煤礦井下排水系統(tǒng)的自動化分析

孔令成

摘? ?要：本文首先介紹了煤礦井下排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和主要存在的問題，接著分析了煤礦井下自動化排水系統(tǒng)的具體組成，包括地面控制中心、以太網(wǎng)控制中心和水倉檢測控制系統(tǒng)等，接著從煤礦井下排水系統(tǒng)自動化軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩方面進行了研究，最后探討了煤礦井下排水系統(tǒng)自動化功能的具體實現(xiàn)。希望通過本文的研究能夠帶動我國煤礦井下作業(yè)的發(fā)展，進而促進我國煤礦資源的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煤礦? 井下排水系統(tǒng)? 自動化

對煤礦排水自動化控制系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)中極為重要的環(huán)節(jié)之一，要想保證煤礦作業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，就必須做好井下排水系統(tǒng)工作，尤其必須根據(jù)礦井的實際情況進行設(shè)計和安裝，這樣才能保證煤礦排水工作更加可靠，同時能有效提升礦井排水效率，降低工人的平均勞動強度。

1? 煤礦井下排水系統(tǒng)概述

煤礦井下排水系統(tǒng)是煤礦六大主要系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著將井下積水排出的重任，煤礦井下系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行是保證煤礦安全運行的基礎(chǔ)和前提。據(jù)研究調(diào)查，煤礦井下水的組成成分主要包括地表水和地下水，其中地表水主要包括礦井附近的江河、湖泊以及降雨、水庫的積水;地下水主要包括地下水層中含有的水分。在煤礦開采的過程中，會破壞地層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地層中的地下水流入到礦井當(dāng)中，如果礦井中的水積累到一定程度又無法順利排出就會使整個礦井陷入危險環(huán)境，甚至影響井下工人的生命安全。

1.1 煤礦井下排水系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

煤礦井下排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括離心泵、射流泵、閘閥、止回閥、管道和壓力表，另外排水電氣控制系統(tǒng)則主要包括防爆電動機、磁力啟動器、高低壓開關(guān)柜以及軟啟動器等。

（1）離心式水泵：煤礦井下排水系統(tǒng)中主要排水設(shè)備有很多種，其中我國礦井中最為常用的是離心式水泵。離心式水泵的主要工作原理是葉片在電動機的帶動下進入高速旋轉(zhuǎn)模式，此時礦井下的液體就會順著排水管排出水倉，在開啟電動機之前應(yīng)該確保其吸水管和葉輪內(nèi)部都已灌滿液體，開啟電動機后液體跟隨葉輪做高速旋轉(zhuǎn)運動，高速旋轉(zhuǎn)的液體在離心力的作用下做離心運動脫離泵體，最后在出水口聚集沿出水口流出礦井。

（2）閘閥：閘閥的位置位于止回閥的右下方，是排水管路上的重要結(jié)構(gòu)。對于閘閥來說，作用主要包括：第一，控制通過離心泵排出井下水的相關(guān)參數(shù)，例如單位時間的排水流量以及離心泵排水揚程等。第二，在將離心泵開啟時，應(yīng)該保證閘閥是關(guān)閉狀態(tài)，這樣在啟動電機時，通過電機的電流會降低，電機運轉(zhuǎn)負(fù)載相應(yīng)下降，泵軸功率也會相應(yīng)下降。閘閥在開啟和關(guān)閉時所受壓力較小，且在安裝過程中不需要核對方向問題，安裝簡單，不存在安反等情況，如果有必要排水量和揚程還可以隨意調(diào)節(jié)。但閘閥也存在一些劣勢問題：例如閘閥的體積通常較大，且閘閥內(nèi)部密封面較易受損，閘閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題，維修成本相對較高。

（3）逆止閥：排水系統(tǒng)中安裝逆止閥能夠有效防止水在下落過程中降速過快，導(dǎo)致下降時高速流水對水泵和管路產(chǎn)生過大的沖擊力。如果水泵在運行過程中突然停轉(zhuǎn)，逆止閥會迅速感應(yīng)并自動返回到關(guān)閉狀態(tài)，這樣管路中的水不會形成高壓，降低了水泵和管路受破壞的可能性。

（4）壓力表與真空表：安裝在排水系統(tǒng)中排水管路上的表是壓力表，通常來說排水系統(tǒng)中主排水管路和分排水管路都會安裝一個壓力表，這樣能夠及時的測量出各個管路中水壓的大小。而安裝在水泵和吸水管上的是真空表，真空表的主要作用是監(jiān)測排水系統(tǒng)運行過程中吸水管的真空度。

