煤矿井下主排水系统水仓自动清淤、水位分级联动与排水泵房无人值守防淹实操指南

井下主排水系统，说白了就是矿井的“肾”：水仓是蓄水池，泵房是心脏，管路是血管。煤矿安全规程对它的要求写得很死：水泵必须分工作、备用、检修三类，工作泵能力要在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量，工作加备用泵要在20小时内排出最大涌水量，水仓还要有主仓、副仓两个独立单元，能轮换清理。条文谁都背得出，现场最容易出问题的恰恰是条文之外的三件事。

第一件，水仓淤积看不见，库容是“纸面库容”。 西北某年产300万吨矿井，主仓设计容积4200立方米，副仓3800立方米，图纸上两仓合计8000立方米，按正常涌水量420立方米每小时折算，能装19小时。2024年雨季前机电科派人下去用测深杆量，主仓平均淤积深度1.9米，仓底煤泥与泥岩粉混成的淤泥层足有2300立方米，有效库容只剩5700立方米上下，折合13.6小时。账面上是19小时的缓冲，实际只有13小时多一点，一旦遇到一次工作面老空水突然下泄，缓冲时间被吃掉近三成，泵房值班员连判断的时间都不够。

第二件，清仓是一场“两周以上的硬仗”，所以大家都拖着不清。 传统清仓靠人工：把一个仓放空，用高压水枪把淤泥冲到仓底吸泥口，再用清泥小车一斗一斗往外拉。这矿上一次清理主仓，副仓顶着全矿排水，整整21天，每班6个人，淤泥拉运上百车，副仓单仓运行期间一旦赶上突发涌水，全矿就只剩半个“肾”。更要命的是水仓放空作业，仓内有硫化氢、甲烷积聚的风险，每次清仓都要办有限空间作业票，一年能清一次就算顶格，大部分矿拖到第二年。淤泥越攒越厚，下一次越难清，成了恶性循环。

第三件，水位计不可靠，泵房“无人值守”变成“无人负责”。 不少矿的水位检测还是投入式压力传感器加浮球开关两套老设备：压力传感器泡在含煤泥的水里，三个月探头就被糊住，零点漂移几十厘米；浮球开关被煤泥缠住卡死，水位涨到警戒线却不动作。某矿曾经出现过一次“假低水位”：真实水位已经升到警戒线下20厘米，监控画面上水位却只显示在中位，泵房值班员没有开第二台泵，幸亏巡检工恰好路过，用手电一照才发现水已逼近泵房入口配水巷。那一次距离水淹泵房，只差不到半小时。

三个问题搅在一起，结论很清楚：水仓必须有“清得动、清得勤”的自动清淤手段；水位必须有两套以上原理不同的检测手段互相校验，并按水位分级自动联动；泵房要敢于无人值守，前提是出事时最后一道防线能靠设备自己守住。无人值守泵房的启停与避峰填谷细节，可以参阅煤矿主排水系统无人值守与避峰填谷、防水锤联合控制指南，泵体气蚀与水锤的专门治理见井下主排水泵无人值守水锤与气蚀治理指南。本文只讲水仓清淤、水位联动和泵房防淹这三块。

自动清淤的关键，是不放空水仓、不让人下仓。淤泥在仓里是一层半流塑状的煤泥，含水率55%到70%，颗粒中值粒径约0.04毫米，煤泥占六成，其余是泥岩粉、黄铁矿细粒和少量支护喷浆渣。这种东西用普通清水泵抽不动，一抽就堵；用绞吸或刮板方式搅起来，再配合渣浆泵输送，才能连续作业。

如图1所示，一套完整的水仓清淤系统由四个部分串联：仓内的履带式水下清淤机器人，负责在仓底松动并集中淤泥；机器人尾部连着的潜水渣浆泵，负责把含固量20%到35%的泥浆抽走；沿巷道敷设的排泥管路，把泥浆送到井底煤泥沉淀池；沉淀池后面的小型压滤机，把泥浆压成含水率不高于28%的泥饼，由矿车拉走。

机器人本体长1.9米、宽1.1米、高0.8米，自重1.6吨，履带接地比压不超过6千帕，在松软淤泥表面不会陷车。前端绞刀盘直径0.9米，转速在40到120转每分钟可调；顶部有超声波成像声呐和两台防爆摄像头，操作员在水仓外的操作台上，凭声呐图像遥控机器人走位。机器人以水仓长度方向为轴往复作业，每行进1.2米下刀一次，清淤厚度每遍约0.25米，三遍清到仓底硬面，不会伤及混凝土底板。

下面这张表是该矿清淤系统的核心参数，也是选型时必须逐项对账的东西：

做这套系统，最容易被忽略的是排泥管的流速。矿上第一次试车时，渣浆泵没问题，管子却三天里堵了两次，拆开一看，管底沉着一层五六厘米厚的煤泥。原因是为了省电，值班员把泵频率调低到38赫兹，流速降到1.5米每秒，低于临界值，颗粒就在管底滑动沉积。后来在变频器里把最低频率锁在44赫兹，流速保持在2米每秒以上，再没堵过。这就像下水道，水流太慢，脏东西自然会沉底，省电省出来的是堵管停机。

