天津大學(xué) 管理學(xué)院 蔣 猛

河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心

河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心 李 瑋 陳 棟 李志豪 薛雅娟 吳莉娜

大功率潛水電泵運(yùn)用模式探討及應(yīng)用

天津大學(xué) 管理學(xué)院 蔣 猛

河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心

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一、研究背景

1976年我國(guó)向西德里茨（Ritz）公司采購(gòu)一批功率為800～1 600 kW的大型礦井用潛水電泵，并采取技貿(mào)結(jié)合的方式部分引進(jìn)大型礦用潛水電泵的制造技術(shù)。但是，引進(jìn)后發(fā)現(xiàn)，這種大型礦用潛水電泵存在一個(gè)功能性缺點(diǎn)，即要求淹沒深度很深。水泵具有上吸入口和下吸入口，匯流后從最上端的吸入吐出體出水口排出。為了保證水泵的進(jìn)水條件，最低吸入水位必須高于設(shè)置在水泵最上端的上吸入口0.8～1.0 m，因此要求大型礦用潛水電泵的淹沒深度H必須為：

式（1）中，h為大功率潛水電泵總長(zhǎng)度，H0為吸入口安全高度。

常用潛水電泵的總高度為7～12 m，揚(yáng)程越高，h越大，這一運(yùn)行模式適用于井底水窩較深的大型煤礦，也適用于大江大湖的高揚(yáng)程取水。但如果井底水窩不夠深時(shí)，該類潛水電泵只能將水排至距井底H高的位置。而殘留水位過高，將導(dǎo)致被淹泵房難以暴露，人和設(shè)備難以進(jìn)入，泵房難以恢復(fù)，礦井難以恢復(fù)生產(chǎn)。其運(yùn)行方式如圖1所示。

同時(shí)，引進(jìn)的大功率潛水電泵在結(jié)構(gòu)上只適合立式安裝，難以解決斜井開拓大涌水量礦井的排水復(fù)礦問題。此外，如果斜井開拓大涌水量礦井沒有軌道或者斜井巷道塌方嚴(yán)重，則該水電泵將會(huì)難以潛入水中而影響使用。因此，需要對(duì)潛水泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)新的應(yīng)用模式。本文，筆者對(duì)此進(jìn)行了探討。

二、接力排水系統(tǒng)的開發(fā)與發(fā)展

1.軸流式接力泵及其接力排水系統(tǒng)。引進(jìn)國(guó)外潛水電泵的最低淹沒深度在8.5～15.4 m，從式（1）可以看出，由于大型礦用潛水電泵要求如此大的淹沒深度，因此在很大程度上限制了自身的使用范圍和功能的發(fā)揮。為了復(fù)礦排水，要求最低殘留水位越低越好，以便排水終結(jié)時(shí)可以暴露出主坑道，而且，還要求要能夠進(jìn)人、進(jìn)設(shè)備，這一安全高度為0.8～1.2 m。為此，20世紀(jì)80年代，人們開出大型潛水電泵+密封吸罩+全貫流式潛水軸流泵的接力排水系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖2所示。

接力排水系統(tǒng)推出后，在礦山搶險(xiǎn)排水中發(fā)揮了重要作用。借助該系統(tǒng)，在多次搶險(xiǎn)排水中，最低殘留水位降到了0.5 m，使多次礦山搶險(xiǎn)排水中得以成功復(fù)礦。但是，這種接力排水系統(tǒng)在使用中也暴露出了一系列功能和技術(shù)上的缺陷。例如，系統(tǒng)接力泵采用軸流泵水力模型，與主潛水泵性能匹配性差，容易出現(xiàn)超功率和關(guān)死點(diǎn)現(xiàn)象，引起系統(tǒng)振動(dòng)和電機(jī)過熱，使得系統(tǒng)可靠性降低，運(yùn)行很不安全；電機(jī)繞組線在水壓作用下，絕緣迅速下降，系統(tǒng)一次潛沒水深度受到很大限制（廠家建議≤11 m），使得聯(lián)合排水系統(tǒng)不能一次安裝到位，需要多次安裝追排水，對(duì)于大涌水量礦井，安裝費(fèi)用和運(yùn)行電費(fèi)耗資巨大，同時(shí)也貽誤了搶救遇險(xiǎn)礦工的最佳時(shí)機(jī)。因此，迫切需要研制新型接力排水泵，提高其運(yùn)行可靠性。