（5）射流泵與真空泵：在排水系統(tǒng)進行水下排水時，首先要保證泵腔內(nèi)和吸水管內(nèi)都已注滿水后才能啟動離心泵，只有這樣才能保證水泵能被正常啟動。相反，如果泵腔內(nèi)和吸水管內(nèi)沒有注滿水，還存在空氣，吸水管內(nèi)部與水倉的壓力就是相同的，吸水管內(nèi)水壓較大，外部的水就不會被壓入吸水管內(nèi)部。水泵運行時候就會出現(xiàn)水量不足的情況，產(chǎn)生的熱量就會影響到水泵的正常使用壽命。另外在對真空泵進行抽空時通常使用射流泵，具體操作過程是在主排水管路上加開一條旁路，利用射流泵帶動泵內(nèi)空氣流動，在高速射流的帶動下，會形成“虹吸”，水流會逐漸由水倉被吸入到吸水管和泵腔內(nèi)部。值得注意的是，真空泵和射流泵的工作原理存在一定的差異，通常情況下，人們選擇使用射流泵為排水系統(tǒng)進行抽真空，而選擇真空泵為輔助抽空裝置。

以上五部分為煤礦自動排水系統(tǒng)的主要組成部分，并且當(dāng)前為了實現(xiàn)節(jié)約能源以及降低排水系統(tǒng)水泵停止時管路中的水流以過快的速度流向底閥，造成事故現(xiàn)象，大多數(shù)煤礦都選擇使用無底閥排水系統(tǒng)。

1.2 煤礦井下排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀

通過大數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，當(dāng)前我國已有較大一部分煤礦實現(xiàn)了自動化排水操作，仍存在一小部分礦井采用傳統(tǒng)的人工排水方式。雖然二者的主要排水原理都是利用離心泵進行抽排，但是人工方式明顯較自動系統(tǒng)落后，如果使用人工排水方法，水泵的啟動和停止無法被自動監(jiān)測和控制，只能通過技術(shù)人員的個人經(jīng)驗以及定時觀察實現(xiàn)，一旦水倉內(nèi)積水過多也無法快速及時作出反應(yīng)。人工操作的具體步驟是：首先技術(shù)人員通過定時觀察發(fā)現(xiàn)水倉水位較高，已達到設(shè)定開啟水泵高度，這時操作人員需要及時將排水系統(tǒng)中的閘閥關(guān)閉。第二步應(yīng)該人工開啟射流泵，通過射流泵作用對水泵進行抽空處理，操作人員在該過程中應(yīng)實時監(jiān)測氣壓表，當(dāng)空氣壓力值符合要求時開啟水泵，同時觀察離心泵出水口的水壓值，當(dāng)水壓值達到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時將閘閥打開，自動排水系統(tǒng)即可自動運轉(zhuǎn)?？偨Y(jié)來說，自動化排水方式可以分為全自動控制模式、半自動控制模式和手動控制模式，其中全自動控制模式中，排水系統(tǒng)能夠自動對水泵開啟和關(guān)閉時間進行分析測定，通常來說監(jiān)測數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確穩(wěn)定;手動控制模式中通常系統(tǒng)中存在開啟和關(guān)閉水泵的按鈕，技術(shù)操作人員可以通過手動按鍵的方式人為控制水泵開啟和關(guān)閉的時間。手動控制模式通常應(yīng)用在一些特殊情況中，例如需要人工控制開啟水泵臺數(shù)時，或者在對水泵進行修理維護時更適宜選擇手動控制方式。

2? 煤礦井下自動化排水系統(tǒng)組成

2.1 地面控制中心

地面控制中心是煤礦井下自動化排水系統(tǒng)的重要組成部分，它通常設(shè)置在調(diào)度中心內(nèi)部，并選擇高性能的工控機作為自身的操控臺對煤礦井下的所有水倉和相關(guān)設(shè)備進行監(jiān)控。另外，地面控制中心還負(fù)責(zé)向控制器中傳達相應(yīng)的參數(shù)和命令，以及數(shù)據(jù)圖形報表的儲存和展示等。

2.2 以太網(wǎng)絡(luò)控制中心

以太網(wǎng)絡(luò)控制中心是為了適應(yīng)數(shù)字化礦山建設(shè)和自動化排水需要建設(shè)的控制中心，當(dāng)前我國一些礦山中的以太網(wǎng)絡(luò)控制中心以太環(huán)網(wǎng)帶寬已經(jīng)可以達到千兆以上，各個不同的監(jiān)測分站能夠通過光纖工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與地面控制中心的通信與連接。

2.3 水倉檢測控制系統(tǒng)