自动化的另一半，是把清淤作业写进水位联动的逻辑里：机器人入仓清淤，要求仓内水位不低于1.3米，同时汛期禁止清淤。程序在排水自动控制系统里设置“清淤许可”条件，只有当副仓处于正常水位、主排水泵至少两台完好备用、当天无强降雨预警时，才允许机器人下仓。条件一旦不满足，机器人会自动停止绞刀并抬离仓底。主仓清淤时副仓承担全部排水，副仓清淤时反过来，两个仓永远不会同时处于“半个肾”的状态。

水位计是排水系统的眼睛。这个矿的做法是主副仓各装三套不同原理的水位检测：一台雷达水位计，安装在仓顶正上方，量程0到8米，精度正负3毫米，不接触水面，不怕煤泥；一台投入式静压水位变送器，放在仓内导流管里，作为第二路校验；再加一组四点位的磁翻板液位开关，只在极限高低水位处动作，当作最后的保底。三套数据进入PLC做三取二表决：任意两路偏差超过8厘米，系统立即报“水位计偏差”故障，并且自动以雷达读数为准，同时通知维修人员，彻底解决了“一个探头糊住就全盘失明”的老毛病。

有了可靠的水位，才谈得上分级联动。这个矿把主仓水位划成五级，每一级对应不同的动作，不靠人“看着办”：

这张表背后有两个设计取舍。其一，避峰填谷不能以牺牲安全为代价。矿上执行的峰谷电价差达到0.62元每度，一台MD450-60×9型多级离心泵电机功率达到1000千瓦，平段一小时电费就是几百元。控制逻辑写成“水位在二级以下才让避峰，三级以上无条件抢排”，电价永远排在安全后面。其二，各级之间要有回差。如果三级报警定在3.4米、恢复也定在3.4米，水位在3.4米上下抖动时备用泵会一开一停，电机每小时启动两次以上，接触器和软启动器都扛不住。这个矿给每一级加了0.3米的回差，水位回落到3.1米以下才允许备用泵停机，设备寿命明显延长，水泵电机全年启动次数从1900多次降到不足700次。

水位分级联动真正考验的地方，是在水位还没到警戒线时就已经看出趋势。系统会同时计算水位上升速率，单位是厘米每分钟。如果主仓水位上升速率超过4厘米每分钟，哪怕水位才刚到二级，也直接按三级处理，提前拉起备用泵。道理很朴素：水位涨得慢，说明是正常涌水；涨得这么快，多半是采空区或断层突然来了水，这时每多等一分钟，就少一分钟的退路。

如图2所示，雷达水位计的安装位置有讲究。探头距仓壁不能小于0.5米，否则仓壁回波会让读数跳；正下方不能有进水口的落水冲击，要不然水面起浪，读数上下乱晃。这个矿在雷达探头下方加装了一根直径300毫米的不锈钢导波管，水面在管里相对平静，读数稳定在正负3毫米之内。

无人值守不是把人撤走，而是把“人的判断”提前写进设备。泵房最怕两种淹法：一是水仓水位失控，倒灌到泵房；二是泵房自身的设备故障，比如排水管路崩裂，大量喷水淹没电机。第一种靠前文的水位分级联动，第二种靠泵房内的集水坑、排水沟和防淹门。

泵房地面比水仓配水巷口低0.8到1.5米，这意味着一旦水位失控，水是往泵房灌的。这个矿在泵房与配水巷之间设有一道防水密闭门，整套液压驱动，关门时间不超过35秒，关闭后能承受1.5兆帕的静水压力。正常情况下门处于开启状态，由两路独立信号控制：一路来自水位五级报警，一路来自泵房内的漏水检测传感器。任意一路动作，门都自动关闭，同时井下广播响起，并切断泵房内非防爆设备的电源。

如图3所示，泵组出口的电动闸阀、止回阀和压力变送器是发生故障时最先出问题的地方。水位联动系统每次启泵前，都会先检查出口闸阀的开度反馈，闸阀没有打开到位就不允许启泵，否则憋压会损坏泵体。这个矿曾经有一次，闸阀电机减速箱卡死，没人发现，泵启动后出口压力直冲到6.8兆帕，高压软管爆裂，是止回阀和压力保护联锁停泵才保住设备。

