全自动反冲洗刮泥机系统的设计与实现

孙博　郭毅军　刘炜　张建龙　王新社　倪杰钶　叶健

关键词：矿井水污水处理;调节池;吸泥机

在煤矿生产过程中，通常需要将井下矿井水集中处理，达标后排放。矿井水经过格栅机后流入调节沉淀池，静置沉淀后，沉淀池底部含有大量煤泥，需要及时将其抽取排出池外[1]。一般在调节池中设有刮泥机，位于调节池的可移动桁车上，功能是将沉淀的煤泥集于一处，而后通过吸泥管将煤泥抽排出，但常常因为池底沉积情况严重，致使吸泥管堵塞，严重影响正常生产。因此，需要对现有的刮泥机进行改造。

1 原吸泥机系统结构及其工作原理

吸泥机系统为长20.0 m、宽8.0m、高7.0m的混凝土构筑物，安装于矿井水初级调节池中。两侧设有宽度为0.5 m、深度为0.8 m的污泥槽，长度与调节池相同，主要用于收集吸泥机在行走过程中抽采出来的淤泥[2]。

原吸泥机系统如图1所示。吸泥结构由5个部分组成：行走桁车及其钢结构平台、污泥泵、断面为菱角型淤泥收集刮板器、污泥泵的出口和入口管路、控制桁车和污泥泵的电气部分。其中，行走桁车及其钢结构平台横跨于调节池上，桁车两端设有滚轮，调节池两边的混凝土围堰铺设轨道，供桁车行走。平台安装行走电动机、污泥泵及电气控制柜[3]。污泥泵从池底部4根毛细支管吸入淤泥，汇聚到总管，然后经污泥泵抽出排放于调节池两侧的污泥槽中;污泥泵的吸入口为一根DN50的水平主管道，在靠近池底位置分成4根DN20的支管进行吸泥，间隔30cm。

控制桁车行走电机，电机正转，桁车行走电机自调节池头开始缓慢行驶，直到调节池的尾部[4];电机反转，桁车从调节池尾部返程行至调节池头部。在行走过程中，污泥泵打开，池底淤泥在刮泥板的遮拦下汇入挡泥板的凹形槽部，毛细支管从该处将淤泥抽采送入排泥管道。桁车往复运动，吸泥机系统完成池底淤泥的抽采工作[5]。

污泥泵型号为65ZW40-25-7.5，工作过程均采用手动操作模式，时常发生支管堵塞，严重影响正常生产[6]。因此，本研究提出了一种可自动反冲洗的吸泥机系统。

2 改造后的新系统方案

2.1 吸泥机系统本体结构改造

（1）原进口管道是一根主管深入水中，在池底附近位置分成4根支管進行吸泥，堵塞难以疏通[7]。新系统将吸泥支管与主管的连接横管抬升至桁车平台下、水面上的位置，在各个分支管上端口添加法兰连接式的电动阀门，支管伸入水池底部刮泥器处。

（2）在污泥泵入口前端安装电动阀，电动阀与三通管的一个管口连接，其余两个管口，一个向下深入池中与毛细支管的分散横管相连[8]，另一个通过电动阀与反冲洗管路相连，水源取自调节池上部清水，如图2所示。另外，在污泥泵的出口主管道上安装流量计，用于计量工作过程中的瞬时排泥量[9]。

2.2 设备参数计算与选择

2.2.1 设计依据

矿井正常涌水量QZ=33 m³/h，测地高度HC=14.0 m，干管倾斜敷设时的倾角α=90°。

2.2.2 污泥泵参数选择

（1）工作泵必要的排水能力。根据《煤矿安全规程》规定，工作泵在20 h内排出矿井24 h的正常涌水量，如式（1）：

根据计算的Q_B、H_B和d_P，从水泵技术规格表中选取水泵型号。原水泵型号为65ZW40-25-7.5，其中，ZW表示自吸式污泥泵，65表示泵体连接管道的管径尺寸为DN65，40表示流量，25表示扬程，7.5表示配套电动机功率。

显然，原污泥泵的选择有误。首先，管径过小，根据水泵选型手册，主管路选择DN80、分支管路选择DN32-40比较合理;由于水泵出口是敞口，直接排到污泥槽无需多大压力，按水泵最低基本压力选择16 kPa;电动机功率选择5.5 kW就可以满足要求。

因此，改造型号为80ZW40-16-5.5即可满足工艺需求。

2.2.3 反冲洗泵的选型

反冲洗泵取池中上层清液，桁车平台距离液面1.5 m。泵体安装在平台上，流量按20m³/h考虑，再加上阀门、弯头等压力损失以及管路堵塞等，扬程最小为16.0m即可满足要求。因此，选择型号为80DW20-16-5.5。

2.2.4 电气控制回路要求

电源回路共有15条：行走电机5.5 kW 1条、两台污泥泵7.5 kW 2条、实现正常工作与反冲洗大口径电动阀回路4条、实现支管区别反冲洗回路8条。

每台设备分别设就地手动/远程自控转换开关1个、启动/停止各1个。其中，行走电机回路考虑正向启动/反向启动各1个，停止控制回路公用。

3 控制策略

在正常生产过程中，切入自动状态，桁车从池头移动到池尾，污泥泵自启动，开始排泥。桁车行走电机运动到池尾后触及行程开关，控制回路自动切换电动机反转，桁车返回，直至触及池头限位停止[10]。定时等待（参数可设定）再次运行，周而复始，完成排泥工作。

污泥泵管道出口设有流量计，实时计算平均排泥量[11]，当流量低于正常工作固有流量时（该值可软件设定），回差可在线设定，判断出现堵塞状态，关闭该泵的主干路阀门，连通反冲洗泵管路阀门，依次打开分支管路的1^#电动阀，关闭2^#、3^#、4^#电动阀，启动反冲洗泵。延时（时间可设定）反冲洗。时间一到，关闭1^#、3^#、4^#阀门，打开2^#阀门，依次类推，进行反冲洗疏通。若反冲洗管无法疏通，需停机将法兰连接的短管拆开，人工疏通。该控制柜安装在桁车上，电源电缆与通信电缆沿钢丝绳折叠移动。各个设备的操作按钮均置于柜体表面，柜体中有可编程序控制器，实现上述控制策略[12]。预留通信接口，方便与网络连接，将设备的运行状态上传至上位计算机，同时可以在上位计算机上修改各种运行参数，并能对故障进行报警记录。

控制流程如图3所示。

4 结语

提出了一种带有反冲洗装置的矿井水吸泥机系统改造方案，并对参与设备进行了选型计算，有效解决了原有吸泥机系统的管路堵塞问题，彻底实现了设备自动化，提高了生产效率，降低了劳动强度。该装置在陕西陕煤韩城矿业公司下峪口矿矿井水处理厂应用，实践结果表明，提出的方案正确可行。