煤礦巷道自動(dòng)排水裝置的應(yīng)用探析

武彥理

（同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

1 煤礦巷道自動(dòng)排水裝置分析

目前，大部分煤礦開(kāi)采單位都使用氣動(dòng)隔膜泵以及電動(dòng)潛水泵作為排水裝置，通過(guò)人工操作控制水泵，完成煤礦巷道的排水工作。但是這種排水方式受人為因素影響較大，難以取得理想的排水效果。因此，煤礦開(kāi)采企業(yè)需要進(jìn)行自動(dòng)排水裝置的設(shè)計(jì)。本文主要將氣動(dòng)隔膜泵以及電動(dòng)潛水泵作為對(duì)象，進(jìn)行自動(dòng)排水裝置的分析研究。

1.1 氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水裝置

此種自動(dòng)排水裝置主要通過(guò)機(jī)械方式，應(yīng)用氣動(dòng)隔膜泵的控制閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)排水的自動(dòng)化。在進(jìn)行自動(dòng)排水裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)采單位可以在下面三種方案中選擇最合適的一種：（1）應(yīng)用導(dǎo)軌聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及浮漂連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)水桶重量的調(diào)節(jié)，在水位升高一定程度時(shí)，拉繩的移動(dòng)會(huì)開(kāi)啟氣動(dòng)隔膜泵的控制閥門(mén)，當(dāng)水位降低到一定程度時(shí)，閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，該方案的排水控制效果較為顯著，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度與成本相對(duì)較高；（2）在自動(dòng)排水裝置中應(yīng)用快速開(kāi)關(guān)閥，利用滑移連桿以及遙桿進(jìn)行閥門(mén)的控制，但是快速開(kāi)關(guān)閥需要外購(gòu)，成本相對(duì)較高；（3）通過(guò)液壓支架實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的控制，通過(guò)液壓支架的快開(kāi)快關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，制造成本相對(duì)較低。

在實(shí)際的應(yīng)用中，煤礦開(kāi)采單位首先選擇第三種方案作為自動(dòng)排水裝置的制作方案（具體的設(shè)計(jì)如圖1所示），工作人員可以采用廢舊材料（開(kāi)光廢棄彈簧或者廢舊圓鋼等材料）進(jìn)行液壓支架的制作，避免煤礦巷道開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)失爆現(xiàn)象，減少排水裝置對(duì)電源的依懶性。通過(guò)對(duì)氣動(dòng)隔膜泵的改造，大大節(jié)約了自動(dòng)排水裝置應(yīng)用成本，還能夠節(jié)約井下風(fēng)資源。

1.2 電動(dòng)潛水泵自動(dòng)排水裝置

此種自動(dòng)排水裝置主要包括防爆開(kāi)關(guān)、浮漂以及支架等設(shè)備組成，在水位上升及下降作用力的作用下，利用交流接觸器、繼電器以及防爆行程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)潛水泵的控制。在水窩水位上升到一定程度時(shí)，浮漂會(huì)移動(dòng)到上水位，撞桿在浮漂運(yùn)動(dòng)的作用下開(kāi)啟防爆行程開(kāi)關(guān)，從而啟動(dòng)電動(dòng)潛水泵，完成排水；在水窩水位下降到一定程度時(shí)，浮漂下降，撞桿在浮漂運(yùn)動(dòng)的作用下關(guān)閉防爆行程開(kāi)關(guān)，關(guān)閉電動(dòng)潛水泵。電動(dòng)潛水泵自動(dòng)排水裝置的控制便捷，能夠保障巷道開(kāi)采的安全性。電動(dòng)潛水泵自動(dòng)排水裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本相對(duì)較低，而且具備較高的安全性，能夠有效避免電動(dòng)潛水泵被燒毀，可以廣泛應(yīng)用于巷道開(kāi)采工作中，有助于開(kāi)采單位經(jīng)濟(jì)效益的提升。因此，本文將上述兩種自動(dòng)排水裝置作為基礎(chǔ)，結(jié)合同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司的具體開(kāi)采狀況，進(jìn)行自動(dòng)排水裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析[1]。

圖1 氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水裝置設(shè)計(jì)圖

2 煤礦巷道自動(dòng)排水裝置的應(yīng)用

2.1 工程概況

同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司在投產(chǎn)之后，礦井涌水量逐年增加，其礦坑總排水量最高為462.9m3/h。煤礦礦井涌水主要來(lái)自于采掘工作面以及采空區(qū)等區(qū)域。因?yàn)槊旱V內(nèi)部巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，排水區(qū)域相對(duì)較多，難以通過(guò)人工排水方式完成。在同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司投入生產(chǎn)之后，最大涌水量為300m3/h，該礦初期通過(guò)人工排水方式進(jìn)行排水，不僅浪費(fèi)了大量的人力資源，排水效果也不理想，而且很容易對(duì)煤礦的供電系統(tǒng)造成不利影響。