我國煤礦井下排水水倉按照水倉類型劃分可以分為小水倉和中轉(zhuǎn)水倉，其中小水倉內(nèi)部的積水可以通過水泵作用排入到中轉(zhuǎn)水倉內(nèi)，中轉(zhuǎn)水倉中水積攢到一定程度后可以使用大功率的水泵，將水排入到主水倉中。

3? 煤礦井下排水系統(tǒng)自動化控制方案

3.1 排水系統(tǒng)自動監(jiān)控

煤礦井下排水系統(tǒng)的自動化運行主要是通過PLC得以實現(xiàn)的，運用PLC技術(shù)實現(xiàn)自動監(jiān)控的方式同樣有三類，第一類是進行半自動控制，即在系統(tǒng)運作時通過半自動觸屏和半自動調(diào)度實現(xiàn)對系統(tǒng)的集中控制。第二類是就地控制，就地控制方式能夠最大程度的保證排水系統(tǒng)的安全性，降低系統(tǒng)發(fā)生危險的情況，保證排水系統(tǒng)自動化設(shè)施的穩(wěn)定運行。第三類就是全自動控制，全自動控制指的是整個系統(tǒng)都采用PLC技術(shù)，對煤礦井下系統(tǒng)進行自動化的運行和監(jiān)控，整個煤礦井下排水工程不需要耗費任何人工，同時也降低了井下排水的人工成本。

3.2 排水系統(tǒng)中央泵房設(shè)計

井下自動排水系統(tǒng)的核心裝置就是中央泵房，中央泵房的存在使排水系統(tǒng)擁有足夠的水動力，同時中央泵房的安全運行也是整個排水系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)和前提。在對中央泵房進行設(shè)計時，主要采用的是單臺水泵設(shè)計，在安裝時要對安裝泵的型號進行選擇和核對，減少因為型號不匹配影響中央泵房運行的情況。另外，在中央泵房的出口應(yīng)該安裝壓力檢測設(shè)備，根據(jù)水壓表顯示對水泵做出及時的調(diào)整，這樣才能確保整個井下自動化排水系統(tǒng)的安全運行。

4? 煤礦井下排水系統(tǒng)自動化設(shè)計

4.1 煤礦井下排水系統(tǒng)自動化軟件設(shè)計

（1）設(shè)計操作方式：對煤礦井下排水自動化系統(tǒng)的軟件設(shè)計，存在一定的設(shè)計要求，首先PLC應(yīng)該符合井下排水自動化設(shè)計，在進行具體操作時能夠根據(jù)具體情況進行準(zhǔn)確的切換。另外，在設(shè)計PLC操作系統(tǒng)時，需要對系統(tǒng)的操作情況做出判斷，只有水泵處于停運的狀態(tài)時，才能轉(zhuǎn)換操作方式，如果水泵還在運作就啟動了操作轉(zhuǎn)換，PLC系統(tǒng)就會發(fā)出警報對操作人員做出相應(yīng)的提示。

（2）設(shè)計水泵的啟停：由于水泵的啟停對排水系統(tǒng)的運行安全有絕對性的影響，因此煤礦企業(yè)都十分注重對水泵啟停方面的設(shè)計。PLC常見的啟停設(shè)計包括：PLC軟件與地面監(jiān)控中心接入，人們能夠通過地面監(jiān)控中心實時對水泵的運行狀況進行監(jiān)控，從而控制水泵的啟停;在PLC系統(tǒng)中設(shè)計出手動啟停裝置，保證能夠人為控制水泵的啟停;PLC系統(tǒng)中設(shè)計就地自排程序，如遇特殊情況能夠進行就地自排。

4.2 煤礦井下排水系統(tǒng)自動化硬件設(shè)計

煤礦井下排水系統(tǒng)自動化硬件設(shè)計相對于軟件設(shè)計來說，稍顯簡單一些，首先要實現(xiàn)對PLC的選型應(yīng)用，設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)具體的煤礦井下情況選擇合適的PLC類型，通過PLC硬件提升排水系統(tǒng)的控制力。其次，要實現(xiàn)傳感器分配設(shè)計，狀態(tài)良好的傳感器能夠保證井下自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確運行，進而保證排水系統(tǒng)的實用性能。

5? 結(jié)語

煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極研究探索井下排水系統(tǒng)的自動化設(shè)計，運用PLC技術(shù)和自動化控制理念，對排水系統(tǒng)進行優(yōu)化，使煤礦井下排水運行達到最佳狀態(tài)，最大程度的提升排水系統(tǒng)效率，進而保證煤礦生產(chǎn)安全。

參考文獻

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