倾斜井巷追排水系统及关键技术研究

摘要

随着煤炭消耗量的增加，煤炭行业逐渐向深井方向发展，引起煤矿水灾事故的频繁发生。现有的救援排水设备不能在黄金救援时间内很好地发挥作用，因此必须逐步完善救援设备、优化排水救援方案，提高抢险排水效率。
　　本文是以多起典型煤矿透水救援案例为背景，瞄准煤矿倾斜井巷透水工况，设计和研究一套追排水系统。在排水车样机系统上，对系统关键技术的各项性能进行理论、仿真和试验研究，并结合试验及实际工况进一步拓展和完善排水车的追排水系统。
　　完成排水车的车架平台、轨道和履带行走机构、水泵起吊系统的装配。利用Ansys对排水车进行静力学仿真分析，仿真工况分为履带行走和轨道支撑牵引行走。由变形位移、应力及模态仿真结果得出：设计和装配的排水车在两种工况下的变形和应力满足使用条件；整车与外激励不会发生共振。与此同时，制定了煤矿倾斜巷道下的追排水方案和排水管道系统方案，包括扬程较大直接排水至地面的单泵排水、扬程较大直接排水至地面——多泵排水、扬程小于50米倒排水，以及追排水过程中的管道延伸方案。
　　利用动力学仿真软件RecurDyn对排水车履带行走进行模拟。首先对履带行走运动学理论进行研究，基于Bekker理论推导主动轮的驱动力及力矩、车的行驶阻力以及牵引力。再重点分析排水车低速转向的动力学，进行转向时牵引力的理论研究。最后对平地直行、300坡道爬坡、单侧转向及双侧反向转向、越障及跨沟进行仿真。通过输出履带片1与主动轮的接触力、主动轮驱动力矩、履带与地面作用力、履带片1与各轮滚动接触力、履带片1的张紧力，进行排水车各工况的运行可行性及可靠性分析。由仿真结果得出：直行及300坡道行驶平稳；单、双侧转向最大平面直径为3.43m、2.695m；排水车可跨越600mm高的单侧障碍物，跨越900mm宽的凹沟。
　　对排水车进行模拟现场试验，试验目的为：履带行走、轨陆切换、履带车与水泵配合、排水车追排水。由试验可知：轨道支撑行走系统运行平稳且不会出现倾翻和软腿现象；水泵与车的搭建效率高，起吊平稳且固定可靠，水泵起吊高度可达500mm，水泵前后可形成最大300倾角；履带行走机构在沙土地面可平稳实现前行、倒退、转向和爬坡，而且可以携带水泵进出1m深的水池完成追排水；试验中配备的蝶阀和逆止阀密封性高，管道延伸时上端水流不会泄露。
　　根据现场试验总结的不足，进一步完善以提高追排水的速度和效率。在电控液压系统的基础上安装防爆柴油机实现双动力源行走，提高了排水车履带行走的灵活性；设计一套排水管道法兰辅助连接装置，实现法兰管道的快捷连接；设计一种排水管道位移逆止阀，随着管道的延伸在钢丝编织管内移动，提高了排水管道延伸的效率。
　　本课题的研究是基于“十二五”国家科技支撑计划重点项目——《煤矿透水快速救援排水设备研究与开发（水陆两用移动式排水系统）》2013BAK06B02。