā)難度大、要求高、耗時耗力、成果緩慢、市場小。企業(yè)研發(fā)積極性不高,使得排水救援一直依賴生產(chǎn)電泵的發(fā)展,缺乏救援專用裝備的研發(fā),普遍存在自動化差、智能化程度低的問題。比如,潛水電泵的啟動和控制尚無法實(shí)現(xiàn)根據(jù)水情變化自動啟停、故障自動報(bào)警、遠(yuǎn)程控制等;同時,對自身工作狀態(tài)、內(nèi)部溫度等自行監(jiān)測和故障反饋功能較差,發(fā)現(xiàn)故障時設(shè)備一般已報(bào)廢[10]。

(5)科學(xué)有效地安裝、使用、檢驗(yàn)與維護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系尚未有效建立。目前,針對生產(chǎn)用的潛水泵產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要執(zhí)行GB/T3836—2021《爆炸性環(huán)境》用設(shè)備防爆要求系列標(biāo)準(zhǔn)、GB/T12173—2008《礦用一般性電氣設(shè)備》、GB/T2816—2014《井用潛水異步電動機(jī)》、MT/T671—2005《煤礦用隔爆型潛水電泵》等。部分標(biāo)準(zhǔn)多年未修訂,不滿足技術(shù)現(xiàn)狀發(fā)展要求。同時,應(yīng)急救援排水設(shè)備的安裝、使用、檢驗(yàn)與維護(hù)規(guī)范沒有明確要求,也缺乏相關(guān)規(guī)定,無法指導(dǎo)裝備生產(chǎn)企業(yè)、應(yīng)用單位開展工作。

3 發(fā)展趨勢及建議

綜合分析應(yīng)急排水裝備現(xiàn)狀、研究、以及救援過程中存在的問題,對我國煤礦應(yīng)急救援排水設(shè)備發(fā)展趨勢建議如下:

(1)針對工況復(fù)雜多變的特殊環(huán)境,應(yīng)急救援排水設(shè)備未來發(fā)展趨勢應(yīng)該是輕量化、模塊化、系列化的成套設(shè)備,應(yīng)保證不同礦井、不同工況能下得去、裝得上、排得出、跟得緊,用得久。

(2)目前,應(yīng)急救援排水設(shè)備比較笨重,在追排水過程中移動困難,因此,輕型化設(shè)計(jì)是提高救援效率和研發(fā)重點(diǎn)方向之一。應(yīng)急救援初期投入使用的應(yīng)急潛水電泵應(yīng)輕量化,建議流量100～300 m3/h;揚(yáng)程100～400 m。水患后礦井水構(gòu)成復(fù)雜,隨水位變化含有的泥沙量不同,含有的酸性物質(zhì)濃度也不同,且變化很大,電泵必須能夠輸送p H 值4～9、水中固體物質(zhì)體積不低于3%的復(fù)雜介質(zhì)。除進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化外,應(yīng)急潛水電泵必要時可選用特殊材料、高強(qiáng)度材料。

(3)介質(zhì)適應(yīng)能力過低,只能適應(yīng)固體顆粒體積濃度4%以下甚至更低的水質(zhì),造成泵過流部件磨損過快,泵水力性能下降,水泵效率大幅降低引起電機(jī)超載進(jìn)而燒毀電機(jī),因此,設(shè)備可靠性還存在較大問題,提升空間較大。

(4)加快大流量、高揚(yáng)程排水裝備的研發(fā)。隨著煤礦開展向深發(fā)展,對于大流量、高揚(yáng)程排水裝備需求較為突出,可嘗試將變頻、同步電機(jī)等技術(shù)應(yīng)用在應(yīng)急排水救援裝備上。

(5)目前,搶險救援設(shè)備智能化程度還比較低,因此,自動化、智能化是其發(fā)展的一個必然趨勢,自動控制、故障報(bào)警、故障診斷與預(yù)測、遠(yuǎn)程控制等是重要的發(fā)展方向。

(6)進(jìn)一步研究礦用應(yīng)急救援潛水電泵的試驗(yàn)裝置、檢驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法,指導(dǎo)救援潛水電泵生產(chǎn)及驗(yàn)收。

(7)輕量化的應(yīng)急救援潛水電泵,煤礦生產(chǎn)部門或救援部門應(yīng)儲備充足并維護(hù)保養(yǎng),隨時處于應(yīng)急搶險狀態(tài)。

在大力發(fā)展煤礦應(yīng)急救援排水裝備的同時,不斷加強(qiáng)礦山應(yīng)急救援人員的培訓(xùn),熟練掌握相關(guān)裝備的應(yīng)用操作,提高應(yīng)急救援綜合能力,切實(shí)提升水害搶險救援整體效能。