2.混流接力潛水電泵及其接力排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用新型充油式可深潛的混流接力潛水電泵，并與大功率潛水電泵組成接力排水系統(tǒng)，可以解決原接力排水系統(tǒng)可靠性低的問題。該接力潛水泵的優(yōu)點(diǎn)是適用于大淹沒深度下的安全運(yùn)行，電機(jī)為內(nèi)充油式、壓力自平衡。并且，在流量、揚(yáng)程變化范圍大的情況下，接力泵不超功率，可以安全、高效地運(yùn)行（吸水罩無需開天窗泄流）。這種混流接力泵性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)無故障運(yùn)行時(shí)間達(dá)6 000 h。河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心應(yīng)用該泵，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間為900 h。

三、超大功率潛水電泵的斜置排水技術(shù)

1.技術(shù)背景。對(duì)于淹沒的斜井開拓礦井，當(dāng)其涌水量小于250 m3/h，可以采用臥泵跨步追排水進(jìn)行復(fù)礦，也可以采用小潛水泵群泵追排水復(fù)礦。目前，國(guó)內(nèi)200 kW以下多級(jí)潛水泵設(shè)計(jì)工況均是立式安裝運(yùn)行。作為搶險(xiǎn)救災(zāi)可以將其臥式安裝運(yùn)行，但運(yùn)行的可靠性較低，易出故障。小涌水量被淹礦井采用多泵并聯(lián)的方法，來增加可靠性可以成功排水。對(duì)于涌水量大于250 m3/h的斜式礦井，采用以上方式排水復(fù)礦，不僅代價(jià)昂貴，成功概率也很降低。為此，河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心開發(fā)出了臥式大功率潛水電泵并組成斜置排水系統(tǒng)。

2.斜置排水裝置的研制。針對(duì)目前我國(guó)僅有的550 m3/h、1450 m3/h兩種大功率高揚(yáng)程排水模型，并考慮礦井一般開拓深度在300 m左右，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了HKQB-1600-1450/300臥式潛水泵。

HKQB-1600-1450/300潛水泵加接力泵、吸水罩，主機(jī)自重16 t，長(zhǎng)達(dá)13 m。按斜角30°，管子斜長(zhǎng)將達(dá)600 m，系統(tǒng)自重達(dá)130 t，水錘力可達(dá)114 t，系統(tǒng)最大載荷319 t。因此，必須重新驗(yàn)算電機(jī)推力軸承、導(dǎo)軸承、定子、轉(zhuǎn)子在臥式運(yùn)行時(shí)的剛度和強(qiáng)度，對(duì)薄弱構(gòu)件重新選擇材質(zhì)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，改善其結(jié)構(gòu)性能，以滿足臥式運(yùn)行工況要求。

3.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)例。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造完成后，在湖南某礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。該礦正常涌水量為2 700～4 500 m3/h，二水平暗斜井排水，在排水中也曾經(jīng)遇到過挫折，但是主井主泵HKQB-1600-1450/300安全運(yùn)行13 000 h，標(biāo)志著逆止閥臥式改造成功。

四、大功率潛水電泵的非潛水運(yùn)行模式

1.問題的提出。筆者在排水復(fù)礦實(shí)踐中遇到了多起斜井軌道被拆除或被洪水沖毀的情況，同時(shí)礦井涌水量較大并伴隨煤泥淤積和掉渣現(xiàn)象。例如，河南某煤礦淹沒已達(dá)3年，淹沒時(shí)軌道被拆除，并有多處落渣現(xiàn)象，現(xiàn)在需要排水復(fù)礦，其涌水量達(dá)400 m3/h。礦井為斜井開拓，井筒斷面的限制決定了采用大功率臥泵追排水難以實(shí)現(xiàn)，較大的涌水量和較高的揚(yáng)程（290 m）決定了小潛水泵群泵追排水的低可靠性和高復(fù)雜性，因而應(yīng)當(dāng)嘗試大功率潛水電泵的適應(yīng)性運(yùn)行模式。

2.系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)礦井實(shí)際，筆者設(shè)計(jì)了一種大功率潛水電泵的非潛水運(yùn)行模式，系統(tǒng)的運(yùn)行模式如圖3所示。

吸水罩與接力泵之間采用Ф200軟管連接，接力泵為充油式混流接力泵，隨著其揚(yáng)程增加而流量減少，變化較急，但功率變化較少，揚(yáng)程可調(diào)范圍較大。浮子浮力為1.5 t，足以支撐接力泵運(yùn)行時(shí)漂浮在水面上。

從圖3可以看出，大功率潛水電泵通過軟管與接力泵相連而分離布置，接力泵漂浮于水面上吸水運(yùn)行，避免了沉積物吸入水泵而損壞潛水泵。體積大、重量重的主潛水泵處于非潛水運(yùn)行狀態(tài)，便于吊裝維護(hù)移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)邊排水、邊鋪設(shè)軌道、邊維護(hù)巷道。同時(shí)，也避免了大功率潛水電泵下放或運(yùn)行時(shí)，因發(fā)生掉道及遭遇障礙物等而造成的損失。