人工排水方式的不足主要體現(xiàn)在以下兩方面：（1）開(kāi)采安全性相對(duì)較差。大部分煤礦巷道的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需要通過(guò)多級(jí)排水方式，才可保障開(kāi)采的順利進(jìn)行，但是由于水泵空轉(zhuǎn)或積水溢出等問(wèn)題，從而對(duì)水泵造成損壞，當(dāng)積水嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)井下供電系統(tǒng)造成破壞；（2）人力成本較高。在實(shí)際的煤礦開(kāi)采工作中，多級(jí)排水系統(tǒng)需要多個(gè)工作人員，需要花費(fèi)大量的人力成本，而且水泵工的工作量相對(duì)較大，工作效率低下，難以取得良好的排水效果。

因此，該礦在投入生產(chǎn)一年之后，決定對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過(guò)自動(dòng)排水裝置的應(yīng)用，提高巷道的排水效果，保障煤礦的高效生產(chǎn)。該礦將6305膠順排水點(diǎn)作為排水系統(tǒng)的安裝部位，因?yàn)樵搮^(qū)域的環(huán)境最為復(fù)雜，溫濕度以及瓦斯含量相對(duì)較高，排水難度較高，安全性較差，需要安裝自動(dòng)排水裝置[2]。

2.2 自動(dòng)排水裝置的組成

6305膠順排水點(diǎn)的涌水量約為40m3/h，該礦為了避免排水點(diǎn)因變壓器掉電或者其他原因出現(xiàn)涌水外流問(wèn)題，根據(jù)電動(dòng)潛水泵自動(dòng)排水裝置的設(shè)計(jì)原理，選擇雙回路供電系統(tǒng)，通過(guò)兩組不同變壓器的應(yīng)用，為自動(dòng)排水裝置供電，并在排水系統(tǒng)中增設(shè)了一組手動(dòng)排水泵，大大提高了自動(dòng)排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。自動(dòng)排水裝置主要包括啟動(dòng)器、電纜、自動(dòng)控制箱、隔爆型液位控制器、水泵、電極以及低壓防爆開(kāi)關(guān)等設(shè)備組成。其中，隔爆型液位控制器由電源電路、傳感器電路、控制電路以及執(zhí)行電路等電路組成，傳感器是將兩個(gè)干簧管安裝于一段封死的PVC管內(nèi)，將其插入水中，實(shí)現(xiàn)水位的探測(cè)，其具體的電氣控制如圖2所示。

圖2 電氣控制原理圖

在自動(dòng)排水裝置的應(yīng)用過(guò)程中，隔爆型液位控制器連接于低壓防爆開(kāi)關(guān)的控制回路，并將電極沉沒(méi)于水中，在水位上升到液位控制器的上限時(shí)，防爆型液位控制器的上限和電極形成回路，開(kāi)啟防爆型液位控制器，在延時(shí)一段時(shí)間之后（延時(shí)的目的在于防止開(kāi)關(guān)與水泵在液位波動(dòng)的狀況下，出現(xiàn)頻繁啟動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)自動(dòng)排水裝置造成損壞，常用的延時(shí)時(shí)間在5～10s），液位控制器通過(guò)調(diào)節(jié)低壓防爆開(kāi)關(guān)啟動(dòng)水泵，完成巷道自動(dòng)排水；在水位下降到液位控制器的下限時(shí)，防爆型液位控制器的下限和電極間的回路斷開(kāi)，在延時(shí)5～10s時(shí)間之后，水泵停機(jī)。

該礦的自動(dòng)排水裝置采用電極式電路傳感器，大大增強(qiáng)了傳感器的信號(hào)，可以有效控制液位的高低，而且電極式電路傳感器的安裝與維護(hù)較為簡(jiǎn)便，能夠調(diào)節(jié)具體的液位高低差。與此同時(shí)，如果自動(dòng)控制電路出現(xiàn)故障，或者煤礦巷道需要緊急排水，開(kāi)采人員可以通過(guò)手動(dòng)操作控制自動(dòng)排水裝置的運(yùn)行；如果開(kāi)采人員忘記關(guān)閉自動(dòng)排水裝置，自動(dòng)排水系統(tǒng)內(nèi)部的保護(hù)電路能夠自動(dòng)停機(jī)，避免自動(dòng)排水裝置將水窩的水排干，導(dǎo)致水泵空轉(zhuǎn)，在很大程度上延長(zhǎng)了自動(dòng)排水裝置的使用壽命。