遇到涌水突增或泵房异常时，现场按下面五步处置，每一步都有明确的责任人和时限：

• 第一步：水位上升速率超过4厘米每分钟，确认涌水来源
  调度员看到趋势报警后，30秒内调出主仓雷达水位、泵组电流和各采区水沟流量曲线，对照判断是工作面来水、老空水还是排水管路回流；同时电话通知涌水采区的区队长，要求带班队长在5分钟内汇报现场水量变化。
• 第二步：手动或自动将泵组切换到全开模式
  系统在三级预警位已经自动启动备用泵，调度员核对检修泵是否处于“可用”状态，若检修泵处于检修中，立即要求机电科值班人员30分钟内回装试车；三台泵全开后，排水管路流速不得超过2.5米每秒，防止水锤。
• 第三步：检查泵房漏水与防淹门状态
  派两名机电巡检工穿戴好正压呼吸器，由未受水淹威胁的通道进入泵房，核对集水坑液位、地面积水深度和防淹门开关状态；地面积水超过15厘米时，不得进入泵房，只能在远端通过摄像头查看。
• 第四步：水位达到四级危险位，启动采区撤人与分区限水
  由矿值班领导下令，涌水采区立即撤人，关闭相关水沟节流阀，把不必要的井下用水（如洒水降尘、注浆冲洗）全部停下，减少进入水仓的水量。
• 第五步：水位达到五级淹泵位，防淹门自动关闭并启动全矿撤离预案
  防淹门关闭后，泵房内设备无法继续运转，此时应由矿长直接下达撤离命令，利用副井和风井同时升人，同时通知地方应急管理部门与上级救援队伍。事后复盘时，要把当时的水位曲线、泵电流曲线和操作日志完整封存。

这套五步法，本质是让每个人在最紧张的时候只做一件事。人在慌乱时会漏步骤，所以每一步都对应一个确定的触发条件，不需要凭感觉。

清淤系统设计之前，最好先把淤泥拿到实验室去验一验。这个矿在2024年春季，从主仓不同位置取了6个淤泥样，送到矿务局的实验室做沉降和流变测试。

如图4所示，实验室里对比了三个指标。一是淤泥含水率，用烘箱105摄氏度烘干24小时后称重，6个样品含水率分布在57%到68%，越靠近进水口越稀，越靠近仓尾越稠；二是粒径分布，用激光粒度仪测定，小于0.075毫米的细颗粒占比达到71%，这就是为什么不加絮凝剂沉淀池要放几十个小时才能清；三是沉降试验，在1000毫升量筒里加入阴离子聚丙烯酰胺，掺量从2毫克每升到10毫克每升分五档试验，记录上清液界面下降速度。

从这张表看，选8毫克每升比较合算，再往上加药，澄清效果几乎不涨，白白浪费药剂。现场加药泵会根据管路上的浊度计反馈自动调量，浓度高多加，浓度低少加，把药耗控制在每立方米泥浆0.9克左右。

水位计校验同样需要“实测对账”。每季度由机电科的校验员带一把经过计量检定的激光测距仪，到仓顶检修口，在不同水位下同时读雷达水位计、静压变送器和激光测距仪三个数，三者偏差不得超过10毫米。这个矿第三季度校验时发现副仓静压变送器偏差达到42毫米，拆下来检查发现是传感器膜片被煤泥糊住，换新件后恢复正常。如果没有这次校验，这个偏差就会在三取二表决中被雷达和磁翻板“压制”，大家以为系统一切正常，其实是单路校验已经失效，隐患被掩盖了。

以前文那座年产300万吨、正常涌水量420立方米每小时、最大涌水量780立方米每小时的矿井为例，2024年下半年完成主副两仓自动清淤、水位五级联动与泵房无人值守改造，运行一年后的账本如下。

如图5所示，会审后确认的年度对账数据如下：

两项投入也要如实写在账上：一套水下清淤机器人加渣浆泵加排泥管路加压滤机，设备与安装总投资约680万元；水位三套检测加PLC加防淹门液压联锁改造，投资约290万元，合计970万元。年节省人工、电费和清淤运行费共计约591万元，静态回收期不到20个月。

账外还有一笔“保险价值”不容易量化：2025年7月，该矿一个采区的老空积水突然下泄，主仓水位在18分钟内从2.5米蹿升到4.1米，上升速率一度达到7厘米每分钟。系统在水位刚到3.0米时，因速率超限直接按三级处理，备用泵2分钟内并网，检修泵在水位到3.9米时也自动并入，水位在4.3米封顶后开始回落，从未触及五级。事后调度室核算，如果没有速率预判，水位按传统方式在3.4米才报警，排水能力的缺口会让水位再多涨近半米。

这笔账放在更大的背景里看，排水系统只是矿井防治水体系的末端。前面还有物探、钻探和注浆治理，这几年的做法可以参阅神木煤矿老空水与顶板水害“三区”精准划分及超前探放治理工程案例和矿井突水风险评估与微震监测预警指南；各泵组和水位数据汇入统一的三维可视化平台，则可以参考矿山三维地质透明化与数字孪生管控平台。

为避免井下主排水系统在汛期“库容缩水、水位失真、泵房失守”，建议矿总工程师与机电科立即推进以下三项行动：