在實(shí)際的煤礦巷道自動(dòng)排水裝置應(yīng)用中，工作人員需要將啟動(dòng)器與電源系統(tǒng)進(jìn)行連接，并通過(guò)電纜將啟動(dòng)器和自動(dòng)控制箱及水泵進(jìn)行連接；通過(guò)電纜將自動(dòng)控制箱與隔爆型液位控制器進(jìn)行連接。具體的自動(dòng)排水裝置安裝示意圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)排水裝置安裝示意圖

2.3 自動(dòng)排水裝置的應(yīng)用效果

在該礦應(yīng)用自動(dòng)排水裝置以來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)了煤礦巷道水窩排水的自動(dòng)化，有效解決了該礦存在的采空區(qū)涌水、回采巷道與掘進(jìn)工作面存在的涌水、倒流、積水以及淋水問(wèn)題，能夠及時(shí)將煤礦巷道的積水排出，為開(kāi)采人員的煤礦開(kāi)采提供了便利。與此同時(shí)，該礦之前需要安排三班專業(yè)人員負(fù)責(zé)排水點(diǎn)的看護(hù)，在自動(dòng)排水裝置投入使用之后，只需要一班人員進(jìn)行巡回檢查即可，大大節(jié)約了人力成本。另外，自動(dòng)排水裝置能夠有效避免開(kāi)采設(shè)備因?yàn)榉e水浸泡出現(xiàn)故障，有效保障了開(kāi)采人員的人身安全，促進(jìn)了煤礦巷道管理的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，大大提高了煤礦開(kāi)采的安全性，保障了煤礦開(kāi)采的質(zhì)量。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，在自動(dòng)排水裝置投入使用之后，該礦每年能夠節(jié)約近十萬(wàn)元的設(shè)備運(yùn)維費(fèi)用以及十多萬(wàn)元的勞動(dòng)費(fèi)用。觀察自動(dòng)排水裝置在該礦中的應(yīng)用效果，總結(jié)出自動(dòng)排水裝置以下優(yōu)勢(shì)：

（1）能夠有效解決自動(dòng)控制和手動(dòng)控制之間存在的聯(lián)鎖問(wèn)題，如果積水水位超過(guò)上限，而水位上限控制器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致自動(dòng)排水裝置不能正常應(yīng)用時(shí)，開(kāi)采人員可以通過(guò)手動(dòng)操作，開(kāi)啟自動(dòng)排水裝置的開(kāi)關(guān)；（2）自動(dòng)排水裝置的設(shè)備設(shè)計(jì)較為可靠，不會(huì)因?yàn)槁╇姛龤Э刂谱儔浩?，延長(zhǎng)了自動(dòng)排水裝置的使用壽命；（3）支持聯(lián)鎖控制，在兩臺(tái)水泵運(yùn)行的過(guò)程中，能夠通過(guò)兩臺(tái)水泵上限的控制高度的調(diào)節(jié)，保障自動(dòng)排水裝置的自動(dòng)化控制；（4）和磁懸浮式液位控制器相比，該礦巷道自動(dòng)排水裝置選用的自動(dòng)控制方式具備更高的可靠性及安全性；（5）自動(dòng)排水裝置的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造工藝與工作原理簡(jiǎn)便，成本相對(duì)較低，還能夠節(jié)約人力資源成本；（6）自動(dòng)排水裝置的排水效果顯著，不會(huì)受到人為因素的影響，排水動(dòng)作靈敏可靠[3]。

3 結(jié)論

通過(guò)本文的分析可知，煤炭開(kāi)采企業(yè)需要認(rèn)識(shí)到自動(dòng)排水裝置的重要作用，應(yīng)用液位控制器、防爆開(kāi)關(guān)以及水泵等設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)排水裝置的設(shè)計(jì)，并根據(jù)煤礦巷道水窩的具體狀況，合理設(shè)置控制高度，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道水窩水位的有效控制，避免煤炭開(kāi)采設(shè)備及供電系統(tǒng)受到不利影響，提高開(kāi)采單位的經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)排水裝置的應(yīng)用可以保障煤炭開(kāi)采工作的有序進(jìn)行，值得推廣應(yīng)用。